Использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения зданий
Тепловой насос – термодинамическая установка, в которой теплота от низкопотенциального источника передается потребителю при более высокой температуре. При этом затрачивается механическая энергия.
Большую перспективу представляет использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Известно, что в годовом цикле на ГВС расходуется примерно столько же тепла, как и на отопление зданий. Примером здания, в котором тепловые насосы использованы для ГВС, является многоэтажный жилой дом, построенный в Москве в Никулино-2. В этом здании в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используется тепло земли и тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Подробно эта система будет рассмотрена ниже.
Некоторые возможные источники низкопотенциальной тепловой энергии
Источником низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как естественного, так и искусственного происхождения. В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы:
— тепло земли (тепло грунта);
— подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные);
— вода естественных и искусственных водоемов (рек, озер, морей, прудов, водохранилищ);
В качестве искусственных источников низкопотенциального тепла могут выступать:
— удаляемый вентиляционный воздух;
— канализационные стоки (сточные воды);
— тепло технологических процессов;
Таким образом, существуют большие потенциальные возможности использования энергии вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализации этого потенциала.
Ранее тепловой насос использовался в первую очередь для кондиционирования (охлаждения) воздуха. Система была способна также обеспечить определенную отопительную мощность, в большей или меньшей степени удовлетворяющую потребности в тепле в зимний период. Однако характеристики этого оборудования стремительно меняются: сейчас во многих странах Европы тепловые насосы используются в отоплении и ГВС. Такое положение связано с поиском экологичных решений: вместо традиционного сжигания ископаемого топлива – использование альтернативных источников энергии, например, солнечной. Для массового потребителя одним из наиболее предпочтительных вариантов использования нетрадиционных источников энергии является использование низкопотенциального тепла посредством тепловых насосов.
Существуют разные варианты классификации тепловых насосов. Ограничимся делением систем по их оперативным функциям на две основных категории:
— тепловые насосы только для отопления и/или горячего водоснабжения, применяемые для обеспечения комфортной температуры в помещении и/или приготовления горячей санитарной воды;
— интегрированные системы на основе тепловых насосов, обеспечивающие отопление помещений, охлаждение, приготовление горячей санитарной воды и иногда утилизацию отводимого воздуха. Подогрев воды может осуществляться либо отбором тепла перегрева подаваемого газа с компрессора, либо комбинацией отбора тепла перегрева и использования регенерированного тепла конденсатора.
Тепловые насосы, предназначенные исключительно для приготовления горячей санитарной воды, зачастую в качестве источника тепла используют воздух среды, но равным образом могут использовать и отводимый воздух.
Следует отметить, что постепенно увеличивается предложение тепловых насосов класса реверсивные «воздух-вода», чаще всего поставляемых в комплекте с расширительным баком и насосным агрегатом. По отдельному заказу поставляется накопительный резервуар. Такие насосы можно врезать непосредственно в существующие водопроводные системы.
В Германии и других странах Северной Европы распространены тепловые насосы, которые используют тепло, содержащееся в грунте. Диапазон тепловой мощности разработанных моделей самый широкий – от 5 до 70 кВт.
По данным на 1997 год из 90 млн тепловых насосов, установленных в мире, только около 5 %, или 4,28 млн аппаратов, смонтировано в Европе. Совсем немного по сравнению с 57 млн систем, имеющихся в Японии, где такое оборудование является основным в обеспечении отопления жилого фонда. В Соединенных Штатах насчитывается 13,5 млн установленных агрегатов, а еще только развивающийся китайский рынок достиг уровня 10 млн систем. Подобное нерасположение Европы имеет свои причины, однако в последнее время отношение к тепловым насосам меняется. Примерная оценка числа тепловых насосов, установленных в главных странах Сообщества в жилом фонде, торгово-административных и промышленных сооружениях, приводится в табл. 1. Основную долю составляют страны Южной Европы: Испания, Италия и Греция.
В жилом фонде имеется 3 млн установленных тепловых насосов. Однако по степени охвата показатель небольшой – около 1 %. Хотя очевидно, что установленные в торгово-административном фонде 1,2 млн агрегатов, составляя абсолютное наименьшее значение, будут иметь несколько больший охват.
Таблица 1
Количество тепловых насосов, установленных в Европе, по данным на 1996 год
Страна
Жилой
фонд 1
торгово-
тивный фонд
промышлен-
ный фонд 2
Всего на
1996 год
Австрия
133 100
4 300
*
137 400
Дания
31 300
2 000
1 000
34 300
Франция
53 000
61 000
675
114 675
Германия
363 120
5 300
300
368 720
Греция
570 840
266 220
*
837 060
Италия 3
800 000
20 000
*
820 000
Голландия 4
2 856
136
159
3 151
Норвегия
13 500
6 400
726
20 626
Испания
802 000
411 000
7 390
1 200 390
Швеция
250 000
*
*
250 150
Швейцария
39 500
3 400
*
42 900
Англия
13 900
414 060
600
428 560
Всего
3 073 116
>1 193 816
>11 000
>4 277 932
1 в том числе водяные отопители;
2 в том числе районные системы;
4 только отопление.
