Теплові насоси

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Криворізький  технічний університет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ

на тему: «Теплові насоси»

з дисципліни «Історія інженерної діяльності» 
 
 
 
 
 
 
 

Виконала:  студентка гр. ЗГО-08

 Кривошея  Є.А. 
 
 
 
 

Кривий  Ріг, 2009 

Зміст 

1.Поняття теплового насосу, класифікація та область застосування...…………3

2.Джерела теплової енергії...…………………………………………….………….9

3.Дослідження роботи теплового насосу:…………………………………………14

3.1.Дослідження роботи теплового насосу, що використовує теплоту

грунту та каналізаційні стоки………………………………...................................14

3.2.Дослідження роботи теплового насосу з повітряним джерелом теплоти…..25

4.Роль і місце теплових насосів у системах централізованого теплопостачання.28

Список  використаної літератури...…………………………………………………..35 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Поняття теплового  насоса, ЙОГО класифікація та область застосування 

       Тепловий  насос - термодинамічна установка, у  якій теплота від низькопотенціального джерела передається споживачеві при більш високій температурі. При цьому витрачається механічна енергія.

       Теплонасос  складається з 4 основних агрегатів:

• випарник,
• конденсатор,
• розширювальний вентиль (розряджаючий вентиль - дросель, знижує тиск),
• компресор (підвищує тиск). Ці агрегати пов’язані між собою замкнутим трубопроводом.

       У цій системі циркулює холодоагент, що в одній частині циклу являє  собою рідину, а в іншій – газ (рис.1).  
 

       Рис.1. Будова і принцип роботи теплонасоса

       Шляхом  регулювання тиску розширювальний вентиль настроює такий потік  холодоагенту у випарник (1), що забезпечує певну розрахункову температуру його кипіння; скипаючи, холодоагент відбирає тепло, що передається колектором з навколишнього середовища. Газ, у який перетворився холодоагент, всмоктується компрессором (2), де він стискується і нагрітий, виштовхується у конденсатор. Конденсатор (3) - ланка теплонасоса, що віддає тепло, яке переходить на воду в системі опалювального контуру. При цьому газ прохолоджується і знову згущається у рідину. Холодоагент піддається розрядженню у розширювальному вентилі (4) та повертається у випарник. Робочий цикл починається спочатку. Точка кипіння для різних рідин змінюється за допомогою тиску : чим вищий тиск, тим вища точка кипіння. Вода закипає при нормальному тиску при температурі +100 °С. При підвищенні тиску вдвічі, температура кипіння води досягає +120 °С, а при зменшенні тиску в 2 рази, вода закипає при +80 °С. Холодоагент у теплонасосі має ту ж тенденцію - його температура кипіння змінюється при зміні тиску. Точка кипіння холодоагенту низька, приблизно - 40 °С при атмосферному тиску, тому може використовуватися навіть із низькотемпературним тепловим джерелом.

       Найбільша перспектива використання теплових насосів полягає у використанні їх у системах гарячого водопостачання (ГВП) будинків. Відомо, що в річному циклі на ГВП витрачається приблизно стільки ж тепла, як і на опалення будинків. Джерелом низкопотенциальной теплової енергії може бути тепло як природного, так і штучного походження. Як природні джерела низкопотенциального тепла можуть бути використані:

       • тепло землі (тепло ґрунту);

       • підземні води (ґрунтові, артезіанські, термальні);

       • зовнішнє повітря.

       Як  штучні джерела низкопотенциального  тепла можуть виступати:

       • вентиляційне повітря, що видаляє каналізаційні стоки (стічні води) та промислові викиди;

       • тепло технологічних процесів;

       • побутові тепловиділення.

       Таким чином, існують більші потенційні можливості використання енергії навколо нас, і тепловий насос представляється  найбільш удалим шляхом реалізації цього  потенціалу.

