Принципиальная схема теплонасосной установки компрессорного типа. Тепловой насос своими руками — принцип устройства

Отопление дома тепловым насосом избавит вас от энергетического рабства. Выбрав эту систему обогрева, вы навсегда распрощаетесь и с непредсказуемыми коммунальщиками, и с прожорливыми газовщиками. То есть температурный режим в жилище будете определять именно вы. И никто другой.

Согласитесь: только этот факт делает тепловой насос для отопления дома очень выгодным приобретением. Да, он стоит недешево. Но со временем все затраты окупятся, а плата за «коммуналку» или газ для автономного котла только возрастет. А ведь тепловой насос можно сделать и своими руками!

И в данной статье мы познакомим вас с основными типами тепловых насосов. Надеемся, то эта информация поможет вам выбрать (или построить) оптимальную энергетическую установку для обогрева вашего жилища.

Во-первых, такие насосы очень экономичны и эффективны. Вы «вкладываете» 0,2-0,3 КВт электроэнергии, расходуемой на питание компрессора, и получаете 1 КВт тепловой энергии. То есть, без учета энергии воздуха, воды или грунта, КПД теплового насоса равен фантастическим 300-500 процентам.

Во-вторых, такие насосы эксплуатируют, по сути, бесплатный и вечный источник энергии – сам воздух, воду или грунт. Причем этот «источник» распространен повсеместно. То есть, отопление загородного дома тепловым насосом можно реализовать где угодно – хоть на экваторе, хоть за полярным кругом. Правда, чтобы подобраться к такому «источнику» нужно задействовать энергоемкий компрессор. Но за счет нереально высокого КПД все расходы энергии окупаются в пятикратном размере!

В-третьих, тепловой насос всегда индивидуален. То есть вы не платите за избыток энергии. Ваше оборудование будет настроено под конкретные пожелания и условия эксплуатации.

Поэтому отзывы о тепловых насосах для отопления дома бывают либо одобрительными, либо самыми восторженными.

Кроме того, насос не только греет. В теплое время года он может работать и как кондиционер, охлаждая жилище с той же эффективностью.

Согласитесь: все вышеупомянутые достоинства теплового насоса выглядят несколько фантастично. Особенно КПД на уровне 300-500 процентов. Однако, все достоинства тепловых агрегатов – это не вымысел, а угрожающая энергетическим компаниям реальность.

Секрет подобной эффективности кроется в оригинальном принципе работы насоса, который, в кратком изложении, заключается в следующем: циркулирующая по трубам среда отбирает тепло у источника с низким потенциалом (воздух, грунт, скальные породы, вода) и сбрасывает его в выбранной потребителем точке.

То есть, перед нами «вывернутый» холодильник: отбирающий тепло у потенциальных источников с помощью испарителя и отдающий энергию потребителю посредством конденсатора.

Причем и тепловой насос, и холодильник функционируют на хладагенте – веществе с очень низкой температурой кипения, которое перекачивается по трубам с помощью особого компрессора.

Подробная схема работы

В итоге, при более детальном рассмотрении схема работы тепловых агрегатов выглядит следующим образом:

• На глубине 5-6 метров в грунте монтируют циклический трубопровод с теплоносителем, в который встроен особый радиатор – испаритель. Причем эта глубина выбрана не случайно – на такой отметке температура держится выше нуля в любое время года.
• К испарителю подводят второй трубопровод с залитым хладагентом. Под высоким давлением хладагент вскипает даже при одном градусе Цельсия. Причем процесс испарения, как известно из школьного курса физики, сопровождается поглощением энергии, отбираемой у циркулирующего в грунте теплоносителя.
• Пары хладагента выкачиваются из трубопровода компрессором, который не только транспортирует эту среду по арматуре, но и генерирует еще большее давление, провоцирующее дополнительный разогрев хладагента.
• Далее перегретые пары хладагента закачиваются (тем же компрессором) в конденсатор, где происходит трансформация агрегатного состояния вещества (пар превращается в жидкость). А все те же основы термодинамики утверждают, что при конденсации газообразной среды происходит выделение энергии.
• Выделенное тепло, генерируемое в конденсаторе, поглощает уже третий трубопровод – система теплоснабжения жилища. То есть конденсатор выступает в роли газового или электрического котла. Ну а вернувшийся в жидкое состояние хладагент возвращается к испарителю, проходя сквозь регулирующий дроссель.

Тепловые насосы для отопления дома: типовые разновидности

Самый удобный способ классификации тепловых насосов предполагает разделение подобных агрегатов по типу среды, в которой проложен первичный контур, питающий теплом испаритель.

И согласно этому способу классификации тепловые насосы делятся на следующие разновидности:

• Геотермальные агрегаты (земля-вода).
• Гидротермальные насосы (вода-вода).
• Аэротермальные установки (воздух-вода).

Причем все виды тепловых насосов эксплуатируют общий принцип работы, но среда «обитания» первичного контура накладывает свой отпечаток и на функционирование, и на обустройство агрегата. Поэтому далее по тексту мы рассмотрим нюансы обустройства каждой разновидности тепловых насосов.

Установка «земля-вода»

Тепловой насос «земля-вода»

Первичный контур геотермального насоса заглубляют в грунт до отметки 5-6 метров. Причем такой монтаж практикуют при обустройстве систем с горизонтальным теплообменником. А в случае монтажа вертикального первичного контура практикуется и 150-метровое заглубление, в особую скважину.

При этом минимальный объем работ характерен именно для вертикального размещения первичного контура. Поскольку при горизонтальном размещении необходимо распределить трубы теплообменника по слишком большой площади (50 квадратный метров на каждую 1000 Ватт энергетической отдачи теплового насоса).

Ну а в качестве теплоносителя геотермальный тепловой насос использует совершенно безвредный соляной раствор, незамерзающий даже при отрицательных температурах.

Насос «вода-вода»

Первичный контур гидротермального насоса можно инсталлировать в естественный или искусственный водоем, обычный или сточный колодец, реку или рукотворный канал.

Тепловой насос «вода-вода»

Причем испаритель и труба с теплоносителем погружаются в воду, как минимум, на 1,5-2 метра. Ведь поверхностные слои могут замерзнуть, повредив и функциональность, и целостность элементов теплового насоса.

Словом, для геотермального насоса придется подобрать «правильный» водоем. А вот сама инсталляция первичного контура происходит достаточно просто – полимерную трубу с тем же соляным раствором «топят» на нужной глубине, используя особы грузила.

И такой способ размещения первичного контура превращает обустройство насосной станции «вода-вода» в чрезвычайно простую и нетрудоемкую операцию. Поэтому, если поблизости есть подходящий водоем, то лучшим вариантом теплового насоса будет именно гидротермальный агрегат.

Агрегат «воздух вода»

По сути, это тот же кондиционер, правда, много больших размеров. Первичный контур с испарителем размещается «на воздухе», за пределами жилища, в специальном корпусе.

Причем для обеспечения работоспособности насоса в зимнее время этот корпус очень часто объединяют с вытяжным каналом вентиляционной системы жилища.

Словом, основное достоинство данной системы – простота монтажа, а вот эффективность работы насосов «воздух-вода» весьма сомнительна. Ну а в наших широтах они попросту не могут конкурировать с геотермальными или гидротермальными установками.

Тепловой насос своими руками: возможно ли это?

Разумеется, да! Вот только эффективность такой системы будет практически не прогнозируема. Ведь «заводские» агрегаты – это не только три компрессора и такое же количество трубопроводов, по которым циркулирует теплоноситель и хладагент. Сердцем такого теплового насоса является блок управления, координирующий работу первого, второго и третьего контуров всей системы. И создать такой управляющий блок «своими силами» практически невозможно.

Ну а техническая часть насоса реализуется очень просто:

• Вместо компрессора можно использовать блок кондиционера.
• Первичный контур собирают из полиэтиленовых труб и заполняют концентрированным раствором поваренной соли.
• Испаритель – это металлический бак из нержавейки (его можно извлечь из старой стиральной машины), в который спускают соляной раствор, отдающий тепло медному змеевику вторичного контура, вмонтированному во внутреннюю часть этого бака.
• Конденсатор – это точно такой же бак, только из пластика, внутри которого монтируется точно такой же медный змеевик. Причем компрессор качает хладагент между нижним и верхним змеевиками.
• Ну а третий контур – система отопления – подключается к полимерному конденсатору.

Как видите: все очень просто. Вот только эффективность такой системы может быть и чрезмерной, и явно недостаточной.

Одним из самых популярных видов оборудования на рынке климатической техники России и СНГ являются тепловые насосы. Их предпочитают использовать многие покупатели, желающие создать эффективную систему охлаждения и обогрева своих домов и офисов, однако очень немногие хорошо себе представляют принципы работы этой техники и зачастую даже не осведомлены, в каких ситуациях ее лучше использовать. А тем временем основных вопросов, касающихся работы теплонасосных установок, несколько, и разобраться в них будет несложно даже новичкам.

Что такое тепловые насосы?

К этой категории оборудования относится техника, которая способна утилизировать тепло, получаемое из окружающей среды, при помощи компрессора увеличивать до заданного уровня температуру теплоносителя и затем передавать тепло в определенное помещение. При этом тепловые насосы могут извлекать тепло из любых носителей, буквально «выкачивая» его из окружающей среды. Таким образом насосы способны работать с:

• холодным, морозным воздухом,
• холодной водой,
• землей.

Понижая температуру теплоносителя, такое климатическое оборудование может эффективно обогревать любые здания.

Технические характеристики работы насоса

В целом, теплонасосная установка в отличие от других видов климатического оборудования затрачивает минимальное количество электроэнергии в процессе своей работы . В среднем ей нужно потратить только 1 кВт энергии, и этого будет достаточно для производства 3-6 кВт тепла. Другими словами, используя мощность 2-3 обычных лампочек, зимой можно эффективно обогреть жилое помещение средних размеров . Летом эта же мощность может расходоваться на то, чтобы помещение охладить: в этом случае тепловой насос будет поглощать теплоту из воздуха, находящегося в комнате, и выводить его в атмосферу, в землю или в воду, создавая прохладу в любой комнате.

Какими бывают тепловые насосы?

В продаже широко представлено оборудование, которое можно использовать в различных сферах , включая:

• жилые помещения,
• сельскохозяйственные предприятия,
• промышленные предприятия,
• жилищно-коммунальное хозяйство.

Разумеется, теплонасосные установки для разных помещений имеют разные характеристики и могут даже различаться габаритами. При этом насосы имеют различную тепловую мощность (от нескольких кВт и до сотен мегаВт), а также могут работать с разными источниками тепла, независимо от их агрегатных состояний (твердыми, жидкими или газообразными). Учитывая особенности работы такого оборудования, теплонасосные установки делятся на такие типы:

• вода-вода,
• воздух-вода,
• вода-воздух,
• воздух-воздух,
• грунт-вода,
• грунт-воздух.

Также на рынке представлены тепловые насосы, которые специально разработаны для работы с низкопотенциальным теплом . Источники такого тепла могут иметь даже отрицательную температуру, а тепловой насос в этом случае служит приемником высокопотенциального тепла, принимающего даже очень высокую температуру (более 1 тыс. градусов). В целом, по тому, с какой температурой установка работает, она подразделяется на:

• низкотемпературную,
• среднетемпературную,
• высокотемпературную.

Еще один параметр, по которому различают теплонасосные установки, связан с их техническим устройством. По этому показателю оборудование делится на такие типы, как:

• абсорбционный,
• парокомпрессионный.

Как правило, все тепловые насосы, независимо от их разновидности, работают с электрической энергией, однако в определенных случаях их можно переключить и на другие виды энергии, используя разнообразное топливо. По специфике этого топлива и работы самого оборудования теплонасосные установки подразделяются на такие разновидности:

• прибор для отопления, использующий тепло от грунтовых вод,
• насос для горячего водоснабжения, работающий с теплом, получаемым из естественных водоемов,
• установка-кондиционер, работающая на морской воде,
• установка-кондиционер, использующая наружный воздух,
• насос для нагрева воды в плавательных бассейнах, работающая на наружном воздухе,
• теплонасосная установка для системы теплоснабжения, утилизирующая тепло, выделяемое инженерно-техническим оборудованием,
• прибор, работающий на молоке - он служит для охлаждения молока и последующего горячего водоснабжения и используется на молочных фермах,
• установка для утилизации тепла, получаемого в результате технологических процессов, - служит для подогрева приточного воздуха.

Также встречаются и другие виды такого оборудования. При этом, как правило, тепловые насосы любого типа выпускаются серийно, однако отдельные уникальные установки могут изготавливаться по эксклюзивным проектам. Также можно найти экспериментальные тепловые насосы, множество еще не претворенных в жизнь чертежей и опытно-промышленные образцы такой техники, которые тоже могут быть использованы в каком-либо специальном помещении.

Все теплонасосные установки можно объединять в единую систему. Это необходимо, если на одном объекте работает несколько единиц такого оборудования, производящих как тепло, так и холод. Объединение их воедино только увеличит их эффективность, и на средних или крупных объектах рекомендуют сразу планировать создание подобного комплексного оборудования.

Что такое кольцевые системы кондиционирования?

Такая система комплектуется на основе тепловых насосов разных типов, хотя обычно для этих целей используется установка типа воздух-воздух. Тепловой насос в этом случае служит, как кондиционер: он устанавливается непосредственно в охлаждаемом помещении, а мощность такой техники подбирается в соответствии с рядом параметров. Среди них:

• характеристики самой комнаты,
• назначение помещения,
• количество людей, которые в нем находятся,
• оборудование, которое в нем установлено или будет устанавливаться.

Установки, предназначенные для кондиционирования воздуха, всегда являются реверсивными - они одновременно и охлаждают, и выделяют тепло. Связывает их общий водяной контур - трубопровод, по которому циркулирует вода, являясь как источником, так и приемником тепла. В итоге температура внутри контура может колебаться в пределах 18-32 градусов, и именно через него между тепловыми насосами, нагревающими воздух, и между оборудованием, охлаждающим его, происходит обмен теплом. Если в разных помещениях нужно создать климат с разными характеристиками, тепловые насосы просто переносят тепло из комнат, которые имеют его избыток, в помещения, где тепла не хватает. Это позволяет создать кольцевой обмен теплом между различными зонами, и такая система является очень эффективной и экономичной.

При этом кольцевые системы могут иметь в своем составе не только кондиционирующее оборудование, но и другие установки. В частности, такие приборы могут утилизировать бросовое тепло. Это требуется там, где имеются довольно большие потребности в тепле, например:

• на объектах, где имеется интенсивный поток сточных вод : теплонасосная установка типа вода-вода сможет легко утилизировать тепло, исходящее от него, и направить его при помощи кольцевого контура на обогрев помещений;
• на объектах с вытяжной вентиляцией, удаляющей воздух из здания (при условии, что в воздухе не будет слишком большого количества примесей, которые затруднили бы работу теплового насоса): в этом случае понадобится установка типа воздух-вода, которая будет утилизировать тепло из «ненужного» воздуха и передавать его для обогрева помещения или нагрева воды,
• на объектах, где есть и сточные воды, и вытяжная вентиляция - на них кольцевые системы можно использовать для удаления лишнего тепла из водяного контура (обычно это делается только в теплое время года), что снизит мощность градирни.

В любой ситуации кольцевая система позволяет использовать тепло многократно и отправлять его на нужды абсолютно всех потребителей, находящих в здании, и именно в этом заключается ее уникальность, ведь традиционные рекуператоры и регенераторы на такое не способны . Более того, такая система более эффективно утилизирует тепло, поскольку ее работа никак не зависит от температуры воздуха, который забирается приточной вентиляцией, и от заданной температуры воздуха, который поступает в помещения.

Летом кольцевая система, работающая на основе теплонасосной установки типа вода-вода, способна эффективно удалять излишки тепла из водяного контура, утилизируя их через потребителей: избыточное тепло подается в систему горячего водоснабжения, и его обычно достаточно для того, чтобы удовлетворить все потребности обитателей любого помещения в горячей воде . Особенно эффективной такая система будет на объектах с несколькими плавательными бассейнами (дома отдыха, отели, оздоровительные центры) - с ее помощью нагревать воду в бассейнах можно будет очень быстро и без лишних затрат.

Сочетается ли кольцевая система с другими системами оборудования?

Безусловно, да, и прежде всего она должна быть согласована с системой вентиляции. Последнюю, в частности, нужно разрабатывать с учетом всех характеристик теплонасосного оборудования, которое будет кондиционировать воздух. В частности, вентиляционной системе необходимо обязательно обеспечить рециркуляцию воздуха в объемах, необходимых для стабильной работы насоса, эффективной утилизации тепла и поддержания в помещении заданной температуры. Этому правилу нужно следовать на всех объектах, за исключением некоторых, в которых рециркуляция нежелательна - например, в плавательных бассейнах или на кухнях.