Примерно 77 % установленных в Европе тепловых насосов используют наружный воздух в качестве источника тепла, хотя в Швеции, Швейцарии и Австрии преобладают тепловые насосы, забирающие тепло из грунта по заглубленному змеевиковому теплообменнику: данные по этим странам составляют соответственно 28, 40 и 82 %. В Северной Европе зачастую тепловые насосы применяются только для отопления и приготовления горячей санитарной воды.
Источники низкопотенциальной тепловой энергии
Тепловые, энергетические и экономические характеристики тепловых насосов тесно взаимосвязаны с характеристиками источников, из которых насосы берут тепло. Идеальный источник тепла должен давать стабильную высокую температуру в течение отопительного сезона, не быть коррозийным и загрязняющим, иметь благоприятные теплофизические характеристики, не требовать существенных инвестиций и расходов по обслуживанию. В большинстве случаев имеющийся источник тепла является ключевым фактором, определяющим эксплуатационные характеристики теплового насоса.
В качестве источников тепла в небольших системах на базе тепловых насосов широко используются наружный и отводимый воздух, почва и подпочвенная вода, для систем большой мощности применяются морская, озерная и речная вода, геотермические источники и грунтовые воды.
Воздух
Наружный воздух, будучи совершенно бесплатным и общедоступным, является наиболее предпочитаемым источником тепла. Тем не менее тепловые насосы, применяющие именно воздух, имеют фактор сезонной нагрузки (SPF) в среднем ниже на 10–30 % по сравнению с водяными тепловыми насосами. Это объясняется следующими обстоятельствами:
— быстрым снижением мощности и производительности с падением наружной температуры;
— относительно большой разностью температур конденсации и испарения в период минимальных зимних температур, что в целом снижает эффективность процесса;
— энергозатратами на размораживание испарительной батареи и функционирование соответствующих вентиляторов.
В условиях теплого и влажного климата на поверхности испарителя в диапазоне от 0 до 6 °С образуется изморось, что ведет к снижению мощности и производительности теплового насоса. Иней уменьшает площадь свободной поверхности и препятствует прохождению воздуха. Как следствие, снижается температура испарения, что, в свою очередь, способствует нарастанию инея и дальнейшему неуклонному снижению производительности вплоть до возможной полной остановки агрегата вследствие срабатывания контрольного датчика низкого давления, если прежде не будет устранено обледенение.
Размораживание батареи осуществляется путем инверсии охлаждающего цикла или иными, хотя и менее эффективными способами.
Краткие характеристики некоторых источников низкопотенциальной тепловой энергии при использовании их для горячего водоснабжения жилых домов
Энергопотребление имеет тенденцию к росту. Общий коэффициент производительности СОР сокращается с увеличением частоты размораживания. Применение специальной системы контроля, обеспечивающей размораживание по требованию (т. е. когда оно фактически необходимо), а не периодическое, может существенно повысить общую эффективность.
Еще один источник тепла в жилых и торгово-административных сооружениях – отводимый вентиляционный воздух. Тепловой насос регенерирует тепло из отводимого воздуха и обеспечивает приготовление горячей воды или теплого воздуха для отопления помещений. В этом случае, однако, требуется постоянное вентилирование в течение всего отопительного сезона или даже целого года, если предусмотрено кондиционирование помещений в летний период. Существуют аппараты, в которых конструктивно изначально заложена возможность использования и отводимого вентиляционного, и наружного воздуха. В некоторых случаях тепловые насосы, применяющие отводимый воздух, используются в комбинации с рекуператорами «воздух-воздух».
Подпочвенные воды есть во многих местах, они имеют достаточно стабильную температуру в диапазоне от 4 до 10 °С. Для использования воды как источника тепла применяются главным образом открытые системы: подпочвенная вода откачивается и подается на теплообменник системного агрегата, где у воды отбирается часть содержащегося в ней тепла. Вода, охлажденная таким образом, отводится в сливной колодец или в поверхностные воды. Открытые системы требуют самого тщательного проектирования в целях предотвращения проблем с замерзанием, коррозией и накоплением отложений.
Большим недостатком тепловых насосов, работающих на подпочвенных водах, является высокая стоимость работ по монтажу водозабора. Кроме того, следует учитывать требования, порой весьма жесткие, местных администраций в вопросах организации сточных вод.
Речная и озерная вода с теоретической точки зрения представляется весьма привлекательным источником тепла, но имеет один существенный недостаток – чрезвычайно низкую температуру в зимний период (она может приближаться к 0 °С). По этой причине требуется особое внимание при проектировании системы в целях предотвращения замораживания испарителя.
Морская вода представляется в некоторых случаях отличным источником тепла и используется в основном в средних и крупных системах. На глубине от 25 до 50 м морская вода имеет постоянную температуру в диапазоне от 5 до 8 °С. И, как правило, проблем с образованием льда не возникает, поскольку точка замерзания здесь от -2 до -10 °С. Есть возможность использовать как системы прямого расширения, так и системы с рассолом. Важно лишь использовать теплообменники и насосные агрегаты, стойкие к воздействию коррозии, и предотвращать накопление отложений органического характера в водозаборном трубопроводе, теплообменниках, испарителях и пр.
