Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии. Том 4. Монтаж и сервис тепловых насосов

Юрий Степанович Почанин, 2020

В книге "Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии", том 4. Монтаж и сервис тепловых насосов" рассмотрены основные элементы оборудования тепловых насосов типа грунт-вода, вода-вода, воздух-вода, воздух-воздух для отопления и для горячего водоснабжения дома, производственных помещений. Предложены оптимальные схемы подключения оборудования тепловых насосов. Рассмотрен монтаж и сервис тепловых насосов. Книга может представлять интерес для школьников, студентов и специалистов, занимающихся установкой и сервисом тепловых насосов.

ПОЧАНИН Ю.С.

МОНТАЖ И СЕРВИС ОБОРУДОВАНИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Том 4. Монтаж и сервис тепловых насосов

Введение

В земле находится огромное количество тепла. Данное тепло исходит из двух источников: внутреннего и внешнего. Внешний источник тепла питается за счет тепловой энергии солнца и дождя: на практике влияние этого источника ощущается в грунте на глубине до 15 м. Внутренним источником тепла является энергия распада радиоактивных элементов, присутствующих в земной коре. На практике влияние данного источника начинает сказываться на глубинах свыше 20 м, и это тепло классифицируется как геотермальное. Геотермальная энергия, в отличие от других видов энергии (таких как энергия солнца, ветра или моря), не зависит от состояния атмосферы, а также от запасов топлива. Это стабильный и удобный в использовании вид энергии. Известно, что на глубине 4-5 м и более температура грунта в течение года практически постоянна и соответствует среднегодовой температуре атмосферного воздуха.

Устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой называется тепловым насосом. Использование низкопотенциального тепла Земли посредством тепловых насосов возможно практически повсеместно и в настоящее время это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета к 2020 г. 75% теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов. Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает порядка 20 млн. тепловых насосных установок (ТНУ) различной мощности — от нескольких киловатт до сотен мегаватт. На сегодняшний день тепловые насосы широко применяются во всем мире. Количество тепловых насосов, работающих в Японии, Европе и США исчисляется десятками миллионов штук. Производство тепловых насосов в каждой стране, прежде всего, ориентировано на удовлетворение потребностей внутреннего рынка. В Японии и США наибольшее применение получили тепловые насосы класса «воздух-воздух» для отопления и летнего охлаждения воздуха. В Европе — тепловые насосы класса «вода-вода» и «вода-воздух». В США исследованиями и производством тепловых насосов занимаются более шестидесяти фирм. В Японии ежегодный выпуск тепловых насосов превышает 500 тысяч единиц. В Германии ежегодно вводится более 5 тысяч установок. В Швеции и странах Скандинавии эксплуатируются, в основном, крупные тепловые насосные установки. В Швеции уже к 2000 году эксплуатировалось более 110 тысяч теплонасосных станций (ТНС), 100 из которых имели мощность около 100 МВт и выше. Наиболее мощная ТНС-320 МВт работает в Стокгольме, использующая в качестве источника низкопотенциального тепла (ИНТ) воду Балтийского моря. Эта установка, расположенная на причаленных к берегу баржах, охлаждает зимой морскую воду от 4°С до 2 °С. Количество тепла, вырабатываемого теплонаносными установками в Швеции, уже составляет около 50% от потребного.

В США, по данным 2017 г., более 13 млн частных домовладений применяют тепловые насосы для отопления.

В Японии широко распространены воздухо-воздушные реверсивные ТНУ круглогодичного кондиционирования воздуха, мощностью от 1,2 до 16,5 кВт. В эксплуатации находится несколько миллионов подобных ТНУ.

В Германии в эксплуатации находятся около 1 млн. ТНУ. Они используются в водяных системах отопления, а также в воздушных системах отопления и кондиционирования воздуха. В качестве источников теплоты используются воздух наружный и вытяжной, грунт, вода и т.д. Крупные ТНУ работают, как правило, в системе центрального теплоснабжения.