При этом плюсом согласования кольцевой системы с системой вентиляции является то, что последняя в этом случае может быть построена по более простой схеме , которая обойдется потребителю дешевле. При этом тепловой насос будет охлаждать воздух непосредственно там, где это понадобится. Это избавит потребителя от необходимости транспортировать его по длинным теплоизолированным воздуховодам и будет выгодно отличать такую систему от распространенного ныне централизованного кондиционирования.

Кроме того, кольцевые системы могут координироваться с отопительными, а иногда даже полностью брать на себя их функции. В таких ситуациях система отопления, построенная на базе теплового насоса, становится менее мощной и более простой с точки зрения своего оборудования. Это делает ее особенно эффективной в холодном климате, где для отопления требуется больше тепла, получаемого из высокопотенциальных источников. Более того, кольцевая система способна серьезно оптимизировать работу всего оборудования в помещении . Работающие отдельно системы кондиционирования и отопления могут друг другу серьезно мешать, особенно тогда, когда не требуется и та, и другая. Кольцевая же система полностью исключает такую ситуацию, поскольку она всегда эффективно работает, основываясь на фактическом состоянии микроклимата, созданного в каждом конкретном помещении. При этом на предприятии такое оборудование может охлаждать и нагревать не только воздух, но еще и воду, и этот процесс не потребует лишних затрат энергии - он будет включен в баланс всего теплоснабжения в целом.

И, конечно же, в любой из этих ситуаций кольцевая система продемонстрирует великолепную экономичность. В традиционных системах тепло используется лишь частично и быстро уходит в атмосферу, если отопление работает параллельно с вентиляцией, однако кольцевая решает эту проблему комплексно, делая утилизацию тепла более эффективной и существенно сокращая его потери.

Как управлять теплонасосными системами?

Как правило, это оборудование не требует установки дорогостоящих средств автоматизированного управления, и это является еще одной «статьей» для экономии на нем . Удобная автоматизация здесь предельно проста и сводится только лишь к поддержанию заданной температуры воды, находящейся в контуре. Для этого система просто вовремя включает дополнительный нагреватель, чтобы вода не охладилась более, чем положено, или же задействует градирню, чтобы она не нагрелась сильнее, чем нужно. И этого обычно бывает достаточно для поддержания идеального климата.

Реализовать автоматическое управление в этой ситуации можно при помощи всего нескольких термостатов. Более того, для этого не понадобится даже точной регулирующей арматуры! Температура воды в контуре кольцевой системы может меняться в широком диапазоне, не требуя никаких дополнительных средств для этого.

Кроме того, отдельная система автоматики регулирует и процесс передачи тепла тепловым насосом к потребителю. Она встраивается в само оборудование, и одним из основных элементов системы можно считать термостат (датчик температуры), который устанавливается непосредственно в помещении. Его одного бывает достаточно, чтобы полноценно управлять работой теплонасосной установки. При этом сам насос способен обеспечить все необходимые характеристики температуры воздуха в помещении без установки в системе вентиляции регулирующих заслонок, а в системе отопления - регулирующей арматуры. Это позволяет еще сильнее уменьшить стоимость кольцевой системы и увеличить надежность всех инженерных коммуникаций здания в целом.

Вообще сложная система автоматизированного управления может понадобиться только на крупных объектах, где установлено множество тепловых насосов различных типов, предназначенных для кондиционирования воздуха, обеспечения технологических процессов и утилизации тепла. И в таких ситуациях монтаж этой системы имеет смысл, ведь она позволяет оптимизировать работу каждой единицы оборудования. Однако монтируя ее, следует учитывать, что на эксплуатацию кольцевой системы влияет целый ряд факторов, с которыми должна «считаться» даже автоматика. Среди них :

• температура воды, находящейся в контуре , - она влияет на коэффициент преобразования тепла (соотношение количества тепла, выдаваемого потребителю, к количеству энергии, потребляемой тепловым насосом);
• температура воздуха снаружи помещения ;
• параметры работы градирни - она может затрачивать разное количество энергии для одного и того же количества тепла, и это зависит от внешних условий, включая температуру воздух, наличие ветра и другие факторы;
• количество тепловых насосов, которые работают в системе, а также их суммарная мощность (соотношение мощности оборудования, забирающего тепло из водяного контура и мощности установок, отдающих его в контур).

Существуют ли успешные примеры использования кольцевых систем?

Таких примеров достаточно много, однако «хрестоматийными» можно считать следующие два.

Первый - реконструкция общеобразовательной школы № 2 в г. Усть-Лабинске. В этом здании были соблюдены все строжайшие санитарные требования, чтобы добиться максимального комфорта для детей, которые будут учиться в этом заведении . В соответствии с этими требованиями там была установлена особая климатическая система, которая способна посезонно контролировать температуру, влажность и приток свежего воздуха. При этом инженеры сделали все возможное, чтобы в каждом классе был индивидуальный контроль за микроклиматом, и справиться с обеспечением такого контроля могла только кольцевая система. Она позволила:

• существенно снизить затраты на отопление всего здания,
• решить проблему холодной воды в теплоцентрали, расположенной на школьном участке.

Система была собрана более чем из 50 тепловых насосов марки Climatemaster (США) и одной градирни . Дополнительное тепло она получает из теплоцентрали, а управляет ею автоматика, которая самостоятельно поддерживает комфортные условия для обучения детей и при этом работает максимально экономично. Именно благодаря ей эксплуатация кольцевой системы даже в самое суровое зимнее время позволила снизить ежемесячные затраты на отопление до 9,8 тыс. рублей: до модернизации системы каждый месяц школа тратила 18 тыс. 440 рублей на обогрев 2,5 тыс. кв. м. И это при том, что после модернизации дополнительно увеличилась отапливаемая площадь школы, которая составила 3 тыс. кв. м.

Второй проект был реализован в коттеджных поселках Подмосковья. Проблемы строительства таких поселков часто были обусловлены тем, что инфраструктура на этих территориях не позволяла строить новые дома, поскольку ни водопроводы, ни электрические сети, ни трансформаторные подстанции попросту не справлялись с выросшими нагрузками . При этом на старых подстанциях постоянно случались перебои с подачей энергии, обрывы старых проводов, различные аварии, поэтому в поселках, расположенных на таких территориях, нужно было сразу заботиться об автономном энергоснабжении.

Соответственно, инженерам нужно было создать проект, который позволял бы обеспечивать двухэтажный коттедж, имеющий несколько комнат электричеством и теплом. Стандартная площадь такого дома составила 200 кв. м, а подведены к нему были только электричество и артезианская вода, других коммуникаций не было.

Первый шаг инженеры сделали в направлении энергоэффективности - в коттедже были установлены солнечные батареи, а за домом были установлены фотоэлектрические модули, также работающие от энергии солнца и имеющие мощность в 3,5 кВт. Этой мощности было достаточно для подпитки аккумуляторных батарей, которые впоследствии питали сам дом и его систему отопления. Соответственно, электроэнергия для семьи, проживающей в таком коттедже, была бесплатной, а это значит, что из семейного бюджета расходы на нее можно было вычеркнуть. В итоге затраты на установку батарей должны окупиться менее, чем за 10 лет, и после этого никаких средств выделять будет не нужно.

Для отопления же коттеджа использовалась геотермальная теплонасосная установка, основанная на насосе типа вода-вода. Он был предназначен не только для обогрева помещений при помощи радиаторных батарей, но и для производства горячей воды. Контур, который поставляет к насосу низкопотенциальное тепло, - то есть обычную полиэтиленовую трубу длиной 800 м и диаметром 32 мм, - проложили на самом участке (на глубине 2 метра). На установку такой системы (электроснабжение + отопление) было затрачено 40 тыс. долларов, и, учитывая, что в будущем хозяину не придется тратиться на оплату коммунальных услуг, поставляемых централизовано, он от этого только выиграл.

Где можно применять кольцевые системы?

В целом, все примеры демонстрируют, что подобные теплонасосные установки могут быть смонтированы на самых разных объектах. Среди основных можно выделить:

• административные здания,
• медицинские и оздоровительные учреждения,
• общественные здания,
• учреждения образования,
• дома отдыха и отели,
• спортивные комплексы,
• промышленные предприятия,
• развлекательные учреждения.

При этом в любом варианте гибкая кольцевая система может быть легко подстроена под нужды конкретного помещения и смонтирована в величайшем многообразии вариантов.

