Содержание

1. Понятие холодильной машины и теплового насоса, классификация и область применения. 2

2. Источники низкопотенциальной тепловой энергии. 7

  2.1. Воздух. 8

  2.2. Вода. 10

  2.3. Грунт. 11

3. Цикл теплового насоса. 13

4. Примерная схема теплоснабжения с помощью теплового насоса. 15

5. Пример использования теплонасосной системы для горячего водоснабжения жилого дома. 17

  Библиографический список. 19 
 
 
 
 
 
 

1. Понятие холодильной машины и теплового насоса, классификация и область применения.

    Обычно  холодильная машина переносит тело от источника, температура которого ниже окружающей среды, к источнику, имеющего температуру окружающей среды, - воде или воздуху; в этом случае машина служит для охлаждения или  поддержания низких температур в  определенном объеме - холодильной  камере. При помощи холодильной машины тепло можно перенести и к  источнику, температура которого значительно  выше окружающей среды. Это тепло  можно полезно использовать, например, для отопления. В этом случае холодильную  машину принято называть тепловым насосом.

    По  виду затрачиваемой энергии холодильные  машины разделяют на компрессионные, теплоизолирующие и термоэлектрические. Компрессионные машины потребляют механическую энергию, теплоизолирующие - тепловую энергию источников тепла с температурой выше окружающей среды, термоэлектрические машины используют непосредственно электрическую энергию.  
В машинах первых двух типов перенос тепла достигается в результате совершаемого рабочим телом в машине обратного кругового процесса (обратный цикл). В термоэлектрической машине перенос тепла происходит при воздействии потока электронов на атомы.

    В зависимости от свойств и агрегатного  состояния рабочих тел, при помощи которых осуществляются процессы, холодильные  машины делятся на паровые и газовые. В паровых холодильных машинах рабочие тела при совершении процессов меняют свое агрегатное состояние. В газовых холодильных машинах агрегатное состояние рабочего тела не изменяется. В холодильной машине обратный круговой процесс, совершаемый за счет механической энергии, полученной в прямом цикле, может осуществляться в различных условиях. Машина работает по холодильному циклу, если тепло от источника низкой температуры переносится к окружающей среде. В этом случае она служит для охлаждения или поддержания постоянных низких температур. При переносе тепла от окружающей среды к источнику с более высокой температурой холодильная машина работает как тепловой насос и используется для теплоснабжения. Если тепло переносится от источника низкой температуры к источнику с температурой выше окружающей среды, машина работает по теплофикационному циклу и служит как для охлаждения, так и для теплоснабжения.

    Тепловой  насос - термодинамическая установка, в которой теплота от низкопотенциального источника передается потребителю при более высокой температуре. При этом затрачивается механическая энергия.  
Большую перспективу представляет использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Известно, что в годовом цикле на ГВС расходуется примерно столько же тепла, как и на отопление зданий. Примером здания, в котором тепловые насосы использованы для ГВС, является многоэтажный жилой дом, построенный в Москве в Никулино-2. В этом здании в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используется тепло земли и тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Подробно эта система будет рассмотрена ниже.

    Источником  низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как естественного, так и искусственного происхождения. В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы:

    • тепло земли (тепло грунта);

    • подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные);

    • наружный воздух.

    В качестве искусственных источников низкопотенциального тепла могут выступать:

    • удаляемый вентиляционный воздух;

    • канализационные стоки (сточные воды);

    • промышленные сбросы;

    • тепло технологических процессов;

    • бытовые тепловыделения.  

    Таким образом, существуют большие потенциальные  возможности использования энергии  вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализации этого потенциала.

    Ранее тепловой насос использовался в  первую очередь для кондиционирования (охлаждения) воздуха. Система была способна также обеспечить определенную отопительную мощность, в большей  или меньшей степени удовлетворяющую  потребности в тепле в зимний период. Однако характеристики этого  оборудования стремительно меняются: сейчас во многих странах Европы тепловые насосы используются в отоплении  и ГВС. Такое положение связано  с поиском экологичных решений: вместо традиционного сжигания ископаемого топлива - использование альтернативных источников энергии, например, солнечной. Для массового потребителя одним из наиболее предпочтительных вариантов использования нетрадиционных источников энергии является использование низкопотенциального тепла посредством тепловых насосов.

