- Принцип роботи теплового насоса
- Теплові насоси - джерело відновлюваної енергії
- Типи теплових насосів
- Рекомендовані режими повітряних теплових насосів
- Як влаштований повітряний ТН
- Відео. Як працює повітряний тепловий насос для опалення
- Практичність і ефективність повітряного теплового насоса
- Мал. 5. Схема практичної реалізації системи опалення з ТН для котеджу в Київській області (опалювальна...
- Вас може зацікавити:
М. Гусалов
Втілення ідеї черпати енергію з навколишнього середовища в наш час перейшло з області побажань в область практичного втілення. Мабуть, найбільш яскравим і досить просто реалізованим прикладом цього стали повітряні теплові насоси. Крім опалення, тепер їх можна використовувати для охолодження приміщень в жарку пору року, зберігаючи головна перевага повітряних теплових насосів - простоту установки без значних капіталовкладень в інженерну систему для їх роботи
Принцип роботи теплового насоса
Тепловий насос (ТН) працює дуже просто - це зворотний цикл холодильної машини. Відбираючи теплоту з однієї частини простору, наприклад, з повітря зовні будинку, ТН догріває теплоносій в компресорі (за рахунок стиснення) і віддає високопотенційний теплоту в опалювальне приміщення. Перше практичне втілення ідеї ТН пов'язують з ім'ям видатного англійського фізика і інженера Вільяма Томсона (лорда Кельвіна), який ще в 1852 р оприлюднив ідею «умножителя тепла» - схему практичної реалізації теплонасосної системи. Причому ця машина була по суті саме повітряним тепловим насосом. Згодом, уже в XX столітті, було запропоновано використовувати для контуру «відбору» тепла ТН грунтові або водяні теплообмінники. Тобто, ТН може відбирати тепло звідусіль - з водойми, з землі, з навколишнього повітря - і передавати його далі для підігріву теплоносія. Якщо ж будинок потрібно охолоджувати в жарку пору, то відбувається зворотний процес - тепловий потік перенаправляється назад, і надлишок теплоти скидається в грунт, у водойму або підземний водоносний шар, в навколишнє повітря. Один і той же «реверсивний» тепловий насос може взимку нагрівати воду для системи опалення та ГВП, а влітку - охолоджувати будівлю.
З самого початку практичної реалізації ідеї ТН інженерами велася боротьба за ефективність таких машин, яку прийнято обчислювати в вигляді так званого «коефіцієнтом та перетворення», або COP (Coefficient of Performance), який показує, скільки потрібно затратити енергії на збір, передачу і виділення тепла в порівнянні з кількістю цієї «зібраної» ззовні теплової енергії. Показник COP = 4 означає, що тепловий насос переносить корисного тепла вчетверо більше, ніж витрачає електроенергії на своє функціонування.
Цілком працездатні моделі ТН застосовуються ще з середини XX століття. Але «розквіт» застосування ТН відбувається саме в наш час, коли дуже гостро стоїть питання про енергоефективність та економії витрат на органічне мінеральне паливо.
Теплові насоси - джерело відновлюваної енергії
Верховна Рада 1 листопада 2016 прийняла зміни до Закону «Про альтернативні джерела енергії», які тепер відносять теплові насоси до устаткування, що використовує відновлювальні джерела енергії (ВДЕ). До «альтернативних джерел енергії» тепер належать «аеротермальная енергія», «гідротермальних енергія» і «геотермальна енергія». Законом також визначено, що «теплова енергія, витягнута тепловими насосами з повітря, води, грунту вважається виробленої з ВДЕ за умови, що річний обсяг виробництва теплової енергії таким тепловим насосом більше, ніж обсяг теплової енергії, витраченої на виробництво електричної енергії, спожитої самим тепловим насосом. Це відповідає Директиви 2009/28 / ЄС, яка регламентує державне заохочення використання таких видів енергії ».
13 червня 2016 року Європарламент прийняв резолюцію щодо Стратегії опалення та охолодження (EU Strategy on Heating and Cooling), згідно з якою технології прямого спалювання палива для цілей опалення при знаються технічно безперспективними. На перше місце ставиться комбінована технологія використання теплових насосів, в т. Ч. Спільно з сонячними батареями (фотоелектричними та фототермальнимі), див. Рис. 1.