Чтобы установить ее, инженерам понадобится учесть ряд нюансов:

• потребности в холоде и тепле на конкретном объекте,
• количество людей, которые находятся внутри помещений,
• возможные источники тепла в здании,
• возможные приемники тепла,
• особенности теплопотерь и теплопритоков.

После этого самые лучшие источники тепла будут использованы в самой системе, а общая мощность тепловых насосов при этом должна быть настроена так, чтобы не быть избыточной.

В целом же, идеальным вариантом для любого объекта специалисты считают установку теплонасосного оборудования, которые используют окружающую среду и в качестве источника тепла, и в качестве его приемника. При этом всю систему следует сбалансировать по теплу, независимо от мощностей источников и приемников тепла - они могут быть разными, ведь их соотношение изменяется, когда меняются условия работы системы. Однако они должны быть согласованы друг с другом.

Если эти параметры учтены верно, кольцевая система будет эффективно работать и на обогрев, и на охлаждение, утилизируя все «лишнее» тепло. А использование одной такой системы вместо нескольких позволит не только создать идеальный климат в помещении, но и будет очень эффективным и выгодным и с точки зрения капитальных, и с точки зрения эксплуатационных затрат.

Тепловой насос – это целая отопительная система, способная обогреть частный дом не хуже традиционного, привычного нам отопления. Понятно, что для того чтобы насос запустить в работу, сначала нужно его правильно установить.

Все теплонасосы, в зависимости от того, от какого природного источника они забирают тепло, делятся на три основных вида: грунт-вода, вода-вода, воздух-вода.

Монтаж каждого из этих видов имеет свои нюансы и особенности. – достаточно сложная конструкция и его установка это процесс трудоемкий, к которому нужно подойти с большой ответственностью. В статье мы рассмотрим, на что нужно обратить внимание при монтаже различных видов тепловых насосов.

Правила монтажа теплонасоса типа грунт–вода

Схема работы насоса системы «грунт-вода» (нажмите для увеличения)

Грунт является источником тепла. Углубившись на 5 метров в землю, можно заметить, что температура там остается практически одной и той же целый год (в большинстве регионов России – 8-10°C).

Благодаря этому отопление будет высокоэффективным. Работает система следующим образом: грунтовый теплообменник, находящийся в земле, собирает энергию, которая аккумулирует в теплоносителе, после чего перемещается в теплонасос и возвращается обратно .

Схема работы насоса системы «вода-вода» (нажмите для увеличения)

Часть энергии, излучаемой солнцем, остается под водой, особенно в толще воды. На дно водоема или в грунт дна укладывают специальные трубы, отягощенные грузом.

Большая температура теплоносителя в зимний период обеспечивает большую эффективность и теплопередачу. Но, увы, не подходит для установки в частных домах.

Более или менее для небольших домов подойдет вариант со скважиной. Специальный насос откачивает воду из скважины в испаритель, после чего вода сливается в другую скважину, расположенную ниже по течению и углубленную в подземный слой на 15 метров.

Совет специалиста: перед тем, как пользоваться системой вода-вода, необходимо исключить попадание мусора в испаритель и защитить его от ржавчины, а также установить фильтр. Если вода богата солями, то требуется установка промежуточного теплообменника с циркуляцией в нем чистой воды или антифриза.

Однако если вода из скважины плохо отводится, возможно маленькое наводнение и затопление насоса.

Правила монтажа теплонасоса типа воздух–вода

Схема работы насоса системы «воздух-вода» (нажмите для увеличения)

Менее популярен, чем грунт–вода из-за того, что в зимний период из воздуха невозможно отобрать достаточное количество тепла. -20°C – предел работы теплового насоса, после чего в работу вступает дополнительный тепловой генератор.

Основные схемы установки:

1. Моноблочные конструкции монтируются в помещении, все оборудование собрано в одном корпусе. Гибкий воздуховод соединяет механизм с улицей. Также изготавливают и внешние моноблоки.
2. Технология сплит включает в себя два блока, соединенных друг с другом.

Один расположен на улице, другой – в здании. В первом установлен вентилятор с испарителем, а во втором – автоматика и конденсатор. Компрессор разрешается ставить как в доме, так и на улице.

Возьмите на заметку: выбирая воздушные тепловые насосы, учтите, что при похолодании мощность теряется почти вдвое.

В новых тепловых насосах данного типа внедрили функцию, позволяющую собирать тепло из помещения, вентиляционных выбросов и дымовых газов. Благодаря этому существует возможность отапливать помещение и греть проточную воду.

Покупая тепловой насос, нужно ориентироваться на конкретные потребности своего дома.

В идеале нужно знать теплопотери дома и климат, в котором расположено жилище. Эти данные важны для того, чтобы правильно выбрать мощность теплонасоса, и его модель.

Но нужно помнить и то, что подобрав теплонасос, нужно так же верно выбрать все составляющие отопительной системы, в которой теплонасос будет функционировать.

Невозможно найти универсальный теплонасос, так как каждая система отопления уникальна.
И все же, все отопительные системы с этим устройством имеют общие критерии, которые влияют на схему подключения теплонасоса:

• наличие дополнительного источника тепла (отопительный котел, солнечная батарея, печь);
• наличие водяных контуров (теплый пол, фанкойлы, радиаторы);
• необходимость горячего водоснабжения;
• наличие кондиционера;
• наличие системы вентиляции;
• тип теплонасоса.

Если учесть эти нюансы и ваши индивидуальные потребности, то вы сможете сделать правильный выбор и стать обладателем надежной, долговечной и экономичной системы отопления.

Смотрите видео, в котором показан весь процесс монтажа теплового насоса:

Использование: в установках для отопления и охлаждения помещений с постоянно действующей вентиляцией. Сущность изобретения теплонасосная установка содержит теплообменник 1, испаритель 4, инжектор-абсорбер 6, напорно-разделительный бачок 9 и жидкостной насос 7. Испаритель 4 и инжектор-абсорбер 6 соединены по меньшей мере одним капилляром 5. Испаритель 4 выполнен из трех полостей и заполнен пористым телом 16. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к теплонасосным установкам, базирующимся на абсорбционных агрегатах, в частности к установкам для отопления и охлаждения помещений с постоянно действующей вентиляцией. В основу работы всех тепловых насосов заложены термодинамическое состояние и параметры, определяющие это состояние: температура, давление, удельный объем, энтальпия и энтропия. Работа всех тепловых насосов заключается в том, что тепло изотермически подводится при низкой температуре и изометрически отводится при высокой температуре. Сжатие и расширение производится при постоянной энтропии, а работа производится от внешнего двигателя. Тепловой насос можно охарактеризовать как умножитель тепла, использующий низкопотенциальное тепло различных тепловыделяющих сред, таких как окружающий воздух, грунт, грунтовые и сточные воды и т.п. В настоящее время известно множество различных тепловых насосов с различными рабочими телами. Такое разнообразие вызвано существующими ограничениями использования того или иного вида теплового насоса, которые накладываются не только техническими проблемами, но также законами природы. Наиболее распространенными являются насосы с механической компрессией пара, затем насосы с абсорбционным циклом и двойным циклом Ренкина. Насосы с механической компрессией не находят широкого использования в виду необходимости наличия сухого пара, что вызвано особенностями механики большинства компрессоров. Попадание жидкости вместе с паром на вход компрессора может повредить его клапаны, а поступление большого количества жидкости в компрессор может вообще вывести его из строя. Наиболее широко используются насосы абсорбционного типа. Процесс работы абсорбционных установок основан на последовательном осуществлении термохимических реакций поглощения рабочего агента абсорбентом, а затем освобождения (десорбции) абсорбента от рабочего агента. Как правило, рабочим агентом в абсорбционных установках служит вода либо иные растворы, способные поглощаться абсорбентом, в качестве абсорбентов могут быть использованы соединения и растворы, легко поглощающие рабочее тело: аммиак (NH 3), серный ангидрит (SO 2), двуокись углерода (CO 2), едкий натр (NaOH), едкий калий (KOH), хлористый кальций (CACl 2) и т.д. Известна, например, теплонасосная установка (авт. св. СССР N 1270499, кл. F 25 B 15/02, 29/00, 1986), содержащая абсорбционный холодильный агрегат с контуром хладагента, конденсатор, переохлодитель, испаритель, дефлегматор и регенеративный теплообменник, а также контур отопительной воды, проходящей через конденсатор, линию вентиляционного воздуха, проходящую последовательно через абсорбер и переохладитель, контур отопительной воды выполнен замкнутым и в него дополнительно включен дефлегматор. Установка дополнительно содержит двухполостной теплообменник -переохладитель, который одной полостью включен в контур хладагента между переохладителем и испарителем, а другой- в линию вентиляционного воздуха перед абсорбером. Описанная установка громоздка и металлоемка, так как имеет узлы и системы, работающие при повышенном давлении. Кроме того, достижения высоких энергетических показателей в известной установке используют в качестве теплоносителя аммиак и его водные растворы, которые являются ядовитыми и коррозионно агрессивными. Наиболее эффективны теплонасосные установки абсорбционно-инжекторного типа. Известна тепловая установка (авт. св. СССР N 87623, кл. F 25 B 15/04, 1949), включающая генератор аммиачного пара (испаритель), заполненного высококонцентрированным водоаммиачным раствором, с расположенным внутри него змеевиком из стальных труб, в который подается пар низкого давления, служащий для испарения аммиака, абсорберы высокого давления (инжекторы), насосы, трубчатую систему тепла, генератор высокого пара, подогреватель конденсата пара низкого давления, охладитель, служащий одновременно подогревателем. Описанная установка позволяет повысить давление пара при высоком значении термического коэффициента полезного действия за счет того, что абсорбер установки имеет инжекторы, служащие для повышения давления, полученного в генераторе аммиачного пара, с помощью подаваемого насосом из генератора обедненного раствора. Однако в описанной установке используют агрессивные среды, что требует использования специальных материалов высокой коррозионной стойкости. Это значительно удорожает установку. Целью изобретения является создание упрощенной, экологически безвредной, экономичной установки, имеющей высокие энергетические характеристики. Эта задача решается тем, что теплонасосная установка, содержащая теплообменник, испаритель, инжектор-абсорбер, жидкостной насос, напорно-разделительный бачок, испаритель и инжектор-абсорбер, которые согласно изобретению, соединены между собой по меньшей мере одним капилляром, а испаритель выполнен трехполостным, одна полость которого соединена с теплообменником линией вентиляционного воздуха, другая заполнена теплоносителем, разделенные полостью вакуума, подключенной к инжектору-абсорберу, причем испаритель содержит пористое тело, размещенное одновременно во всех указанных полостях. Исполнение в установке связи между испарителем и инжектором-абсорбером в виде термодинамически прерывной системы, соединенной по меньшей мере одним капилляром, позволяет вести процесс получения тепла в области, далекой от термодинамического равновесия, что значительно интенсифицирует тепломассообмен в рассматриваемой системе. Можно соединить испаритель и инжектор-абсорбер несколькими капиллярами. Это усилит эффект тепломассообмена в рассматриваемой системе. Исполнение испарителя с тремя независимыми, разделенными полостями и с пористым телом, размещенным одновременно во всех трех полостях, позволяет образовывать развитую поверхность массообмена между теплоносителем и воздухом (примерно 100-10000 см 2 в 1 см 3), за счет чего внутри пористого тела происходит интенсивное испарение теплоносителя и насыщение им воздуха, сопровождающееся большим поглощением тепла, поступающего из тепловыделяющей среды. Целесообразно, чтобы капилляр имел диаметр, равный длине свободного пробега молекул теплоносителя в паровой фазе при остаточном давлении, создаваемым инжектором-абсорбером, и температуре, равной температуре жидкого теплоносителя, и длину, равную 10-10 5 диаметров капилляра. Это обеспечивает интенсивный массоперенос теплоносителя в направлении только от испарителя к инжектору-абсорберу. Пористое тело целесообразно выполнить из пор двух видов, поверхность одних из которых смачивается, а других не смачивается теплоносителем. В этом случае пористое тело проницаемо одновременно для жидкости и воздуха и позволит образовывать более развитую поверхность массообмена между теплоносителем и воздухом внутри пористого тела. Это значительно интенсифицирует процесс испарения. Скорость испарения в испарителе описанной выше конструкции с пористым телом достигает величины, приближенной к скорости испарения в абсолютном вакууме. Целесообразно к испарителю подвести по меньшей мере одну тепловую трубу, один конец которой разместить в пористом теле, а другой в тепловыделяющей среде, например в грунте. Это позволит интенсифицировать теплообмен между испарителем и тепловыделяющей средой. Патрубок отвода газо-паровой смеси напорно-разделительного бачка можно соединить с теплообменником, который является одновременно в описанной установке и конденсатором. Это обеспечит подогрев, а следовательно, и понижение влажности вентиляционного воздуха, засасываемого в испаритель из окружающей среды, тем самым интенсифицируя процесс испарения теплоносителя в испарителе. Напорно-разделительный бачок целесообразно соединить с теплообменником, который является одновременно в описанной установке и конденсатором. Это обеспечит подогрев, а следовательно, и понижение влажности вентиляционного воздуха, засасываемого в испаритель из окружающей среды, тем самым интенсифицируя процесс испарителя теплоносителя в испарителе. Полость испарителя, заполненную теплоносителем, можно соединить с теплообменником линией конденсата теплоносителя. Это позволит избежать потерь теплоносителя с парогазовой смесью, отделенной в напорно-разделительном бачке, и обеспечит постоянное восполнение теплоносителя в испарителе. На фиг.1 изображена схема предлагаемой теплонососной установки; на фиг.2 испаритель с размещенным в нем пористым телом и тепловой трубой. Заявляемая теплонасосная установка содержит теплообменник 1 (фиг.1) с патрубками 2, 3 соответственно подачи вентиляционного воздуха и воздушно-паровой смеси, испаритель 4, соединенный с теплообменником 1 газожидкостной линией 5, представляющей собой две раздельные трубы, и с инжектором-абсорбером с капилляром 7, подключенным к всасывающей линии инжектора-абсорбера. Капилляр должен иметь диаметр, равный длине свободного пробега молекул теплоносителя в паровой фазе при остаточном давлении, созданном в инжекторе-абсорбере 6, и температуре, равной температуре жидкого теплоносителя. Длина капиллярной линии должна иметь 10-10 5 диаметра капилляра. Инжектор-абсорбер 6 установлен на напорной линии жидкостного насоса 8 и соединен с напорно-разделительным бачком 9, заполненным на 2/3 его объема жидким теплоносителем. Напорно-разделительный бачок соединен линией 10 с теплообменником 1 через патрубок 3 и линией 2, предназначенной для отвода жидкого теплоносителя, с нагревательными приборами 12, которые подключены к всасывающей линии жидкостного насоса 7. Испаритель 4 выполнен из трех независимых полостей 13, 14 и 15 (фиг.2). Полость 13 соединена с трубой подачи воздуха из теплообменника. Полость 15 заполнена жидким теплоносителем и соединена с трубой подачи конденсата теплоносителя из теплообменника 1, являющегося и конденсатором пара теплоносителя. Это позволяет избежать потерь теплоносителя с газо-паровой смесью, которая отделяется от жидкого теплоносителя в напорно-разделительном бачке 9. Полость 14 соединена посредством капиллярной линии 7 с всасывающей линией инжектора-абсорбера 6, внутри испарителя 4 размещено пористое тело 16, выполненное в виде толстостенного цилиндра, содержащего два вида пор - поверхность одного вида пор хорошо смачивается теплоносителем, поверхность другого вида пор не смачивается теплоносителем, но является проницаемой для воздуха. Материал для пористого тела подбирают в зависимости от теплоносителя, которым может быть любая неагрессивная жидкость с температурой кипения при давлении 1 атм не выше 150 o C, например вода, спирты, эфиры, углеводороды и их смеси, состоящие из двух, трех и более компонентов, взаимно растворимых. Теплоноситель выбирают в зависимости от того, какое помещение требуется обогревать установкой, от климатических условий и других факторов. Пористое тело 16 размещено внутри испарителя таким образом, что его поверхности соприкасаются со всеми тремя указанными полостями. К испарителю 4 подведена тепловая труба 17, один конец которой размещен в пористом теле 16, а другой в тепловыделяющей среде, например грунте. Тепловых труб может быть несколько, что усилит подвод тепла из теплосодержащей среды к испарителю и усилит тем самым процесс испарения теплоносителя. Теплонасосная установка работает следующим образом. Воздух из атмосферы через патрубок 3 подачи воздуха за счет разрежения, созданного инжектором-абсорбером в испарителе 4, засасывает в теплообменник 1 и посредством газожидкостной линии 5 по трубе воздуха поступает в камеру 13 испарителя 4. Внутри пористого тела 16 происходит интенсивное испарение теплоносителя и насыщение его парами воздуха. При этом поглощается тепло тепловыделяющей среды, например грунта, которое подводится в испаритель посредством тепловых труб 17. Скорость испарения теплоносителя внутри пористого тела достигает величины, сравнимой со скоростью испарения в абсолютном вакууме 0,3 г/см 3 c, что соответствует тепловому потоку 0,75 Вт/см 2 пористого тела. Воздух, насыщенный парами теплоносителя, по капилляру 7 засасывается в инжектор-абсорбер 6, сюда же жидкостным насосом 8 из нагревательных приборов 12 под напором подается теплоноситель и смешивается с паро-воздушной смесью, образуя эмульсию, представляющую собой пузырьки воздуха и теплоносителя. При этом происходит поглощение парообразной влаги жидкостью с выделением тепла, эквивалентного поглощенному в испарителе теплу. Выделенное тепло расходуется на нагрев теплоносителя. Образованная в инжекторе-абсорбере 6 эмульсия поступает в напорно-разделительный бачок 9, где происходит разделение ее на воздухо-паровую смесь и жидкий теплоноситель. Из напорно-разделительного бачка 9 нагретый теплоноситель поступает самотеком в нагревательные приборы 12 и вновь на всасывающую линию жидкостного насоса 8, завершая таким образом цикл жидкого теплоносителя. Воздухо-паровая смесь из напорно-разделительного бачка 9 по линии 10 за счет небольшого избыточного давления, созданного в напорно-разделительном бачке 9, поступает в теплообменник 1 через патрубок 3. В теплообменнике 1 происходит нагрев засасываемого атмосферного воздуха и конденсация паров теплоносителя, которые раздельно поступают в испаритель 4. Таким образом, заявляемая теплонасосная установка отличается высокими энергетическими характеристиками, без использования агрессивных, экологически вредных теплоносителей, что делает ее безопасной в эксплуатации. В качестве теплоносителя может использоваться вода. Для обогрева помещений, зданий в суровых климатических условиях испаритель можно заполнять легкокипящим теплоносителем для более интенсивного испарения, а по отопительной системе можно пропускать воду. Для обогрева, например, гаражей, когда не требуется даже в зимнее время постоянного его обогрева, целесообразно использовать в качестве теплоносителя спирты или растворы, имеющие низкую температуру замерзания, что предотвратит размерзание системы во время отключения установки. Использование неагрессивных нагревательных теплоносителей исключает необходимость применения специальных материалов и сплавов при изготовлении установки. Часть узлов установки, такие как напорно-разделительный бачок, соединительные трубопроводы можно выполнять из пластмасс, резины и других неметаллических материалов, что позволит значительно снизить металлоемкость. Установка технически проста в исполнении и эксплуатации, не требует больших энергозатрат. Тепловыделяющий узел компактен и может быть размещен на небольшой площади и может быть использована как для отопления больших помещений, зданий, так и небольших построек, а также гаражей, а при работе в холодильном цикле для охлаждения подвалов в летнее время. Возможность широкого выбора вида теплоносителя позволяет использование установки в любых климатических условиях. Все это определяет дешевизну установки, безопасность ее эксплуатации и доступность для большого числа потребителей.

Формула изобретения

1. Теплонасосная установка, содержащая теплообменник, испаритель, инжектор-абсорбер, жидкостной насос, напорно-разделительный бачок, отличающаяся тем, что установка снабжена линией вентиляционного воздуха, по меньшей мере одним капилляром и пористым телом, а испаритель выполнен трехполостным, одна полость которого соединена с теплообменником линией вентиляционного воздуха, другая заполнена теплоносителем и третья вакуумированная полость подключена к инжектору -абсорберу, при этом пористое тело размещено во всех трех полостях, а испаритель и инжектор-абсорбер соединены между собой по меньшей мере одним капилляром. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что капилляр имеет диаметр, равный длине свободного пробега молекул теплоносителя в паровой фазе при остаточном давлении, созданном в инжекторе-абсорбере, и температуре, равной температуре окружающей среды, а длина капилляра равна 10 10 5 его диаметра. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что пористое тело образовано порами двух видов, поверхность одних из которых смачивается, а других не смачивается теплоносителем. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что к испарителю подведена по меньшей мере одна тепловая труба, один конец которой размещен в пористом теле, а другой в тепловыделяющей среде. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что напорно-разделительный бачок соединен с теплообменником. 6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что снабжена линией конденсата теплоносителя, с помощью которой полость испарителя, заполненная теплоносителем, связана с теплообменником.

Д.т.н. В.Е. Беляев, главный конструктор ОМКБ Горизонт,
д.т.н. А.С. Косой, заместитель главного конструктора промышленных ГТУ,
главный конструктор проектов,
к.т.н. Ю.Н. Соколов, начальник сектора тепловых насосов ОМКБ Горизонт,
ФГУП «ММПП «Салют», г. Москва

Использование теплонасосных установок (ТНУ) для энергетики, промышленности и предприятий ЖКХ является одним из наиболее перспективных направлений энергосберегающих и экологически чистых энерготехнологий.

Достаточно серьезный анализ состояния и перспектив развития работ в указанной области был сделан на заседании подсекции «Теплофикация и централизованное теплоснабжение» НТС ОАО РАО «ЕЭС России» 15.09.2004 г. .

Необходимость создания и внедрения ТНУ нового поколения связана с:

♦ огромным отставанием Российской Федерации и стран СНГ в области практического внедрения ТНУ, всевозрастающими потребностями крупных городов, удаленных населенных пунктов, промышленности и предприятий ЖКХ в разработке и использовании дешевой и экологически чистой тепловой энергии (ТЭ);

♦ наличием мощных источников низкопотенциального тепла (грунтовые воды, реки и озера, тепловые выбросы предприятий, зданий и сооружений);

♦ всевозрастающими ограничениями в использовании для теплогенерирующих установок природного газа (ПГ);

♦ возможностями использования прогрессивных конверсионных технологий, накопленных в авиадвигателестроении.

В условиях рыночных отношений важнейшими технико-экономическими показателями эффективности энергогенерирующих установок являются себестоимость и рентабельность производимой энергии (с учетом экологических требований) и, как следствие, - минимизация сроков окупаемости энергоустановок.

Основными критериями выполнения этих требований являются:

♦ достижение максимально возможного в энергоустановке коэффициента использования топлива (КИТ) (отношение полезной энергии к энергии топлива);

♦ предельно возможное снижение капитальных затрат и сроков сооружения энергоустановки.

Вышеназванные критерии были учтены при реализации ТНУ нового поколения.

Впервые для практической реализации крупномасштабных ТНУ в качестве рабочего тела предложено использовать водяной пар (R718). Сама идея использования водяного пара для ТНУ не нова (более того, она была использована В. Томсоном при демонстрации работоспособности первой такой реальной машины еще в 1852 г. - прим. авт.). Однако, из-за весьма значительных удельных объемов водяного пара при низких температурах (по сравнению с традиционными хладонами), создание реального компрессора на водяном паре для использования в парокомпрессионных ТНУ до сих пор осуществлено не было.

Основными преимуществами использования водяного пара в качестве рабочего тела для ТНУ по сравнению с традиционными хладонами (фреоны, бутан, пропан, аммиак и др.) являются:

1. Экологическая чистота, безопасность и простота технологического обслуживания, доступность и низкая стоимость рабочего тела;

2. Высокие теплофизические свойства, благодаря которым наиболее дорогие элементы ТНУ (конденсатор и испаритель) становятся компактными и дешевыми;

3. Существенно более высокие температуры теплоносителя к потребителю (до 100 ОС и выше) по сравнению с 70-80 ОС для фреонов;

4. Возможность реализации каскадной схемы повышения температуры от низкопотенциального источника к теплопотребителю (по циклу Лоренца ) с увеличением коэффициента преобразования в ТНУ (kТНУ) по сравнению с традиционными в 1,5-2 раза;

5. Возможность генерирования в ТНУ химически очищенной воды (дистиллята);

6. Возможность использования компрессора и конденсатора ТНУ для:

♦ отсоса водяного пара с выхода теплофикационных турбин с передачей бросового тепла теплопотребителю, приводящего дополнительно к повышению вакуума на выходе из турбины, увеличению ее генерируемой мощности, снижению расхода циркуляционной воды, затрат на ее перекачку и тепловых выбросов в атмосферу ;

♦ отсоса низкопотенциального водяного пара (бросового) из энерготехнологических устано-

вок химического производства, сушильных и др. с передачей бросовой теплоты к теплопотреби-телю;

♦ создания высокоэффективных эжектирую-щих устройств для конденсаторов паровых турбин, отсоса многокомпонентных смесей и т.д.