Опыт стран, занимающих лидирующее положение в применении тепловых установок показал, что их целесообразно использовать при переходе к децентрализованным системам теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей), когда тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя.

Тепловые насосы (ТН) нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, жилом и общественном секторах:

— в общественных зданиях с кондиционированием воздуха обычно применяют реверсивные тепловые насосы, обеспечивающие охлаждение воздуха в теплый период и нагревание в холодный период года;

— в жилищно-коммунальном секторе с помощью ТН может осуществляться автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий для отопления и горячего водоснабжения, а также осуществляется кондиционирование в летний период года;

— на промышленных предприятиях различных отраслей ТН применяют для утилизации теплоты низко потенциальных технологических выбросов, водооборотных систем и стоков, с целью использования такого тепла для теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения. При необходимости используется и вырабатываемый тепловыми насосами холод

Идеальный вариант для ТН — наличие вблизи от потребителя источника сбросного тепла промышленного или коммунального предприятия. В качестве довольно универсального источника низко потенциального тепла можно использовать теплоту грунта.

Основу эксплуатируемого сегодня в мире парка тепло-насосного оборудования составляют парокомпрессионные тепловые насосы, но применяются также и абсорбционные, электрохимические и термоэлектрические. Статистика производства тепловых насосов типа грунт-вода и воздух-вода за последние 8 лет представлена на рис.1.

По объемам производства установок лидируют США и Китай. Первые — благодаря качеству продукции, вторые — из-за низкой стоимости. Количество проданных тепловых насосов в 2015 г. по странам ЕС представлено на рис. 2. В настоящее время в развитых странах ведутся разработки новых моделей и технологий использования тепловых насосов. Так, например, японские производители создали тепловые насосы «воздух — вода», приспособленные к работе в холодном климате. Они сохраняют высокую тепловую производительность при температуре наружного воздуха до — 15°C. Для обеспечения работы при минусовых температурах используются различные решения, предотвращающие обледенение. Среди них, тепло аккумуляторы, обогрев через байпасный контур, нагревательные спирали. Технология парожидкостного впрыска позволяет поддерживать поток хладагента на необходимом уровне даже при очень низкой температуре наружного воздуха.

Рис.1 Статистика производства тепловых насосов

Рис.2 Количество проданных тепловых насосов в 2015 г. по странам ЕС

Разработаны модели двойного действия — появились реверсивные тепловые насосы «воздух — вода», способные не только нагревать, но и охлаждать воду. Это решение обеспечивает максимальный комфорт как в зимнее, так и в летнее время.

Появились модели тепловых насосов «воздух — вода» могут иметь два контура и способны обслуживать сразу два помещения с различной потребностью в обогреве. Обеспечивая подачу двух потоков воды с разной температурой, они могут использоваться как для независимого обогрева, так и для охлаждения двух помещений или зон одного помещения. Объединение тепловых насосов «воздух — вода» с фотоэлектрическими панелями позволяет более эффективно использовать электроэнергию, вырабатываемую солнечными панелями, управляя энергопотреблением теплового насоса.

В районах с холодным климатом, таких как Северная Европа, где температура наружного воздуха может опускаться до — 40°С, эффективным способом получения горячей воды могут стать гибридные системы, объединяющие газовый котел и тепловой насос «воздух — вода». Уже установленный котел можно использовать для эффективного дополнительного нагрева. Ряд производителей представил на рынке интеллектуальные системы управления, позволяющие подключить тепловой насос к действующей системе отопления и горячего водоснабжения на базе газового котла. Если условия не позволяют использовать тепловой насос, включается газовый котел, обеспечивая непрерывное функционирование системы теплоснабжения.

Некоторые производители предоставляют услуги облачного сервиса для удаленного управления работой и энергопотреблением тепловых насосов «воздух — вода». Подключившись к облачному серверу, пользователь получает возможность полного контроля над устройством из любой точки планеты. Данная технология позволяет сэкономить электроэнергию, повысить уровень комфорта, добиться более гибкого управления ресурсами.

