Многие автономные источники энергоснабжения отличаются высокой эффективностью. Однако тепловые насосы умудряются совмещать это качество еще и с экологической безопасностью, а также в известной степени являются оборудованием, работающим на возобновляемых источниках энергии.
Тепловые насосы могут использовать природное тепло земли и грунтовых вод, сохраняя его даже зимой. Повышая температуру отведенного тепла, они передают его в систему отопления.
ЭнергиЯ тепла
«Топливом» теплового насоса является рассеянное тепло внешнего теплоисточника (земля, грунтовые воды, воздух). Необходимый уровень температуры для системы отопления достигается теплоносителем за счет использования дополнительной энергии.
Однако особенностью тепловых насосов специалисты считают их способность отбирать у внешнего теплоисточника тепло, многократно превышающее количество необходимой для подъема температуры энергии. Этим и объясняется их исключительная эффективность и энергосберегающие характеристики.
Принцип работы теплового насоса упрощенно называется «холодильник наоборот». Как и в случае с охлаждающим оборудованием используется цикл Карно, только перекачивается не хладагент, а теплоноситель. Тогда как холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух, тепловой насос извлекает тепло из наружного воздуха (воды) и передает его в обогреваемое помещение или иной объект.
Схематично это выглядит следующим образом. Проходя по трубопроводу, уложенному, например, в землю или грунтовые воды, теплоноситель нагревается на несколько градусов. Далее, по мере прохождения через размещенный внутри теплового насоса теплообменник, называемый также испарителем, теплоноситель отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса.
Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом, который имеет очень низкую температуру кипения. Он, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ. Это происходит при низком давлении и низкой температуре. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается, что приводит к существенному повышению его температуры. Этот, уже достаточно горячий газ, поступает во второй теплообменник (конденсатор). В нем происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления помещения. Доставленное тепло попадает в систему отопления, переходит в жидкое состояние и нагретый теплоноситель поступает к отопительным приборам. При прохождении хладагента через редукционный клапан давление понижается. В результате хладагент снова попадает в испаритель, и цикл повторяется вновь и вновь.
Примечательно, что тепловые насосы можно одинаково успешно использовать как для отопления помещений в холодное время года, так и для охлаждения воздуха в жаркий летний сезон. Принцип работы такого насоса при охлаждении помещения такой же, как и при отоплении. Только тепло в этом случае забирается из воздуха в помещение и отдается земле или водоему.
Пути тепла
В настоящее время в мире преобладают два основных вектора развития ТН в зависимости от выбора используемых видов энергии. Парокомпрессионные тепловые насосы (ПТН) по разновидностям низкотемпературного источника теплоты и объектам обогрева делятся на типы «вода-вода», «воздух-вода», «воздух-воздух», «вода-воздух». Используемое компрессорное оборудование может быть спиральным, поршневым, винтовым и турбокомпрессорным. По виду привода компрессора ПТН также бывают электроприводные, с приводом от двигателя внутреннего сгорания, газовой или паровой турбины.
В качестве рабочего тепла в данных машинах используются хладоны (так называемые фреоны). Тепловые насосы могут совмещать две функции: охлаждения и обогрева. Для высокоэкономичного преобразования больших количеств низкопотенциального тепла (5-40 градусов Цельсия) в тепло с температурами более 60 градусов Цельсия разработаны и успешно используются тепловые насосы, которые на каждый киловатт энергии, затраченной на электропривод, способны отдать около 4 кВт тепла.
Вторым принципиальным типом ТН выступают абсорбционные тепловые насосы (АБТН), которые делятся на водоаммиачные и солевые. В водоаммиачных агрегатах абсорбентом является вода, а хладагентом – аммиак. В солевых насосах, преобладающих в мировой практике, абсорбентом является водный раствор соли, а роль хладагента выполняет вода. По виду потребляемой высокотемпературной теплоты АБТН подразделяется на машины с паровым (водяным) и с огневым обогревом на газообразном или жидком топливе.
Парокомпрессионные ТН работают за счет механической (электрической) энергии, а абсорбционные потребляют тепловую. Коэффициент преобразования ПТН (соотношение потребляемой энергии и вырабатываемого тепла) зависит в основном от величины перепада температур между нагреваемой и охлаждаемыми средами. Чем больше перепад, тем ниже эффективность ПТН. В зависимости от этого перепада в случае с АБТН применяют машины с разными типами регенерации раствора и схемой абсорбции. АБТН всех типов по сравнению с котлом имеют удельный расход топлива на 40-55 процентов ниже. Это означает, что эффективность использования топлива в АБТН в 1,7-2,2 раза выше, чем в котле. При этом себестоимость производимой в АБТН теплоты на 25-30 процента ниже, чем в котле.
Практика показывает, что на существующих ТЭЦ во время пиковых нагрузок возникает необходимость увеличения мощности теплофикационного отбора станции. Обычно для этого устанавливают дополнительные резервные котлы. Между тем теплофикационную мощность станции можно существенно увеличить с помощью ТН. При этом не потребуется увеличения расхода топлива. Перспективным считается и объединение в рамках одной теплопроизводящей установки теплоисточника на привозном органическом топливе и теплового насоса на базе местных возобновляемых или сбросных источников низкопотенциального (5-40 градусов Цельсия) тепла. Таким образом, можно одновременно с повышением надежности добиться экономии потребляемого органического топлива и снизить уровень загрязнения окружающей среды.