Принципиальная схема работы ТНУ на водяном паре и ее конструктивные особенности

На рис. 1 показана принципиальная схема работы ТНУ при использовании в качестве рабочего тела водяного пара (R718).

Особенностью предлагаемой схемы является возможность организации отбора теплоты низкотемпературного источника в испарителе за счет непосредственного испарения части подаваемой в него воды (без теплообменных поверхностей), а также возможность передачи теплоты в теплосеть в конденсаторе ТНУ как при наличии теплообменных поверхностей, так и без них (смесительного типа). Выбор типа конструкции определяется привязкой ТНУ к конкретному источнику низкопотенциального источника и требованиями теплопотребителя по использованию поступающего к нему теплоносителя.

Для практической реализации крупномасштабной ТНУ на водяном паре предложено использовать серийно выпускаемый авиационный осевой компрессор АЛ-21, имеющий следующие важные особенности при его использовании для работы на водяном паре:

♦ большую объемную производительность (до 210 тыс. м3/ч) при числе оборотов ротора компрессора около 8 тыс. об/мин;

♦ наличие 10 регулируемых ступеней, позволяющих обеспечить эффективную работу компрессора в различных режимах;

♦ возможность осуществления впрыска воды в компрессор для улучшения эффективности работы, в том числе снижения потребляемой мощности .

Кроме того, для повышения надежности работы и снижения эксплуатационных затрат было принято решение заменить подшипники качения на подшипники скольжения, использовав при этом вместо традиционной масляной системы систему смазки и охлаждения на воде.

Для изучения газодинамических характеристик компрессора при работе на водяном паре в широком диапазоне определяющих параметров, отработки элементов конструкции и демонстрации надежности работы компрессора в условиях натурных испытаний, был создал на полигон-электростанции ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго» крупномасштабный испытательный стенд (замкнутого типа, диаметр трубопроводов 800 мм, длина около 50 м ).

В результате проведения испытаний были получены следующие важные результаты:

♦ подтверждена возможность эффективной и устойчивой работы компрессора на водяном паре при n=8000-8800 об/мин с объемным расходом водяного пара до 210 тыс. м3/ч.

♦ продемонстрирована возможность достижения глубокого вакуума на входе в компрессор (0,008 ата);

♦ экспериментально полученный коэффициент сжатия в компрессоре πκ=5 в 1,5 раза превысил требуемое значение для ТНУ с коэффициентом преобразования 7-8;

♦ отработана надежная конструкция подшипников скольжения компрессора на воде.

В зависимости от условий эксплуатации ТНУ предлагается 2 типа ее компоновки : вертикальная (ТНУ в одном агрегате) и горизонтальная.

Для ряда модификаций предлагаемой вертикальной компоновки ТНУ возможна замена трубчатого конденсатора на конденсатор оросительного типа. В этом случае конденсат рабочего тела ТНУ смешивается с теплоносителем (водой) к потребителю. Стоимость ТНУ при этом снижается примерно на 20%.

В качестве привода компрессора ТНУ может быть использован:

♦ встроенный турбопривод мощностью до 2 МВт (для ТНУ производительностью до 15 МВт);

♦ выносные высокооборотные турбоприводы (для ТНУ производительностью до 30 МВт);

♦ газотурбинные двигатели с утилизацией ТЭ с выхода;

♦ электропривод.

В табл. 1 приведены характеристики ТНУ на водяном паре (R718) и фреоне 142.

При использовании в качестве низкопотенциального источника теплоты с температурой 5-25 ОС по технико-экономическим соображениям в качестве рабочего тела ТНУ выбран фреон 142.

Сопоставительный анализ показывает, что для ТНУ на водяном паре капитальные затраты в между водяным теплоносителем и рабочим телом (фреоном).

диапазоне температур низкопотенциального источника:

♦ 25-40 ОС - в 1,3-2 раза ниже, чем для традиционных отечественных ТНУ на фреоне и в 2-3 раза ниже, чем для зарубежных ТНУ;

♦ 40-55 ОС - в 2-2,5 раза ниже, чем для традиционных отечественных ТНУ на фреоне и в 2,5-4 раза ниже, чем для зарубежных ТНУ.

Таблица 1. Характеристики ТНУ на водяном паре и фреоне.

*- при работе на фреоне испаритель и конденсатор ТНУ выполняются с теплообменными поверхностями

**-Т- турбопривод; Г- газотурбинный (газопоршневой); Э - электропривод.

В работе в условиях реальной эксплуатации ТНУ на ТЭЦ была продемонстрирована возможность эффективной передачи в теплосеть сбросной теплоты из паровой турбины с коэффициентом преобразования ТНУ равным 5-6. В предложенной в и показанной на рис. 2 схеме коэффициент преобразования ТНУ будет существенно выше за счет исключения испарителя ТНУ и, соответственно, отсутствия температурного перепада между низкотемпературным источником и рабочим паром на входе в компрессор.

В настоящее время создание высокоэффективных и экологически чистых теплогенерирующих энергоустановок на базе ТНУ является крайне актуальной задачей .

В описаны результаты внедрения ТНУ различного типа для нужд теплоснабжения, промышленных предприятий и ЖКХ.

В на основе реальных испытаний ТНУ на ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго» предложены 2 конкретные схемы передачи сбросной теплоты в градирни с помощью ТНУ в теплосеть (прямая передача в обратную тепломагистраль и для нагрева подпиточной сетевой воды).

В проанализированы пути создания высокоэффективных компрессионных ТНУ на водяном паре при использовании в качестве низкопотенциального источника теплоты в диапазоне температур от 30 до 65 ОС с газотурбинным приводом компрессора и утилизацией теплоты уходящих газов из ГТУ. Результаты технико-экономического анализа показали, что в зависимости от условий, себестоимость генерируемой теплоты ТНУ может в несколько раз быть ниже (а КИТ в несколько раз выше), чем при традиционной выработке теплоты на ТЭЦ.

В проведен анализ эффективности использования тепловых насосов в централизованных системах горячего водоснабжения (ГВС). Показано, что эта эффективность существенно зависит от действующих тарифов на энергоносители и температуры используемой низкопотенциальной теплоты, поэтому к проблеме использования ТНУ необходимо подходить взвешенно, с учетом всех конкретных условий.

ТНУ в качестве альтернативного источника ГВС потребителей централизованного теплоснабжения в отопительный период

В настоящей работе, на основе накопленного опыта, анализируется возможность и технико-экономические показатели более углубленного по сравнению с использования ТНУ для ГВС, в частности, практически 100% вытеснения теплоты от традиционных ТЭЦ на эти цели в отопительный период.

Для примера рассмотрена возможность реализации такого подхода для наиболее крупного Московского региона РФ при использовании в качестве бросовой теплоты двух источников:

♦ теплоты естественных природных водных источников: Москва-реки, озер, водоемов и других со средней температурой около 10 ОС;

♦ сбросной теплоты канализационных стоков и других источников;

♦ сбросной теплоты в градирни (с выхода паровых турбин ТЭЦ в отопительный период в режиме вентиляционного пропуска с температурой пара на выходе 30-35 ОС). Суммарная величина этой теплоты составляет около 2,5 тыс. МВт.

В настоящее время на нужды ГВС Московского региона расходуется около 5 тыс. МВт ТЭ (примерно 0,5 кВт на 1 чел.). Основное количество теплоты для ГВС поступает от ТЭЦ по системе централизованного теплоснабжения и осуществляется на ЦТП московской городской теплосети. Нагрев воды на ГВС (от ~10 ОС до 60 ОС) осуществляется, как правило, в 2-х последовательно включенных теплообменниках 7 и 8 (рис. 3) сначала от теплоты сетевой воды в обратной тепломагистрали и затем от теплоты сетевой воды в прямой тепломагистрали. При этом на нужды ГВС расходуется ~650-680 т у.т./ч ПГ.

Реализация схемы расширенного (комплексного) использования вышеуказанных источников бросовой теплоты для ГВС с помощью системы двух ТНУ (на фреоне и водяном паре, рис. 4) позволяет в отопительный период практически 100% скомпенсировать около 5 тыс. МВт теплоты (соответственно, сэкономить огромное количество ПГ, уменьшить тепловые и вредные выбросы в атмосферу).

Естественно, при наличии действующих ТЭЦ в неотопительный период времени с помощью ТНУ передавать теплоту нецелесообразно, поскольку ТЭЦ из-за отсутствия тепловой нагрузки вынуждены переходить в конденсационный режим работы со сбросом в градирни большого количества теплоты сожженного топлива (до 50%).

Теплонасосная установка ТНУ-1 с рабочим телом на фреоне (R142) может обеспечить нагрев воды от ~10 ОС на входе в испаритель 10 до ~35 ОС на выходе из него, используя в качестве низкотемпературного природного источника воду с температурой около 10 ОС с kТНУ около 5,5. При использовании в качестве низкотемпературного источника сбросной воды промышленных предприятий или ЖКХ ее температура может значительно превышать 10 ОС. В этом случае kТНУ будет еще выше.

Таким образом, ТНУ-1 может с большой эффективностью обеспечить 50% нагрев воды для ГВС суммарной величиной передаваемой теплоты до 2,5 тыс. МВт и выше. Масштабы внедрения таких ТНУ достаточно велики. При средней единичной тепловой мощности ТНУ-1 около 10 МВт только для Московского региона потребовалось бы около 250 таких ТНУ.

При kТНУ=5,5 на привод компрессоров ТНУ необходимо затратить около 450 МВт электрической или механической мощности (при приводе, например, от ГТУ). Теплонасосные установки ТНУ-1 должны устанавливаться вблизи от тепло-потребителя (на ЦТП городской теплосети).

Теплонасосные установки ТНУ-2 устанавливаются на ТЭЦ (рис. 4) и используют в отопительный период в качестве низкотемпературного источника пар с выхода теплофикационных турбин (вентиляционный пропуск части низкого давления (ЧНД)). При этом, как уже отмечалось выше, пар с температурой 30-35 ОС поступает непосредственно в компрессор 13 (рис. 2, испаритель ТНУ отсутствует) и после его сжатия подается в конденсатор 14 теплонасосной установки ТНУ-2 на нагрев воды из обратной сетевой магистрали.

Конструктивно пар может отбираться, например, через предохранительный (сбросной) клапан ЧНД паровой турбины 1. Компрессор 13, создавая существенно более низкое давление на выходе из ЧНД турбины 1 (чем при отсутствии ТНУ-2), соответственно, снижает температуру конденсации (насыщения) пара и «отключает» конденсатор турбины 3.

На рис. 4 схематично показан случай, когда бросовая теплота передается конденсатором 14 в обратную тепломагистраль до ПСВ 4. В этом случае даже при передаче всей бросовой теплоты с выхода ЧНД турбины в обратную тепломагистраль температура перед ПСВ увеличится всего на ~5 ОС, незначительно повысив при этом давление греющего пара из отбора турбины на ПСВ 4.

Более эффективно передать сначала часть сбросной теплоты на нагрев подпиточной сетевой воды (вместо ее традиционного нагрева отборным паром из турбины), а затем уже остаток сбросной теплоты отдать в обратную тепломагистраль (на рис. 4 этот вариант не показан).

Важным результатом предлагаемого подхода является возможность вытеснения с помощью дополнительно установленных на ТЭЦ ТНУ-2 в отопительный период применительно к Московскому региону до 2,5 тыс. МВтТЭ (передаваемых пиковыми водогрейными котлами). При единичной мощности ТНУ-2 на водяном паре равной ~6-7 МВт для передачи такого количества теплоты потребовалось бы 350-400 таких установок.

Учитывая весьма низкий уровень температурного перепада в ТНУ (~15 ОС между низкотемпературным источником и температурой обратной сетевой воды), коэффициент преобразования ТНУ-2 будет еще более высоким (kТНУ ~6,8), чем для ТНУ-1. При этом для передачи в теплосеть ~2,5 тыс. МВтТЭ необходимо суммарно затратить около 370 МВт электрической (или механической) энергии.

Таким образом, суммарно с помощью ТНУ-1 и ТНУ-2 в отопительный период на нужды ГВС Московского региона можно передать до 5 тыс. МВт ТЭ. В табл. 2 дана технико-экономическая оценка такого предложения.

В качестве привода ТНУ-1 и ТНУ-2 может быть использован газотурбинный привод с N=1 -5 МВт и КПД 40-42% (за счет регенерации теплоты уходящих газов). При затруднениях, связанных с установкой на ЦТП городской теплосети ГТУ (дополнительный подвод ПГ и др.), в качестве привода для ТНУ-1 может использоваться электропривод.

Технико-экономические оценки сделаны для тарифов на топливо и ТЭ на начало 2005 г. Важным результатом анализа является существенно более низкая себестоимость генерируемой ТЭ с помощью ТНУ (для ТНУ-1 - 193 руб./Гкал и ТНУ-2 - 168 руб./Гкал) по сравнению с традиционным способом ее генерирования на ТЭЦ ОАО «Мосэнерго».

Известно, что в настоящее время себестоимость ТЭ, рассчитанная по так называемому «физическому способу разделения топлива на производство электроэнергии и тепла», значительно превышает 400 руб./Гкал (тариф на ТЭ). При таком подходе производство тепла даже на самых современных ТЭЦ является нерентабельным, и эта убыточность компенсируется увеличением тарифов на электроэнергию.

На наш взгляд, такая методика разделения затрат топлива некорректна, но до сих пор используется, например, в ОАО «Мосэнерго».

По нашему мнению, приведенные в табл. 2 сроки окупаемости ТНУ (от 4,1 до 4,7 лет) не являются большими. При расчете принято 5 тыс. часов работы ТНУ в году. В действительности, в летний период времени эти установки могут работать по примеру передовых западных стран в режиме централизованного холодоснабжения, существенно улучшая при этом среднегодовые технико-экономические показатели работы.

Из табл. 2 видно, что КИТ для указанных ТНУ варьируется в диапазоне от~2,6 до~3,1, что более чем в 3 раза превышает его значение для традиционных ТЭЦ. С учетом пропорционального снижения тепловых и вредных выбросов в атмосферу, затрат на перекачку и потери циркуляционной воды в системе: конденсатор турбины - градирня, повышения вакуума на выходе ЧНД турбин (при работе ТНУ-2) и, соответственно, генерируемой мощности, технико-экономические преимущества указанного предложения будут еще более значительными.

Таблица 2. Технико-экономическое обоснование использования ТНУ на водяном паре и фреоне.

* - дополнительная теплота при утилизации тепла уходящих газов из газотурбинных приводных установок может быть использована для вытеснения части теплоты от ТЭЦ на централизованное теплоснабжение.

С учетом неизбежного роста цен на энергоносители при вступлении России в ВТО, ограничений на использование ПГ для энергетики и потребностей широкого внедрения высокоэффективных энергосберегающих и экологически чистых энерготехнологий технико-экономические преимущества внедрения ТНУ будут неизменно расти.

Литература

1. Новое поколение тепловых насосов для целей теплоснабжения и эффективность их использования в условиях рыночной экономики // Материалы заседания подсекции Теплофикации и централизованного теплоснабжения НТС ОАО РАО «ЕЭС России», Москва, 15 сентября 2004 г.

2. АндрюшенкоА.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. - М.: Высш. школа, 1985 г.

3. Беляев В.Е., Косой А.С., Соколов Ю.Н. Способ получения тепловой энергии. Патент РФ № 2224118 от 05.07.2002г., ФГУП«ММПП«Салют».

4. Середа С.О., Гельмедов Ф.Ш., Сачкова Н.Г. Расчетные оценки изменения характеристик многоступенчатого

компрессора под влиянием испарения воды в его проточной части, ММПП «Салют»-ЦИАМ// Теплоэнергетика. 2004. №11.

5. Елисеев Ю.С., Беляев В.В., Косой А.С., Соколов Ю.Н. Проблемы создания высокоэффективной парокомпрес-сионной установки нового поколения. Препринт ФГУП «ММПП «Салют», май 2005.

6. ДевянинД.Н., Пищиков С.И., Соколов Ю.Н. Разработка и испытание на ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго» лабораторного стенда по апробации схем использования ТНУ в энергетике // «Новости теплоснабжения». 2000. № 1. С. 33-36.

7. Проценко В. П. О новой концепции теплоснабжения РАО «ЕЭС России» // Энерго-пресс, № 11-12, 1999.

8. Фролов В.П., Щербаков С.Н., Фролов М.В., Шелгин-ский А.Я. Анализ эффективности использования тепловых насосов в централизованных системах горячего водоснабжения // «Энергосбережение». 2004. №2.