Рис 1. Енергоефективність технологій обладнання для систем опалення, охолодження та ГВП згідно «EU Strategy on Heating and Cooling 2016»
ТН мають характерною особливістю - їх ефективність тим більше, чим менше різниця температур між джерелом теплоти (в разі повітряних ТН це зовнішнє повітря) і температурою споживача теплоти. Тому ТН використовуються в т. Н. низькотемпературних системах опалення, тобто вони краще працюють при температурах теплоносія на виході від + 35 ° C до + 55 ° C. Як низькотемпературних систем опалення використовуються не радіатори, а системи поверхневого нагріву типу «тепла підлога», «тепла стіна», «теплий плінтус», повітряні системи опалення із застосуванням фенкойлів і т. П. Чим вище температура нагрівається теплоносія, наприклад, води, тим менше ефективність теплового насоса. І чим вище температура джерела теплоти, тим ТН працює ефективніше. Наприклад, при підвищенні температури джерела з мінус 20 ° C до + 7 ° C, ефективність роботи ТН підвищиться, наприклад, від значення COP = 2,0 до COP = 4,0. Отже, чим менше диференціал температур між джерелом тепла і його споживачем, тим застосування ТН насосів вигідніше.
Типи теплових насосів
За типом середовища, від якої відбирається теплота, ТН поділяють на три основних типи - «грунтові» (тепловий потенціал грунту), «водяні» (тепло в підземних водяних горизонтах або у відкритому водоймищі), «повітряні» (тепло атмосферного повітря). По виду теплоносія у вхідному і вихідному контурах насоси ділять на сім типів: «грунт-вода», «вода-вода», «повітря-вода», «грунт-повітря», «вода-повітря», «повітря-повітря».
Грунтові і водяні ТН вважаються найефективнішими, оскільки використовують умовно «необмежений» джерело теплоти з приблизно постійною температурою і величезною теплоємністю. Головний їх недолік - значна вартість обладнання, необхідність складного і дорогого монтажу зовнішніх підземних або підводних теплообмінних контурів, які до того ж не скрізь можливо реалізувати (наприклад, в місті). ТН типу «повітря-вода», в тому числі реверсивні, найчастіше використовуються для побутових систем опалення та ГВП. Для опалення (опалення / охолодження) без функції приготування води в ГВП придатні ТН типу «повітря-повітря», які, по суті, мало відрізняються по влаштуванню від спліт-кондиціонерів повітря.
Рекомендовані режими повітряних теплових насосів
Оскільки для повітряних теплових насосів джерелом теплоти є зовнішній атмосферне повітря, то зі зміною його температури змінюються умови роботи ТН. При дуже низькій температурі зовнішнього повітря опалення та приготування гарячої води від теплового насоса стає нераціональним - кількості теплоти в перекачується обсязі первинного теплоносія (повітря) недостатньо. Те ж саме відбувається і для високих температур зовнішнього повітря при роботі ТН в режимі охолодження - порція теплоти, що видаляється прокачуванням через зовнішній теплообмінник, виявляється занадто мала. Тому є обгрунтований діапазон температури навколишнього повітря і температури вторинного теплоносія (води) як для обігріву, так і для охолодження, розрахований для кожної конкретної моделі ТН. Наприклад, на рис. 2 наведені графіки для повітряних моноблочних ТН компанії Vaillant серії aroTHERM. Перша цифра в дужках означає температуру зовнішнього повітря, друга - температуру теплоносія (води) в контурі опалення / охолодження. Експлуатувати ТН слід всередині зазначених температурних областей.
Рис 2. Експлуатаційні межі застосування повітряних моноблочних ТН типу Vaillant aroTHERM моделей VWL 85/2 - 115/2 A 400 V в режимі опалення, ГВП та для охолодження приміщень
Якщо застосовувати в якості опалювального обладнання тільки ТН, то при низьких температурах потрібно буде використовувати ТН з надмірною запасом потужності. Це нераціонально і в сенсі вартості самого устаткування, і витрат на енергію для роботи ТН. Тому в нашій кліматичній зоні, де бувають періоди в році з температурами нижче мінус 15 ° С ... -20 ° С, рекомендується ТН поєднувати з іншим джерелом тепла, наприклад, з газовим конденсаційним котлом або з електрокотлом. Це так звана «бівалентна схема» опалення, при якій основну (базову) навантаження несе тепловий насос, а пікові навантаження покриваються допоміжним джерелом, що споживають інший енергоносій.
Практичні схеми бівалентної роботи ТН з котлами вже відпрацьовані, багаторічний досвід їх експлуатації підтверджує економічність такого підходу. Сучасна автоматика регулює спільну роботу опалювальних приладів так, щоб в кожен момент отримувати максимальну кількість енергії з навколишнього середовища від ТН при мінімумі витрат на покупну енергію (електрика і газ). При цьому враховуються також добові особливості тарифів на електроенергію (двозонна і багатозонна тарифікація).
На рис. 3 а) і б) представлені схеми реалізації комбінації ТН з додатковим опалювальним устаткуванням - з газовим котлом (а) і електрокотлом (б), причому комбінована схема дозволяє донагревать теплоносій до високої температури, необхідної для роботи радіаторного опалення. Схема на рис. 3а) рекомендується для модернізації існуючих нагрівальних установок з газовим настінним котлом і з роздільними контурами для опалення та ГВП. Якщо ж використовується низькотемпературна система опалення (наприклад, «тепла підлога»), то великого нагрівання не потрібно (рис. 3, б), і допоміжний котел включається рідко, тільки для покриття пікових теплових навантажень для опалення та для періодичного прогріву води в ГВП до високої температури для видалення легіонел в баку ГВС. Але схема з «теплою підлогою» допомагає також реалізувати на ТН режим літнього охолодження приміщень (див. Рис. 3, б).
Мал. 3. Бівалентний режим роботи повітряного ТН з газовим котлом (а) і радіаторні опаленням; повітряний ТН разом з електрокотлом (б) і «теплою підлогою»
Як влаштований повітряний ТН
Пристрій повітряного моноблочного ТН можна зрозуміти на прикладі схеми Vaillant aroTHERM моделей VWL 55/2 A - VWL 155/2 А з функцією «активний холод», тобто здатного крім опалення взимку використовуватися для охолодження влітку.
Моноблочна теплонасосная установка (з усіма технічними засобами в зовнішньому блоці складається) з ТН aroTHERM, який встановлюється на відкритому повітрі; модуля управління ТН VWZ AI; регулятора системи multiMATIC VRC 700.
На рис. 4, де показані обидва режими роботи реверсивного ТН - і опалення (вгорі), і охолодження (внизу). Стрілками показано напрямок потоків теплоносія для кожного режиму.
Мал. 4. Схема повітряно-водяного моноблочного реверсивного ТН Vaillant aroTHERM VWL:
випарник (1); чотирьохходовий клапан (2); вентилятор (3); компресор (4); електронний розширювальний клапан (5); пластинчастий теплообмінник (6)
Вигідна особливість моноблочного виконання ТН - немає необхідності «тягнути» в будинок з блоку, розташованого зовні будинку, трубки з холодоагентом. Це істотно спрощує монтаж і підвищує надійність системи - в будинок заводяться тільки теплоізольовані труби системи опалення. Важливо правильно встановити зовнішній блок щодо стін самого будинку - це знизить відчувається рівень шуму. Проте, сучасні ТН при роботі відрізняються дуже низькою гучністю. Наприклад, завдяки технічним новаціям, модель Vitocal 200-S моноблочного повітряно-водяного ТН компанії Viessmann, представлена в цьому році на виставці на ISH-2017, забезпечує особливо низький рівень шуму - всього 35 дБ (А) на відстані 3 м.
Відео. Як працює повітряний тепловий насос для опалення
З оглядом сучасних моделей повітряних ТН різних виробників можна ознайомитися в статті «Теплові насоси типу« повітря-вода »: огляд» в цьому номері журналу.