       Раніше  тепловий насос використався в першу чергу для кондиціонування (охолодження) повітря. Система була здатна також забезпечити певну опалювальну потужність, у більшому або меншому ступені задовольняючої потреби в теплі в зимовий період. Однак характеристики цього встаткування стрімко міняються: зараз у багатьох країнах Європи теплові насоси використаються в опаленні й ГВП. Таке положення пов'язане з пошуком екологічних рішень: замість традиційного використання палива - використання альтернативних джерел енергії, наприклад, сонячної. Для масового споживача одним з найбільш кращих варіантів використання нетрадиційних джерел енергії є використання низкопотенциального тепла за допомогою теплових насосів.

       Існують різні варіанти класифікації теплових насосів. Обмежимося розподілом систем по їхніх оперативних функціях на дві основних категорії:

       • теплові насоси тільки для опалення та/або гарячого водопостачання, що застосовуютьсяі для забезпечення комфортної температури в приміщенні та/або підірів гарячої санітарної води;

       • інтегровані системи на основі теплових насосів, що забезпечують опалення приміщень, охолодження, підігрів гарячої санітарної води та іноді утилізацію повітря, що відводить. Підігрів води може здійснюватися або відбором тепла перегріву подаваного газу з компресора, або комбінацією відбору тепла перегріву й використання регенерованого тепла конденсатора.

       Теплові насоси, призначені винятково для  підігріва гарячої санітарної води, найчастіше як джерело тепла використають повітря середовища, але так само можуть використати й відводить воздух.

       Слід  зазначити, що поступово збільшується пропозиція теплових насосів класу  реверсивні "повітря-вода", що поставляють найчастіше в комплекті з розширювальним баком і насосним агрегатом. По окремому замовленню поставляється накопичувальний резервуар. Такі насоси можна урізати безпосередньо в існуючі водопровідні системи.

       Світовий  ринок теплових насосів,  як показує недавнє дослідження авторитетної Британської Асоціації Маркетингових Досліджень й Інформації в області Будівництва BSRIA, розвивається надзвичайно швидкими темпами. Європейське й національне законодавство, що сприяє використанню поновлюваних джерел енергії, у сполученні з нормами по энергоэффективным будинках і фінансових стимулах, залишаються в цей час основною рушійною силою розвитку ринку теплових насосів.

       Ріст  ринку теплових насосів відбувається на тлі млявого або навіть негативного  розвитку сегмента традиційних опалювальних систем, таких як бойлери. Один тільки французький ринок теплових насосів  збільшився в 2007 році на 30%, основним стимулятором, при цьому, виявилися надзвичайно щедрі податкові кредити.

       В 2007 році, глобальний ринок теплових насосів досяг оцінки приблизно 477,000 реалізованих систем, причому ринкова  частка Китаю нараховує 24.8% від цієї кількості. Разом із Францією, Швецією й Німеччиною, ці країни втримують вражаючі 82% загального обсягу глобального ринку теплових насосів.

       У цілому, теплові насоси типу ґрунт-вода й вода-вода домінують на світовому  ринку цих систем. Пристрою типу повітря-вода мають у своєму розпорядженні найбільшу ринкову частку у Франції, Японії, Швейцарії й Норвегії. Незважаючи на перевагу теплових насосів типу ґрунт-вода й вода-вода в Німеччині, ринковий ріст у цій країні фактично відбувся завдяки системам повітря-вода, частка яких збільшилася на 16%, у той час як продажу пристроїв типу ґрунт-вода й вода-вода знизилися на 6%.

       Теплові насоси типу внутрішній повітря-вода з  убудованими водонагрівачами продовжують  залишатися порівняно невеликим  ринком; вони втримують найбільшу  об'ємну частку в Китаєві з 64,400 пристроями, проданими в 2007 році. Малі побутові системи потужністю менш 5 квт є найбільш популярним типом у даному сегменті. У порівнянні з іншими водонагрівачами, високі ціни й низький рівень споживчої поінформованості перешкоджають тепловим насосам типу внутрішній повітря-вода відійти від чого завгодно, тільки не ринкової ніші в Китаєві. У Словенії даний тип систем користується перевагою перед тепловими насосами типу ґрунт-вода, вода-вода або повітря-вода.

       Незважаючи  на двозначний показник росту в 2006 році, німецький ринок теплових насосів згодом зареєстрував лише незначне збільшення в районі 1.5%. Однак, з моменту різкого зниження, на 25%, в 2007 році ринку традиційних генераторів тепла, таких як газові, мазутні й твердотопливные бойлери, теплові насоси продовжують збільшувати свою ринкову частку на сумарно, що погіршується ринку, і обіцяють продемонструвати істотний приріст на рівні 9-10% в 2008 році.

       На  хвилі постійно зростаючої популярності, деякі нові гравці зі світовим ім'ям вийшли на опалювальний ринок, у той час як колись, у багатьох країнах теплові насоси пропонувалися в основному спеціалізованими компаніями. У Німеччині, наприклад, багато великі кондиционерные постачальників почали пропонувати теплові насоси з инверторным управлінням типу повітря-вода для обігріву приміщень і підготовки побутової гарячої води.

       Невеликий британський ринок теплових насосів  значно підріс, продажу склали близько 3,000 систем в 2007 році. Основною причиною росту вважається збільшення цін  на енергоносії. Теплові насоси із ґрунтовим або водяним джерелом теплоти продовжують лідирувати на глобальному ринку, оскільки підтримуються державними субсидіями, - на відміну від теплових насосів типу повітря-вода, уперше схвалених до ?900 дотації з початку останнього кварталу 2008 року.

       Швейцарія підтримує свою позицію одного з  найбільш розвинених ринків теплових насосів у Європі з високим  ступенем проникнення, що демонструє - починаючи з 1990-х років - стабільне  збільшення із середнім річним приростом 13%.

       BSRIA прогнозує: період 2008-2010 року стане свідком стійкого росту й поширення технологій на поновлюваних джерелах енергії, особливо в Західній Європі, Японії й Китаєві. У той час як недолік або дорожнеча енергії переростає в серйозну проблему в деяких країнах, інші фактори - наприклад, зміни будівельних норм, а також законодавство, спрямоване на зниження рівня парникових газів, - будуть грати надзвичайно важливу роль у зсуві пріоритетів убік впровадження энергоэффективных рішень, як у житловому, так й у комерційному секторі. І хоча фінансові субсидії залишаються доступними лише в окремих країнах, дані міри все-таки підтвердили свою високу ефективність у просуванні й зміцненні технологій на поновлюваних джерелах енергії. Досить сказати, що у Франції, податкові кредити в 50% привели до поставок теплових насосів абсолютно всіма виробниками бойлерів і систем кондиціонування повітря. Однак у майбутньому, постачальники, імовірно, зштовхнуться із проблемою постійно змінюються технічних й юридичних вимог, перш ніж їхня продукція стане доступної до реалізації або схваленої для дотацій.

       Через можливе збереження цін на викопні  енергоносії на досить високому рівні  в найближчі роки, все більше число  країн на всіх континентах демонструють стійкий інтерес до проектів виробництва електроенергії на основі комбінації поновлюваних джерел. Тоді як проекти на базі ветродвигателей залучають найбільший рівень фінансування - поряд із сонячно-тепловими генераторами, а також станціями комбінованого циклу на біомасі, - наміру по модернізації або впровадженню нових атомних електростанцій розглядаються багатьма урядами як спосіб забезпечення енергетичної безпеки в майбутньому.

       У глобальних показниках, продажу монтажним  організаціям є провідним каналом  дистрибуції, за якими ідуть оптові продавці. У Нідерландах, реалізація встаткування інсталяторам становлять 84% ринку. На японському ринку переважають прямі продажі кінцевому споживачеві через торговельні підприємства роздрібного продажу. Побутовий сектор нового будівництва є основним рушійним фактором світового ринку теплових насосів; однак уперше монтажний сектор задає тон на японському ринку й займає міцне друге місце на норвезькому. Теплові насоси в побутових додатках використаються в основному для опалення приміщень. На відміну від цього, у Японії, Китаєві, Словенії й США, теплові насоси переважно застосовуються тільки для підігріву гарячої води.

       За прогнозами Всесвітньої енергетичної агенції до 2020 року 75% теплопостачання (в тому числі в комунальному теплопостачанні) в розвинених країнах здійснюватиметься за допомогою теплових насосів. 
 
 

2. Джерела теплової енергії 
 

       Тепловий  насос призначений для використання енергії, що одержується від джерела тепла низької температури. Теплові, енергетичні й економічні характеристики теплових насосів тісно взаємозалежні з характеристиками джерел, з яких насоси беруть тепло. Ідеальне джерело тепла повино давати стабільну високу температуру протягом опалювального сезону, не бути корозійним і забруднюючим, мати сприятливі теплофизізичні характеристики, не вимагати істотних інвестицій і витрат по обслуговуванню. У більшості випадків наявне джерело тепла є ключовим чинником, що визначає експлуатаційні характеристики теплового насоса.

       Як  джерела тепла в невеликих  системах на базі теплових насосів  широко використаються зовнішнє та відводиме повітря, ґрунт і підґрунтова вода; також для систем великої потужності застосовуються морська, озерна й річкова вода, геотермичічні джерела й ґрунтові води.

       Зовнішнє повітря, що є зовсім безкоштовним і загальнодоступним, є найбільш прийнятним джерелом тепла. Проте теплові насоси, що застосовують саме повітря, мають фактор сезонного навантаження (SPF) у середньому нижче на 10-30% у порівнянні з водяними тепловими насосами. Це пояснюється наступними причинами:

       • швидким зниженням потужності й продуктивності з падінням зовнішньої температури;

       • щодо великою різницею температур конденсації  й випари в період мінімальних  зимових температур, що в цілому знижує ефективність процесу;

       • енерговитратами на розморожування випарної батареї й функціонування відповідних вентиляторів.

       В умовах теплого та вологого клімату на поверхні випарника в діапазоні від 0 до 6 °С утвориться іній, що веде до зменшення потужності й продуктивності теплового насоса. Іній зменшує площу вільної поверхні та перешкоджає проходженню повітря. Як наслідок, знижується температура випару, що, у свою чергу, сприяє наростанню інею й подальшому неухильному зниженню продуктивності аж до можливої повної зупинки агрегату внаслідок спрацьовування контрольного датчика низького тиску, якщо своєчасно не буде усунуте зледеніння.

       Розморожування батареї здійснюється шляхом інверсії охолоджувального циклу або іншими, хоча й менш ефективними способами.

       Енергоспоживання  має тенденцію до росту. Загальний  коефіцієнт продуктивності насосу скорочується зі збільшенням частоти розморожування. Застосування спеціальної системи контролю, що забезпечує розморожування на вимогу (тобто коли воно фактично необхідно), а не періодичне, може істотно підвищити загальну ефективність.

       Ще  одне джерело тепла в житлових і торгово-адміністративних спорудженнях - вентиляційне повітря, що відводить. Тепловий насос регенерує тепло з повітря, що відводить, і забезпечує підігрів гарячої води або теплого повітря для опалення приміщень. У цьому випадку, однак, потрібне постійне вентилювання протягом усього опалювального сезону або навіть цілого року, якщо передбачено кондиціонування приміщень у літній період. Існують апарати, у яких конструктивно споконвічно закладена можливість використання та відводи і вентиляційного, і зовнішнього повітря. У деяких випадках теплові насоси, що застосовують повітря, що відводить, використаються в комбінації з рекуператорами "повітря-повітря".

       Повітря як універсальний теплоносій використається в більших установках круглорічного кондиціонування. Він має низькі значення коефіцієнтів тепловіддачі, тому для зменшення поверхні випарника доводиться знижувати температуру кипіння робочого тіла, внаслідок цього зменшується ступінь досконалості теплонаносной установки. Дані випробування таких установок, що використають повітря як джерело тепла, свідчать про те, що середній коефіцієнт m за опалювальний сезон не перевищує 2 - 2,5. У періоди пік, тобто при епізодично низьких температурах зовнішнього повітря, включають запасні електронагрівники. Найкращим методом боротьби з інеєм є його автоматичне відтавання, проведене періодично.

       Найбільш  доцільне застосування відходів теплої води промислових підприємств, у  тому числі циркуляційної води теплових електростанцій та ін. Крім того, використають також природні гарячі джерела в курортних місцевостях.

       Внаслідок більших витрат використання в процесі питної води неекономічне. Однак водні джерела з порівняно глибоких шарів ґрунту, що мають температуру близьку до середньорічної, забезпечують більш високий коефіцієнт перетворення m у порівнянні з повітрям.

       Підґрунтові води є в багатьох місцях, вони мають досить стабільну температуру в діапазоні від 4 до 10 °С. Для використання води як джерела тепла застосовуються, головним чином, відкриті системи: підґрунтова вода відкачивуєтся й подається на теплообмінник системного агрегату, де у води відбирається частина тепла. Вода, охолоджена таким чином, подаєтся далі в зливальний колодязь або йде в поверхневі води. Відкриті системи вимагають самого ретельного проектування з метою запобігання проблем із замерзанням, корозією та нагромадженням відкладень.

       Більшим недоліком теплових насосів, що працюють на підґрунтових водах, є висока вартість робіт з монтажу водозабору. Крім того, варто враховувати вимоги, часом досить суворих, місцевих адміністрацій у питаннях організації стічних вод.

       Річкова й озерна вода з теоретичної точки  зору представляється досить привабливим  джерелом тепла, але має один істотний недолік - надзвичайно низьку температуру  в зимовий період (вона може наближатися  до 0 °С). Якщо використовуються вода рік, озер і морів, то в зимовий період вона може замерзати на стінках випарника. Із цієї причини потрібне особлива увага при проектуванні системи з метою запобігання заморожування випарника.

       Морська вода в деяких випадках є відмінним джерелом тепла й використовується в основному в середніх і великих системах. На глибині від 25 до 50 м морська вода має постійну температуру в діапазоні від 5 до 8 °С. І, як правило, проблем з утворенням льоду не виникає, оскільки точка замерзання тут від -2 до -10 °С. Є можливість використати як системи прямого розширення, так і системи з розсолом. Важливо лише використати теплообмінники та насосні агрегати, стійкі до впливу корозії, і запобігати нагромадженням відкладень органічного характеру у водозабірному трубопроводі, теплообмінниках, випарниках та ін.

       Ґрунтовим водам властива відносно висока й  стабільна протягом року температура. Основні обмеження тут може становити відстань транспортування і фактичні ресурси, обсяг яких може мінятися. Прикладами можливих джерел тепла в даній категорії носіїв можна вважати ґрунтові води на каналізаційних ділянках (очисні та інші водостоки), промислові водостоки, водостоки ділянок охолодження промислових конденсаторів або виробництва електроенергії.

       Найближчі водоймища - ідеальне джерело тепла для теплового насосу. При використанні як джерела тепла води озера або ріки контур укладається на дно. Цей варіант є ідеальним з будь-якого погляду - «висока» температура навколишнього середовища (температура води у водоймищі взимку завжди плюсова), короткий зовнішній контур, високий коефіцієнт перетворення енергії тепловим насосом.

       На 1 метр трубопроводу доводиться орієнтовно 30 Вт теплової потужності.Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 квт необхідно  укласти в озеро контур довгої 300 метрів.

       Для того, щоб трубопровід не вспливав, необхідно встановити близько 5 кг вантажу на 1 погоний метр трубопроводу.

       Ґрунт застосовують як природне джерело тепла  для зимового опалення й літнього кондиціонування. Змійовики випарника  закладають у ґрунт, причому вигідно використають його зонну здатність, що акумулює. За практичним даними, коефіцієнт m становить від 2,2 до 3,2 залежно від зовнішніх умов. Величини теплопередачі в ґрунті головним чином залежать від його вологості.

       Теплові насоси, що використають ґрунт як джерело тепла, застосовуються для обслуговування житлових і торгово-адміністративних споруджень. Ґрунт, як і підґрунтові води, має велику перевагу - відносно стабільну протягом року температуру. Тепло відбирається по трубах, покладеним у землю горизонтально або вертикально (спиралеобразно). Можуть використатися:

• системи прямого розширення з охолодною рідиною, що випаровується в міру циркуляції в контурі трубопроводу, заглубленного в ґрунт;
• системи з ропною рідиною, прокачиваемой по трубопроводу, заглубленному в ґрунт.

       У цілому теплові насоси ропного типу мають більше низьку продуктивність у порівнянні з агрегатами першого  типу в силу происходящего в них "подвійного" теплообміну (ґрунт - розсол, розсол - холодоагент) і енерговитрат на забезпечення роботи циркуляції розсолу, хоча обслуговувати такі системи істотно простіше.

       Теплова ємність ґрунту варіюється залежно  від його вологості й загальних  кліматичних умов конкретної місцевості. У силу виробленого відбору тепла  під час опалювального сезону його температура знижується.

       В умовах холодного клімату більша частина енергії витягається  у формі латентного тепла, коли ґрунт  промерзає. У літній період під дією сонця температура ґрунту знову  піднімається, і з'являється можливість повернутися до первісних умов. Діючі по такому принципі теплові насоси звичайно називають геотермичними, що по суті своєї невірно, оскільки тут не задіяне радіогенне тепло землі, що втримується в глибинних скельних породах.

       Геотермичними (скельними) джерелами можна користуватися в регіонах, де підґрунтових вод чи мало зовсім. Тоді потрібно пробурити колодязі глибиною від 100 до 200 м. У випадку якщо потрібно забезпечити високу теплову потужність, колодязі буряться під певним нахилом таким чином, щоб добратися й упертися у великий скельний масив. Для таких теплових насосів також застосовується ропна рідина й пластмасовий зварений трубопровід, що витягає тепло зі скелі. У деяких системах скельна порода використається для акумулювання тепла або охолодної енергії. У силу високої вартості бурових робіт скельні породи для обслуговування житлового сектора застосовуються досить рідко.

       При використанні як джерело тепла скелястої породи трубопровід опускається в шпару. Можна пробурити деяку кількість не глибоких шпар - це, можливо, обійдеться дешевше, ніж одна глибока. Головне - одержати загальну розрахункову глибину.

       Для попередніх розрахунків використається наступне співвідношення - 50-60 Вт теплової енергії на 1 метр шпари. Тобто, для  установки теплового насоса продуктивністю 10 квт необхідна шпара глибиною 170 метрів.

       Також в якості джерела  тепла використовують земляний контур. При укладанні контуру в землю бажано використати ділянку з вологим ґрунтом, найкраще із близькими ґрунтовими водами. Використання сухого ґрунту теж можливо, але це приводить до збільшення довжини контуру. Трубопровід повинен бути заритий на глибину приблизно 1 м, відстань між сусідніми трубопроводами  - приблизно 0.8-1.0 м.

       Питома теплова міцність трубопроводу, покладеного в землю трубопроводу - 20-30 Вт/м. Тобто для установки теплового насоса продуктивністю 10 квт досить 350-450 м теплового контуру, для чого вистачить ділянки 20х20 кв.м.

       Спеціальної підготовки ґрунту не потрібно, впливу на рослини трубопровід при правильному  розрахунку не робить. 
 

3.Дослідження роботи теплового насосу 

3.1.Дослідження  роботи теплового  насосу, що використовує  теплоту грунту  та каналізаційні  стоки 

       Темі  використання теплових насосів для  теплопостачання будинків присвячується  все більша кількість статей у  технічних виданнях, але вони присвячені, головним чином, пропаганді цього напрямку. Наукові дослідження в цій області в нас не проводяться, а закордонні фірми, що прикладають чимало зусиль для того, щоб переконати вітчизняних клієнтів у привабливості теплових насосів, не утруждают себе поширенням наукової інформації про фізичні характеристики тих або інших деталей теплонасосных систем теплопостачання. Повна відсутність вітчизняного досвіду в сфері застосування теплових насосів не залишало нам ніяких надій на те, що такого роду інформація стане доступної широкому колу фахівців, що проявляють інтерес до цієї теми.

       Коли  в 2006 році була виготовлена по розробленій  у Центрі енергозбереження Київ знііеп конструктивній схемі досвідчена установка з тепловим насосом, що використає теплоту каналізаційних стоків житлового будинку й теплоту ґрунту, з'явилася можливість одержати досвідченим шляхом деякі фізичні характеристики цієї установки. Протягом напівроку збиралися дані вимірів різних параметрів, і тепер можна реально побачити багато чого з того, про що колись можна було затверджувати тільки приблизно.