    Существуют  разные варианты классификации тепловых насосов. Ограничимся делением систем по их оперативным функциям на две  основных категории:

    • тепловые насосы только для отопления  и/или горячего водоснабжения, применяемые  для обеспечения комфортной температуры  в помещении и/или приготовления горячей санитарной воды;

    • интегрированные системы на основе тепловых насосов, обеспечивающие отопление  помещений, охлаждение, приготовление  горячей санитарной воды и иногда утилизацию отводимого воздуха. Подогрев воды может осуществляться либо отбором  тепла перегрева подаваемого  газа с компрессора, либо комбинацией  отбора тепла перегрева и использования  регенерированного тепла конденсатора.  
Тепловые насосы, предназначенные исключительно для приготовления горячей санитарной воды, зачастую в качестве источника тепла используют воздух среды, но равным образом могут использовать и отводимый воздух.

    Следует отметить, что постепенно увеличивается  предложение тепловых насосов класса реверсивные "воздух-вода", чаще всего  поставляемых в комплекте с расширительным баком и насосным агрегатом. По отдельному заказу поставляется накопительный резервуар. Такие насосы можно врезать непосредственно в существующие водопроводные системы.

    В Германии и других странах Северной Европы распространены тепловые насосы, которые используют тепло, содержащееся в грунте. Диапазон тепловой мощности разработанных моделей самый  широкий - от 5 до 70 кВт.  
По данным на 1997 год из 90 млн. тепловых насосов, установленных в мире, только около 5 %, или 4,28 млн. аппаратов, смонтировано в Европе. Совсем немного по сравнению с 57 млн. систем, имеющихся в Японии, где такое оборудование является основным в обеспечении отопления жилого фонда. В Соединенных Штатах насчитывается 13,5 млн. установленных агрегатов, а еще только развивающийся китайский рынок достиг уровня 10 млн. систем. Подобное нерасположение Европы имеет свои причины, однако в последнее время отношение к тепловым насосам меняется. Примерная оценка числа тепловых насосов, установленных в главных странах Сообщества в жилом фонде, торгово-административных и промышленных сооружениях, приводится в табл. 1. Основную долю составляют страны Южной Европы: Испания, Италия и Греция.  

    Таблица 1.

    Количество  тепловых насосов в странах ЕС.

    В жилом фонде имеется 3 млн. установленных  тепловых насосов. Однако по степени  охвата показатель небольшой - около 1 %. Хотя очевидно, что установленные  в торгово-административном фонде 1,2 млн. агрегатов, составляя абсолютное наименьшее значение, будут иметь  несколько больший охват.  
Примерно 77 % установленных в Европе тепловых насосов используют наружный воздух в качестве источника тепла, хотя в Швеции, Швейцарии и Австрии преобладают тепловые насосы, забирающие тепло из грунта по заглубленному змеевиковому теплообменнику: данные по этим странам составляют соответственно 28, 40 и 82 %. В Северной Европе зачастую тепловые насосы применяются только для отопления и приготовления горячей санитарной воды. 
 
 
 

2. Источники низкопотенциальной тепловой энергии.

    Тепловой  насос предназначен для использования  энергии, получаемой от источника тепла  низкой температуры. Тепловые, энергетические и экономические характеристики тепловых насосов тесно взаимосвязаны  с характеристиками источников, из которых насосы берут тепло. Идеальный  источник тепла должен давать стабильную высокую температуру в течение  отопительного сезона, не быть коррозийным  и загрязняющим, иметь благоприятные  теплофизические характеристики, не требовать существенных инвестиций и расходов по обслуживанию. В большинстве  случаев имеющийся источник тепла  является ключевым фактором, определяющим эксплуатационные характеристики теплового насоса.

    В качестве источников тепла в небольших  системах на базе тепловых насосов  широко используются наружный и отводимый  воздух, почва и подпочвенная вода, для систем большой мощности применяются  морская, озерная и речная вода, геотермические источники и грунтовые воды.

    2.1. Воздух.