Созданы «умные» распределительные сети. Стремительный рост производства электроэнергии из возобновляемых источников привел к диспропорции между подаваемой и требуемой электрической мощностью. Для решения этой проблемы тепловые насосы «воздух — вода» с функцией управления распределением энергии обеспечивают более гибкое регулирование энергопотребления. Данная функция позволяет изменять алгоритм работы прибора по сигналу контроллера. В настоящее время созданы разнообразные внутренние блоки для тепловых насосов «воздух — вода», отличающиеся как назначением, так и функциональными возможностями. В регионах с холодным климатом требуемую тепловую мощность могут обеспечить радиаторы без вентиляторов, передающие тепло путем излучения. Комфортная температура при этом поддерживается без создания воздушных потоков, что существенно снижает энергопотребление и уровень шума. В ассортименте многих производителей имеются внутренние блоки «все-в-одном», способные охлаждать и отапливать помещение, а также подавать горячую воду. Такие устройства отличаются компактностью и простотой обслуживания.

Опыт стран, занимающих лидирующее положение в применении тепловых установок показал, что их целесообразно использовать при переходе к децентрализованным системам теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей), когда тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя. Внедрение таких экономичных и экологически чистых технологий теплоснабжения необходимо в первую очередь во вновь строящихся районах городов и в населенных пунктах при полном исключении применения электрокотельных, потребление энергии которыми в 3-4 раза превышает потребление ее теплонасосными установками. Использование теплонасосных установок перспективно в комбинированных схемах в сочетании с другими технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергии), так как позволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наиболее высоких экономических показателей. Применение теплонасосных установок вносит наибольший вклад в экономию невозобновляемых энергоресурсов с помощью технологий нетрадиционной энергетики. Использование низкопотенциального тепла Земли посредством тепловых насосов возможно практически повсеместно и в настоящее время это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Анализ возможных областей применения технологий, использующих нетрадиционные источники энергии, показывает, что одной из перспективной областью их внедрения являются тепло насосные системы теплоснабжения, использующие низкопотенциальное тепло, накапливаемое в водоемах, грунте, геотермальных источниках, технологических выбросах (воздух, вода, стоки и др. — источники низкопотенциального тепла (ИТН). Однако, температура этих источников довольно низкая (1–25°С), таблица 1, и для эффективного их использования необходимо осуществить перенос этой энергии на более высокий температурный уровень (50–100°С). Это возможно осуществить с помощью тепловых насосов.

Таблица 1. Сведения о некоторых источниках низкопотенциального тепла

Основные достоинства тепловых насосов:

1) Экономичность. На данный момент тепловые насосы являются более экономичными чем котлы на дизельном топливе или электрокотлы, а в ближайшем будущем, когда цены на энергоносители сравняются с европейскими они будут превосходить даже газовые котлы.

2) Повсеместность применения. Источник рассеянного тепла можно обнаружить везде и тепловой насос будет бесперебойно отапливать ваш дом, не завися от капризов погоды, поставщиков дизельного топлива или падения давления газа в сети.

3)Экологичность. Тепловой насос не сжигает топливо, значит, не образуются вредные окислы типа CO, СO2, NOх, SO2, PbO2. Потому вокруг дома на почве нет следов серной, азотистой, фосфорной кислот и бензольных соединений. Применяемые же в тепловых насосах фреоны не содержат хлор углеродов и озон безопасны. Экологическое оборудование должно работать исключительно с использованием экологически безвредного наполнителя.

4) Универсальность. Тепловые насосы обладают свойством обратимости (реверсивности). Они могут нагревать или охлаждать помещение.

5) Безопасность. Эти агрегаты практически взрыва — и пожаробезопасны. Нет топлива, нет открытого огня, опасных газов или смесей. Взрываться здесь просто нечему, нельзя также угореть или отравиться. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей.

6) Надежность. Надежная автоматическая работа установки, не требующая постоянного присутствия человека. Длительный срок службы без капитального ремонта (10-20 лет: 45 тыс. часов для ТН с поршневым компрессором; 60 тыс. часов для ТН с винтовым компрессором).

7) Малые габариты и вес.