Практичність і ефективність повітряного теплового насоса
Незважаючи на те, що ТН «повітря-вода» мають дещо меншим показником COP, ніж ТН типу «грунт-вода» і «вода-вода», застосування саме «повітряних» ТН розширюється особливо швидко (тепер і в Україні). Не скрізь і не всюди можна встановити грунтові або водяні ТН, особливо в містах і населених пунктах зі старою історичною забудовою, де просто не дозволить влаштовувати підземні теплообмінні поля або бурити колодязі для водяних систем. Не скрізь є близькі підземні водяні горизонти або відповідний водойму. Монтаж повітряних ТН не викликає труднощів, особливо ТН моноблочного типу.
ТН «повітря-вода» можна застосовувати скрізь, навіть у містах і навіть у багатоповерхівках.
Розглянемо особливості системи опалення та ГВП для котеджу на одну сім'ю з моноблоковим ТН «повітря-вода» Vaillant aroTHERM VWL 155/2 A 230 V з функцією «активний холод», практично реалізованої в Київській області. Площа опалення 200 м2, мінімальна температура зовнішнього повітря мінус 22 ° C, розрахункова потужність опалювальної системи 14 кВт, рис. 5. Тут застосовується як радіаторне опалення, так і система «водяна тепла підлога», яку влітку використовують ще й для охолодження. Розрахунки потужності враховували середньомісячні температурні графіки в даній місцевості. Контур ГВП розділений з опалювальним контуром компактної буферної ємністю Vaillant VWZ MPS 40, а завдяки модулю теплообмінника Vaillant VWZ MWT 150 для теплового насоса Vaillant aroTHERM можна гідравлічно ізолювати тепловий насос, і захистити його від замерзання. Антифриз використовується тільки в контурі циркуляції теплоносія в самому ТН, не змішуючись з водою в решті гідросистемі. Бівалентний ємнісний водонагрівач непрямого нагріву Vaillant VIH для ГВП має два незалежних змієвикових теплообмінника: для контуру ТН і контуру газового конденсаційного котла ecoTEC plus VU з можливістю приготування гарячої води в комбінації з ємнісним водонагрівачем. Завдяки цій функції, воду для побутових потреб можна періодично нагрівати до більш високої температури для знезараження (усунення легіонел). Температура бівалентності теплового насоса становить мінус 6,4 ° C, тобто, починаючи з мінус 7 ° C автоматика модуля управління тепловим насосом VWZ AI включить ТН і почне управляти узгодженої роботою системи. Погодозалежний регулятор Vaillant multiMATIC VRC700 / 4 з функцією управління каскадом опалювального обладнання може керувати спільно з ТН декількома тепловими насосами, газовими котлами або для підключення згодом інших джерел енергії (наприклад, сонячних панелей). Найкращий варіант замовникам і монтажникам в кожному конкретному випадку підкажуть кваліфіковані фахівці, що представляють фірми-виробники обладнання.
Мал. 5. Схема практичної реалізації системи опалення з ТН для котеджу в Київській області (опалювальна площа 200 м2)
перспективний вибір
Використання повітряних ТН разом з іншими пристроями ВДЕ і високоефективним опалювальним устаткуванням разом з цифровими системами управління - перспективна європейська тенденція, яка продовжує посилюватися в умовах подорожчання традиційних енергоносіїв. ТН типу «повітря-вода» стають все популярнішими і в Україні. Моноблочні моделі повітряних ТН при цьому мають ряд переваг як при монтажі, так і під час експлуатації. Компанії, що представляють виробників обладнання, накопичують все більший досвід проектування і практичної реалізації об'єктів з повітряними ТН. Все більше пропонується різних готових комплектних рішень, апробованих на практиці. Фахівці-монтажники завжди можуть розраховувати на кваліфіковану консультацію і технічну підтримку.
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі AW-Therm . Підписуйтесь!
Вас може зацікавити:
Вам також може сподобатися
Замовлення було відправлено, з Вами зв'яжеться наш менеджер.