Грунтовым водам свойственна относительно высокая и стабильная в течение года температура. Основные ограничения здесь могут составлять расстояние транспортировки и фактические ресурсы, объем которых может меняться. Примерами возможных источников тепла в данной категории носителей можно считать грунтовые воды на канализационных участках (очистные и прочие водостоки), промышленные водостоки, водостоки участков охлаждения промышленных конденсаторов или производства электроэнергии.
Грунт
Тепловые насосы, использующие грунт в качестве источника тепла, применяются для обслуживания жилых и торгово-административных сооружений. Грунт, как и подпочвенные воды, имеет одно преимущество – относительно стабильную в течение года температуру. Тепло отбирается по трубам, уложенным в землю горизонтально или вертикально (спиралеобразно). Могут использоваться:
— системы прямого расширения с охлаждающей жидкостью, испаряющейся по мере циркуляции в контуре трубопровода, заглубленного в грунт;
— системы с рассольной жидкостью, прокачиваемой по трубопроводу, заглубленному в грунт.
В целом тепловые насосы рассольного типа имеют более низкую производительность по сравнению с агрегатами первого типа в силу происходящего в них «двойного» теплообмена (грунт – рассол, рассол – хладагент) и энергозатрат на обеспечения работы циркуляции рассола, хотя обслуживать такие системы существенно проще.
Тепловая емкость грунта варьируется в зависимости от его влажности и общих климатических условий конкретной местности. В силу производимого отбора тепла во время отопительного сезона его температура понижается.
В условиях холодного климата большая часть энергии извлекается в форме латентного тепла, когда грунт промерзает. В летний период под действием солнца температура грунта вновь поднимается, и появляется возможность вернуться к первоначальным условиям. Действующие по такому принципу тепловые насосы обычно называют геотермическими, что по сути своей неверно, поскольку здесь не задействовано радиогенное тепло земли, содержащееся в глубинных скальных породах.
Геотермическими (скальными) источниками можно пользоваться в регионах, где подпочвенных вод мало или нет совсем. Тогда нужно пробурить колодцы глубиной от 100 до 200 м. В случае если требуется обеспечить высокую тепловую мощность, колодцы бурятся под определенным наклоном таким образом, чтобы добраться и упереться в большой скальный массив. Для таких тепловых насосов также применяется рассольная жидкость и пластмассовый сварной трубопровод, извлекающий тепло из скалы. В некоторых системах скальная порода используется для аккумулирования тепла или охлаждающей энергии. В силу высокой стоимости буровых работ скальные породы для обслуживания жилого сектора применяются довольно редко.
Пример использования теплонасосной системы для горячего водоснабжения жилого дома
В Москве, в микрорайоне Никулино-2 фактически впервые была построена теплонасосная система горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома. Этот проект был реализован в 1998–2002 годах Министерством обороны РФ совместно с Правительством Москвы, Минпромнауки России, Ассоциацией «НП АВОК» и ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» в рамках «Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве». Проект выполнен под научным руководством доктора технических наук, член-корреспондента РААСН Ю. А. Табунщикова.
Принципиальная схема теплонасосной системы горячего водоснабжения (ГВС) (показана возможность использования низкопотенциального тепла сточных вод)
Система сбора низкопотенциального тепла удаляемого воздуха.
1 – вентиляционные шахты;
2 – вытяжной вентилятор;
4 – циркуляционный насос;
5 – испаритель теплового насоса;
В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для испарителей тепловых насосов используется тепло грунта поверхностных слоев Земли, а также тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Такая система также допускает использование в качестве низкопотенциального источника тепловой энергии тепло сточных вод. Установка для подготовки горячего водоснабжения расположена в подвале здания. Она включает в себя следующие основные элементы:
— парокомпрессионные теплонасосные установки (ТНУ);
— баки-аккумуляторы горячей воды;
— системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха;
Основным теплообменным элементом системы сбора низкопотенциального тепла грунта являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального типа, расположенные снаружи по периметру здания. Эти теплообменники представляют собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 м каждая, устроенных вблизи дома.
Система сбора низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха предусматривает устройство в вытяжных вентиляционных камерах теплообменников-утилизаторов, гидравлически связанных с испарителями теплонасосных установок. В этом случае обеспечивается более глубокое охлаждение вытяжного воздуха и использование его тепла в тепловых насосах для получения горячей воды.
Система решена следующим образом. Из вентиляционных шахт (1) удаляемый воздух собирается в коллектор (6) и из него вытяжным вентилятором (2) прогоняется через теплообменник-утилизатор (3), охлаждается и выбрасывается в атмосферу. Теплообменник-утилизатор связан с испарителем теплового насоса (5) промежуточным контуром при помощи циркуляционного насоса (4). От конденсатора теплового насоса полезное тепло отводится в систему горячего водоснабжения.
Поскольку режим работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление горячей воды переменное, система горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами.
По материалам журналов «АВОК» и «RCI».
Научное редактирование выполнено инженером НИИСФ Н. В. Шилкиным.