    Наружный  воздух, будучи совершенно бесплатным и общедоступным, является наиболее предпочитаемым источником тепла. Тем  не менее тепловые насосы, применяющие именно воздух, имеют фактор сезонной нагрузки (SPF) в среднем ниже на 10-30 % по сравнению с водяными тепловыми насосами. Это объясняется следующими обстоятельствами:

    • быстрым снижением мощности и  производительности с падением наружной температуры;

    • относительно большой разностью  температур конденсации и испарения  в период минимальных зимних температур, что в целом снижает эффективность процесса;

    • энергозатратами на размораживание испарительной батареи и функционирование соответствующих вентиляторов.

    В условиях теплого и влажного климата  на поверхности испарителя в диапазоне  от 0 до 6 °С образуется изморось, что ведет к снижению мощности и производительности теплового насоса. Иней уменьшает площадь свободной поверхности и препятствует прохождению воздуха. Как следствие, снижается температура испарения, что, в свою очередь, способствует нарастанию инея и дальнейшему неуклонному снижению производительности вплоть до возможной полной остановки агрегата вследствие срабатывания контрольного датчика низкого давления, если прежде не будет устранено обледенение. Размораживание батареи осуществляется путем инверсии охлаждающего цикла или иными, хотя и менее эффективными способами.

    Энергопотребление имеет тенденцию к росту. Общий  коэффициент производительности СОР  сокращается с увеличением частоты  размораживания. Применение специальной  системы контроля, обеспечивающей размораживание по требованию (т. е. когда оно фактически необходимо), а не периодическое, может  существенно повысить общую эффективность.

    Еще один источник тепла в жилых и  торгово-административных сооружениях - отводимый вентиляционный воздух. Тепловой насос регенерирует тепло  из отводимого воздуха и обеспечивает приготовление горячей воды или  теплого воздуха для отопления  помещений. В этом случае, однако, требуется  постоянное вентилирование в течение  всего отопительного сезона или  даже целого года, если предусмотрено  кондиционирование помещений в  летний период. Существуют аппараты, в  которых конструктивно изначально заложена возможность использования  и отводимого вентиляционного, и  наружного воздуха. В некоторых  случаях тепловые насосы, применяющие  отводимый воздух, используются в  комбинации с рекуператорами "воздух-воздух". Воздух как универсальный теплоноситель используется в больших установках круглогодичного кондиционирования. Он обладает низкими значениями коэффициентов теплоотдачи, поэтому для уменьшения поверхности испарителя приходится снижать температуру кипения рабочего тела, вследствие этого уменьшается степень совершенства теплонаносной установки. Данные испытания таких установок, использующих воздух в качестве источника тепла, свидетельствуют о том, что средний коэффициент m за отопительный сезон не превышает 2 - 2,5. В периоды пик, т. е. При эпизодически низких температурах наружного воздуха, включают запасные электронагреватели. Наилучшим методом борьбы с инеем является его автоматическое оттаивание, проводимое периодически.

    2.2. Вода.

    Наиболее  целесообразно применение отходов  теплой воды промышленных предприятий, в том числе циркуляционной воды тепловых электростанций и др. Кроме  того, используют также естественные горячие источники в курортных  местностях.

    Ввиду больших расходов употребление городской  воды неэкономично. Однако водные источники  из сравнительно глубоких слоев почвы, имеющие температуру близкую  к среднегодовой, обеспечивают более высокий коэффициент преобразования m по сравнению с воздухом.

    Подпочвенные  воды есть во многих местах, они имеют достаточно стабильную температуру в диапазоне от 4 до 10 °С. Для использования воды как источника тепла применяются, главным образом, открытые системы: подпочвенная вода откачивается и подается на теплообменник системного агрегата, где у воды отбирается часть содержащегося в ней тепла. Вода, охлажденная таким образом, отводится в сливной колодец или в поверхностные воды. Открытые системы требуют самого тщательного проектирования в целях предотвращения проблем с замерзанием, коррозией и накоплением отложений.

    Большим недостатком тепловых насосов, работающих на подпочвенных водах, является высокая  стоимость работ по монтажу водозабора. Кроме того, следует учитывать  требования, порой весьма жесткие, местных  администраций в вопросах организации  сточных вод.

    Речная  и озерная вода с теоретической  точки зрения представляется весьма привлекательным источником тепла, но имеет один существенный недостаток - чрезвычайно низкую температуру  в зимний период (она может приближаться к 0 °С). Если используются вода рек, озер и морей, то в зимний период она  может замерзать на стенках испарителя. По этой причине требуется особое внимание при проектировании системы  в целях предотвращения замораживания  испарителя.

    Морская вода представляется в некоторых  случаях отличным источником тепла  и используется в основном в средних  и крупных системах. На глубине  от 25 до 50 м морская вода имеет  постоянную температуру в диапазоне  от 5 до 8 °С. И, как правило, проблем  с образованием льда не возникает, поскольку  точка замерзания здесь от -2 до -10 °С. Есть возможность использовать как системы прямого расширения, так и системы с рассолом. Важно  лишь использовать теплообменники и  насосные агрегаты, стойкие к воздействию  коррозии, и предотвращать накопление отложений органического характера  в водозаборном трубопроводе, теплообменниках, испарителях и пр.

    Грунтовым водам свойственна относительно высокая и стабильная в течение  года температура. Основные ограничения  здесь могут составлять расстояние транспортировки и фактические  ресурсы, объем которых может  меняться. Примерами возможных источников тепла в данной категории носителей  можно считать грунтовые воды на канализационных участках (очистные и прочие водостоки), промышленные водостоки, водостоки участков охлаждения промышленных конденсаторов или производства электроэнергии.  
 
 
 

    2.3. Грунт.

    Грунт применяют в качестве естественного  источника тепла для зимнего  отопления и летнего кондиционирования. Змеевики испарителя закладывают в  грунт, причем выгодно используют его  зонную аккумулирующую способность. По практическим данным, коэффициент m составляет от 2,2 до 3,2 в зависимости от внешних условий. Величины теплопередачи в грунте главным образом зависят от его влажности.

    Тепловые  насосы, использующие грунт в качестве источника тепла, применяются для  обслуживания жилых и торгово-административных сооружений. Грунт, как и подпочвенные воды, имеет одно преимущество - относительно стабильную в течение года температуру. Тепло отбирается по трубам, уложенным  в землю горизонтально или  вертикально (спиралеобразно). Могут  использоваться:

    системы прямого расширения с охлаждающей  жидкостью, испаряющейся по мере циркуляции в контуре трубопровода, заглубленного  в грунт;  
системы с рассольной жидкостью, прокачиваемой по трубопроводу, заглубленному в грунт.  
В целом тепловые насосы рассольного типа имеют более низкую производительность по сравнению с агрегатами первого типа в силу происходящего в них "двойного" теплообмена (грунт - рассол, рассол - хладагент) и энергозатрат на обеспечения работы циркуляции рассола, хотя обслуживать такие системы существенно проще.

    Тепловая  емкость грунта варьируется в  зависимости от его влажности  и общих климатических условий  конкретной местности. В силу производимого  отбора тепла во время отопительного  сезона его температура понижается.

    В условиях холодного климата большая  часть энергии извлекается в  форме латентного тепла, когда грунт  промерзает. В летний период под  действием солнца температура грунта вновь поднимается, и появляется возможность вернуться к первоначальным условиям. Действующие по такому принципу тепловые насосы обычно называют геотермическими, что по сути своей неверно, поскольку  здесь не задействовано радиогенное тепло земли, содержащееся в глубинных скальных породах.

    Геотермическими (скальными) источниками можно пользоваться в регионах, где подпочвенных вод  мало или нет совсем. Тогда нужно  пробурить колодцы глубиной от 100 до 200 м. В случае если требуется обеспечить высокую тепловую мощность, колодцы  бурятся под определенным наклоном таким образом, чтобы добраться  и упереться в большой скальный массив. Для таких тепловых насосов  также применяется рассольная жидкость и пластмассовый сварной трубопровод, извлекающий тепло из скалы. В  некоторых системах скальная порода используется для аккумулирования  тепла или охлаждающей энергии. В силу высокой стоимости буровых  работ скальные породы для обслуживания жилого сектора применяются довольно редко. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Цикл теплового насоса.

    Рис. 1. Цикл теплового насоса в s - T-диаграмме.   