Тепловые насосы могут использовать природное тепло земли и грунтовых вод, сохраняя его даже зимой. Повышая температуру отведенного тепла, они передают его в систему отопления.
ЭнергиЯ тепла
«Топливом» теплового насоса является рассеянное тепло внешнего теплоисточника (земля, грунтовые воды, воздух). Необходимый уровень температуры для системы отопления достигается теплоносителем за счет использования дополнительной энергии.
Однако особенностью тепловых насосов специалисты считают их способность отбирать у внешнего теплоисточника тепло, многократно превышающее количество необходимой для подъема температуры энергии. Этим и объясняется их исключительная эффективность и энергосберегающие характеристики.
Принцип работы теплового насоса упрощенно называется «холодильник наоборот». Как и в случае с охлаждающим оборудованием используется цикл Карно, только перекачивается не хладагент, а теплоноситель. Тогда как холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух, тепловой насос извлекает тепло из наружного воздуха (воды) и передает его в обогреваемое помещение или иной объект.
Схематично это выглядит следующим образом. Проходя по трубопроводу, уложенному, например, в землю или грунтовые воды, теплоноситель нагревается на несколько градусов. Далее, по мере прохождения через размещенный внутри теплового насоса теплообменник, называемый также испарителем, теплоноситель отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса.
Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом, который имеет очень низкую температуру кипения. Он, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ. Это происходит при низком давлении и низкой температуре. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается, что приводит к существенному повышению его температуры. Этот, уже достаточно горячий газ, поступает во второй теплообменник (конденсатор). В нем происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления помещения. Доставленное тепло попадает в систему отопления, переходит в жидкое состояние и нагретый теплоноситель поступает к отопительным приборам. При прохождении хладагента через редукционный клапан давление понижается. В результате хладагент снова попадает в испаритель, и цикл повторяется вновь и вновь.
Примечательно, что тепловые насосы можно одинаково успешно использовать как для отопления помещений в холодное время года, так и для охлаждения воздуха в жаркий летний сезон. Принцип работы такого насоса при охлаждении помещения такой же, как и при отоплении. Только тепло в этом случае забирается из воздуха в помещение и отдается земле или водоему.
Пути тепла
В настоящее время в мире преобладают два основных вектора развития ТН в зависимости от выбора используемых видов энергии. Парокомпрессионные тепловые насосы (ПТН) по разновидностям низкотемпературного источника теплоты и объектам обогрева делятся на типы «вода-вода», «воздух-вода», «воздух-воздух», «вода-воздух». Используемое компрессорное оборудование может быть спиральным, поршневым, винтовым и турбокомпрессорным. По виду привода компрессора ПТН также бывают электроприводные, с приводом от двигателя внутреннего сгорания, газовой или паровой турбины.
В качестве рабочего тепла в данных машинах используются хладоны (так называемые фреоны). Тепловые насосы могут совмещать две функции: охлаждения и обогрева. Для высокоэкономичного преобразования больших количеств низкопотенциального тепла (5-40 градусов Цельсия) в тепло с температурами более 60 градусов Цельсия разработаны и успешно используются тепловые насосы, которые на каждый киловатт энергии, затраченной на электропривод, способны отдать около 4 кВт тепла.
Вторым принципиальным типом ТН выступают абсорбционные тепловые насосы (АБТН), которые делятся на водоаммиачные и солевые. В водоаммиачных агрегатах абсорбентом является вода, а хладагентом – аммиак. В солевых насосах, преобладающих в мировой практике, абсорбентом является водный раствор соли, а роль хладагента выполняет вода. По виду потребляемой высокотемпературной теплоты АБТН подразделяется на машины с паровым (водяным) и с огневым обогревом на газообразном или жидком топливе.
Парокомпрессионные ТН работают за счет механической (электрической) энергии, а абсорбционные потребляют тепловую. Коэффициент преобразования ПТН (соотношение потребляемой энергии и вырабатываемого тепла) зависит в основном от величины перепада температур между нагреваемой и охлаждаемыми средами. Чем больше перепад, тем ниже эффективность ПТН. В зависимости от этого перепада в случае с АБТН применяют машины с разными типами регенерации раствора и схемой абсорбции. АБТН всех типов по сравнению с котлом имеют удельный расход топлива на 40-55 процентов ниже. Это означает, что эффективность использования топлива в АБТН в 1,7-2,2 раза выше, чем в котле. При этом себестоимость производимой в АБТН теплоты на 25-30 процента ниже, чем в котле.
Практика показывает, что на существующих ТЭЦ во время пиковых нагрузок возникает необходимость увеличения мощности теплофикационного отбора станции. Обычно для этого устанавливают дополнительные резервные котлы. Между тем теплофикационную мощность станции можно существенно увеличить с помощью ТН. При этом не потребуется увеличения расхода топлива. Перспективным считается и объединение в рамках одной теплопроизводящей установки теплоисточника на привозном органическом топливе и теплового насоса на базе местных возобновляемых или сбросных источников низкопотенциального (5-40 градусов Цельсия) тепла. Таким образом, можно одновременно с повышением надежности добиться экономии потребляемого органического топлива и снизить уровень загрязнения окружающей среды.
Источник: