Оборудование

Услуги компании

Информация о компании

Презентации

Представляем в Украине

Разработка сайтов - ABC.NET.UA

Тепловой насос - энергетически эффективная составляющая систем кондиционирования воздуха

Создание климатических условий  / Системы отопления, проектирование, подбор оптимального оборудования и установка отопительных систем, монтаж и пуско-наладочные работы, диагностика, гарантийный ремонт и сервисное обслуживание  / Статьи по теме отопления  / Тепловой насос - энергетически эффективная составляющая систем кондиционирования воздуха назад

Принцип действия теплового насоса

Наряду с поисками и освоением традиционных источников (газ, нефть), перспективным направлением является использование энергии, накапливаемой в водоемах, грунте, геотермальных источниках, технологических выбросах (воздух, вода, стоки и др.). Однако температура этих источников довольно низкая (0-25°С) и для эффективного их использования необходимо осуществить перенос этой энергии на более высокий температурный уровень (50-100 °С). Реализуется такое преобразование тепловыми насосами (TH), которые, по сути, являются парокомпрессионными холодильными машинами (рис. 1).
Низкотемпературный источник (ИНТ) нагревает испаритель (3), в котором хладагент кипит при температуре -10°С…+5°С. Далее тепло, переданное хладагенту, переносится классическим парокомпрессионным циклом к конденсатору (4), откуда поступает к потребителю (ПВТ) на более высоком уровне.
Тепловые насосы используют в различных отраслях промышленности, жилом и общественном секторе. В настоящее время в мире эксплуатируется более 10 млн. тепловых насосов различной мощности: от десятков киловатт до мегаватт. Ежегодно парк ТН пополняется примерно на 1 млн. штук. Так, в Стокгольме тепловая насосная станция мощностью 320 МВт, используя зимой морскую воду с температурой +4 °С, обеспечивает теплом весь город [4]. В 2004 г. мощность тепловых насосов, установленных в Европе, составляла 4 531 МВт, а во всем мире тепловыми насосами была получена тепловая энергия эквивалентная 1,81 млрд. м3 природного газа. Перспективность применения тепловых насосов в Украине показана в [5].
Тепловые насосы подразделяют по принципу действия (компрессорные, абсорбционные) и по типу цепи передачи "источник-потребитель тепла". Различают следующие тепловые насосы: воздух-воздух, воздух-вода, вода-воздух, вода-вода, грунт-воздух, грунт-вода, где первым указывается источник тепла.

Тепловой насос с гидравлической обвязкой (водяными насосами, теплообменниками, запорной арматурой и др.) называют тепловой насосной установкой. Если среда, охлаждаемая в испарителе, такая же, как и среда, нагреваемая в конденсаторе (вода-вода, воздух-воздух), то путем изменения потоков этих сред можно изменить режим ТН на обратный (охлаждение на нагрев и наоборот). Если среды - газы, то такое изменение режима называют обратимым пневматическим циклом, если жидкости - обратимым гидравлическим циклом

Низкопотенциальные источники тепла

В системах кондиционирования широко используются тепловые насосы типа "воздух-воздух". Наружный воздух продувается через испаритель, а тепло, отводимое от конденсатора, нагревает воздух в помещении. Преимуществом таких систем является доступность воздуха. Однако температура воздуха (источника тепла) изменяется в большом диапазоне, достигая отрицательных значений. При этом эффективность теплового насоса сильно снижается. Так, изменение температуры наружного воздуха с 7°С до минус 10°С приводит к снижение производительности теплового насоса в 1,5-2 раза.
В тепловых насосах с водяными источниками тепла (реки, озера, моря) используется накопленная энергия солнца. Эта энергия является идеальным источником для тепловых насосов, так как она поступает непрерывно, хотя и является менее доступной, чем воздух. Температура воды в незамерзающих водоемах не опускается ниже 4°С, а артезианская вода имеет почти постоянную температуру 10°С. Учитывая, что при отборе тепла воду нельзя охлаждать ниже 0°С, перепад температуры на теплообменнике составляет несколько градусов. При этом для отбора необходимого количества тепла требуется увеличивать расход воды.
Контур отбора тепла из водоема может быть открытым или закрытым. В первом случае вода из водоема перекачивается через охладитель, охлаждается и возвращается в водоем. Такая система требует фильтрации подаваемой в охладитель воды и периодической чистки теплообменника. Закрытый контур укладывается на дно водоема. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода закрытого контура составляет порядка 30 Вт [2]. То есть для получения 10 кВт тепла контур должен иметь длину 300 м. Для того, чтобы контур не всплывал, на 1 погонный метр необходимо устанавливать груз около 5 кг.
Энергетически эффективны тепловые насосы, использующие геотермальные и подземные воды. В США федеральным законодательством утверждены требования по обязательному использованию геотермальных тепловых насосов (ГТН) при строительстве новых общественных зданий. В Швеции 50% всего отопления обеспечивается геотермальными тепловыми насосами. К 2020 г. по прогнозам Мирового энергетического комитета доля геотермальных тепловых насосов составит 75%. Срок службы ГТН составляет 25-50 лет.
В грунтовых ТН используется тепловая энергия, накопленная в грунте за счет нагрева ее солнцем или другими источниками. При горизонтальном исполнении трубопровод, в котором циркулирует жидкость, зарывается в землю на глубину ниже уровня промерзания почвы (1,0-1,5 м). Минимальное расстояние между трубами 0,8-1,0 м. Предпочтительным является влажный грунт. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода составляет 20-30 Вт. Таким образом, для получения 10 кВт тепла необходим земляной контур длиной 350-500 м, который можно разместить на участке земли площадью 400-500 м2.
При вертикальном исполнении грунтового ТН бурится скважина глубиной 60-200 м, в которую опускается U-образный трубопровод. Срок службы грунтового коллектора зависит от кислотности почвы: при нормальной кислотности (pH =5,0) - 50-75 лет, при повышенной (pH >5,0) - 25-30 лет.

Эффективность тепловых насосов

В качестве основного показателя эффективности теплового насоса применяется коэффициент преобразования или отопительный коэффициент СОР (coefficient of performance), равный отношению теплопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором. В режиме охлаждения для оценки эффективности применяется холодильный коэффициент EER (energy efficiency ratio), равный отношению холодопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором.

Температура определяется давлением конденсации хладагента в ТН, а - температурой ИНТ. Так, если принять = 281,16 К (8 °C) и = 323,16 К (50 °С), то COP будет равен 7,7. Если тепло отводится водой, то различные хладагенты позволяют достичь следующих температур [1]: R717, R502, R22 - около +50 °С, R134a - +70 °С, R142 - +100 °С. Когда в тепловых насосах одновременно используется тепло и холод (например, охлаждение холодильных камер и нагрев офисных помещений)

При указанных выше температурах суммарный коэффициент преобразования может достигать 12, 7, что характеризует высокую энергетическую эффективность теплового насоса. Реальные СОР несколько ниже и составляют порядка 3-5.
В абсорбционных тепловых насосах коэффициент преобразования ниже, чем в компрессионных из-за больших потерь в элементах абсорбционного контура. Так, при использовании грунтовых вод с T0 = 281,16 К (8°C) и температурой полезного тепла = 323,16 К (50°С), коэффициент преобразования абсорбционного ТН составит всего 1,45 [1]. Температура полезного тепла в абсорбционных тепловых насосах зависит также от температуры нагрева генератора. При указанных выше температурах нагрев генератора должна быть не меньше 150°С.
По данным www.aeroprof.by применение ТН в 1,2-1,5 раза выгоднее самой эффективной газовой котельной и в 6-7 раз выгоднее электрических котлов. Годовая экономия относительно обогрева электроэнергией при отопительной мощности 5 кВт составит 1200-1600 кВт·ч. Повысить эффективность тепловых насосов можно, используя аккумуляторы холода [6].
Эксплуатационные расходы на отопление жилого дома площадью 180 м2 (1700 часов в год) с помощью электрического котла составят около 2500 грн, а с помощью ТН - 400 грн.
Стоимость теплового насоса ориентировочно можно оценивать из расчета 750-1500 грн за 1 кВт вырабатываемой тепловой мощности. Срок окупаемости 7-14 лет.

Пример построения теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

Рассмотрим пример построения теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом, работающего круглогодично в двух режимах (охлаждение или нагрев) в зависимости от периода года с использованием оборудования компании CIAT (Франция).

Исходные требования:
1. Теплопроизводительность 510 кВт.
2. Низкотемпературный источник - морская вода с температурой:

  • теплый период года ?20°С,
  • холодный период года 7°С.

3. Высокотемпературный потребитель - вода с температурой на выходе теплообменника 55°С.
4. Минимальная температура наружного воздуха - минус 10°С (Крым, Украина).

Данную задачу решим, используя тепловой насос с обратимым гидравлическим циклом, схема которого приведена на рис. 2.
Учитывая, что температура наружного воздуха отрицательная (минус 10°С) и для исключения использования специального теплообменного оборудования (конденсатор, испаритель) в водоохладителе, применяем двухконтурную систему. В первичном контуре применяем раствор этиленгликоля с температурой замерзания ниже -10°С (20-процентная смесь этиленгликоля с водой).
В соответствии с исходными требованиями выберем перепад температур на выходном высокотемпературном контуре Dtвых = 5 °С (50/55 °С). Тогда температуры теплоносителя в контуре конденсатора должны быть соответственно 55/60 °С. Для получения таких температур в тепловом насосе целесообразно использовать хладагент R134a [1].
В соответствии с исходными требованиями зададим перепад температур ИНТ 7/4 °С, тогда в контуре испарителя перепад температур соответственно составит 5/2 °С.
Используя программу подбора оборудования фирмы CIAT, определим тип и параметры теплового насоса в режимах работы на нагрев и охлаждение. Программа рекомендовала водоохлаждающую машину HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a с параметрами, приведенными в табл. 1, внешний вид которой показан в табл. 5.

Таблица 1. Технические характеристики водоохлаждающей машины HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a

ПараметрРежим нагреваРежим охлаждения
Производительность испарителя, кВт
326,0
395,9
Теплоноситель
MEG20%
MEG20%
Температура теплоносителя в испарителе
(вход/выход), °С
5,0/2,0
6,0/2,0
Расход теплоносителя через испаритель, м3/ч
102,8
93,4
Производительность конденсатора, кВт
517,0
553,9
Температура теплоносителя в конденсаторе
55/60
45,1/50
Расход теплоносителя через конденсатор, м3/ч
93,4
102,1
Потребляемая мощность, кВт
191
158,0

Далее подбираем пластинчатый высокотемпературный теплообменник "тепловой насос - потребитель" по следующим исходным данным (режим нагрева):
1. Температура воды (выход-вход): 55/50°С.
2. Температура 20-процентного раствора этиленгликоля в первичном контуре (выход-вход): 60/55 °С.
3. Расход 20-процентного раствора этиленгликоля: 93,4 м3/ч (см. табл. 1).
Программа CIAT выбрала пластинчатый теплообменник PWB 30 11 c 43 пластинами производительностью 517 кВт (табл. 2).

Таблица 2. Технические характеристики теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами (тепловой насос - потребитель) в режиме нагрева

Параметр Вода MEG20%
Температура теплоносителя (вход/выход), °С
50/55
60/65
Расход теплоносителя, м3/ч
90,4
93,5
Материал теплообменных пластин
нержавеющая сталь
нержавеющая сталь
Тип пластин
8H+13J
8H+13J

Низкотемпературный теплообменник "морская вода - тепловой насос" в режиме нагрева подбираем по следующим исходным данным:
1. Источник низкопотенциальной теплоты (первичный контур): морская вода с температурой вход/выход - 7/4 °С.
2. Температура 20-процентного раствора этиленгликоля в первичном контуре 5/2 °С.
3. Расход 20-процентного раствора этиленгликоля 102,8 м3/ч.
Программа CIAT выбрала пластинчатый теплообменник PWB 45 11 c 63 пластинами производительностью 340 кВт (табл. 3).

Таблица 3. Технические характеристики теплообменника PWB 45 11 c 63 пластинами (море - тепловой насос)

Параметр MEG20%Вода
Температура теплоносителя (вход/выход), °С
2/5

7/4

Расход теплоносителя, м3/ч
103,0
100
Материал теплообменных пластин
титан
титан
Тип пластин
10H+22J
10H+22J

Выполним проверочный расчет рассчитанного ранее теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами для теплого периода года и определим температуры воды на выходе/входе потребителю.
Программа CIAT показала, что в летний период производительность теплообменника PWB 30 11 составит 437 кВт и температуры холодоносителя составят (выход/вход) 7,5/12С. (табл. 4)

Таблица 4. Технические характеристики теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами (тепловой насос - потребитель) в режиме охлаждения

Параметр MEG20%Вода
Температура теплоносителя (вход/выход), °С
2/6,2
12/7,85
Расход теплоносителя, м3/ч
93,4
90,4
Материал теплообменных пластин
нержавеющая сталь
нержавеющая сталь
Тип пластин
8H+13J
8H+13J

Таким образом, подобранный тепловой насос HYDROCIAT 2500 XLW/LWP R134a обеспечивает:
в холодный период года теплопроизводительность 517 кВт при потребляемой мощности 191 кВт;
в теплый период года холодопроизводительность 395,9 кВт при потребляемой мощности 158 кВт.
Ниже представлена рассчитанная выше принципиальная схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом.
 

Принципиальная схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

Номенклатура некоторых тепловых насосов компании CIAT приведена в таблице 5.

Таблица 5. Тепловые насосы фирмы CIAT (Франция)

Типводоохладителя
(теплового насоса)
Производительность, кВтОбласть применения
по холоду
по теплу
индивидуальные дома
многоквартирные здания
общественные
зданиая
AUREA 2
7…28
9…36
+
DYNACIAT
LG/LGP/ILG
35…350
40…370
HYDROCIAT
LW/LWP
275…1140
350…1420
+
+

Вывод
1. Тепловые насосы, использующие возобновляемые источники тепла, являются самым энергетически эффективным отопительным оборудованием.
2. Системы, построенные на базе ТН, надежные, безопасные и долговечные.
3. Получение тепла посредством теплового насоса - экологически чистый технологический процесс.
4. Современное климатическое оборудование (например, CIAT, Франция) позволяет создать ТН с производительностью от десятков кВт до МВт.

Статья взята с  ООО "Основа"

 
  распечатать   вверх  
 
ТОЦ «Диамант» Украина 08130 Киев, Большая Окружная дорога, Петропавловская Борщаговка,
ул. Петропавловская, 14-Е. тел/факс.: (+38044) 450-77-13, 450-77-31.

Все авторские права защищены. Копирование материалов сайта возможно только с письменного согласия
ООО "Инновационная Группа" © 2010
Яндекс.Метрика