    Теплообмен  между рабочим телом и источником высокой температуры протекает  при конечной разности температур необратимо. В результате такого теплообмена  увеличивается энтропия:

    (Sd - Sc) - (S2 - S3) = delta S

    Площадь под процессом 4 - 1, характеризующая  количество подведенного тепла к  рабочему телу, равна площади е - 4' - 5 - к, следовательно, процесс 5 - 4' характеризует убывание энтропии окружающей среды:

    (S1 - S4) - (S5 - S4') = delta S1 > 0

    Степень термодинамического совершенства этого  цикла, как и в холодильном  цикле, характеризуется коэффициентом  обратимости. Для энергетической оценки цикла вводят коэффициент преобразования (трансформации)

    j = Q / L

    или

    j = E + 1

    Если  холодильная машина работает по теплофикационному  циклу, то для энергетической оценки этот цикл рассматривают как два: цикл теплового насоса и цикл холодильный, границей между которыми является температура  окружающей среды.

4. Примерная схема теплоснабжения с помощью теплового  насоса.

    Тепловые  насосы могут применятся для отопления зданий при круглогодичном кондиционировании воздуха, горячего водоснабжения и технологических нужд различных предприятий. Однако использование тепловых насосов должно быть экономически обосновано.

    Рис.2. Схема теплоснабжения с помощью  тепловых насосов.  

    Схема теплоснабжения с помощью тепловых насосов показана на рисунке. Вода из отопительной установки направляется в сетевой насос СН и нагнетается  им для подогрева в конденсаторы К1 и К2, работающие по двухступенчатой схеме и включенный последовательно по сетевой воде. В конденсаторе нижней ступени К1 вода нагревается от температуры t2 до некоторой промежуточной температуры tпр. После этого вода направляется в конденсатор второй ступени К2, где нагревается до температуры t1. Далее вода входит в отопительную систему, отдает тепло обогреваемым помещениям и при температуре t2 вновь поступает в теплонаносную установку.

    Тепло от источника низкой температуры (воды или воздуха) передается в испарителе к кипящему рабочему телу, пар которого при давлении Р0 направляется из испарителя И в компрессор нижней ступени КМ1, где сжимается до давления Рк1. После компрессора КМ1, рабочее тело распределяется двумя потоками. Один из них поступает в конденсатор К1. Другой поток поступает в компрессор КМ2 и сжимается до давления Рк2. Из компрессора КМ2 пар рабочего тела поступает в конденсатор К2, где нагревает теплоноситель от промежуточной температуры tпр до температуры t1. Из конденсатора К2 жидкое рабочее тело отводится в конденсатор К1 через дроссельный вентиль Д2. Весь поток конденсата поступает из конденсатора К1 через дроссельный вентиль Д1 в испаритель.

    Режим работы теплонаносной машины определяется режимом работы отопительной системы. При повышении наружных температур отопительного сезона работает только компрессор нижней ступени КМ1. При этом весь поток рабочего тела после компрессора КМ1 поступает в конденсатор К1, где нагревает теплоноситель до температуры t1. Теплонаносная машина регулируется с помощью регулятора температуры, воздействующего на дроссельный вентиль Д1.

    При более низких температурах наружного  воздуха включается в работу компрессор КМ2 и конденсатор К2 второй ступени. Регулирование работы установки в диапазоне температур от tпр до температуры t1 осуществляется с помощью регулятора температуры, воздействующего на дроссельный вентиль Д2. Иногда верхняя ступень теплового насоса заменяется электрическим нагревателем, что снижает начальные затраты, но приводит к увеличению расхода электроэнергии.

    Для круглогодичного кондиционирования  в южных районах (отопление зимой, кондиционирование воздуха летом) распространение получают мелкие теплонаносные  автоматизированные агрегаты (кондиционеры с тепловым насосом) для обслуживания небольших одноквартирных домов  и отдельных комнат. Эти установки  очень компактны и используют наружный воздух в качестве источника  низкой температуры. Реверсирование установки, то есть переход с холодильного режима на теплонаносный осуществляется изменением направления потока рабочего тела. В мелких установках, где в качестве дросселирующего органа служит капиллярная трубка, изменение потока жидкого рабочего тела не вносит каких-либо затруднений в эксплуатацию.