о компании услуги оборудование альтернативных источников энергии портфолио контакты
на главную страницу ООО Светоч карта сайта написать сообщение

Himin Solar Компания "Свет-ДВ" является партнером и единственным в России официальным представителем Himin Solar - крупнейшего производителя солнечного оборудования в мире. Продукция Himin Solar отличается очень высоким качеством, подтвержденными международными сертификатами и высокой репутацией на рынке.

Примэкоэнерго, экоаудит, энергоаудит, экологическая документация для предприятий

 

Специальный выпуск газеты "Свежий ветер Приморья", посвященный вопросам энергоэффективности и альтернативным источникам энергии: обзоры преимуществ и проблем солнечных и ветряных систем, солнечного отопления, материалы по энергоаудиту и т.д.

Специальный выпуск газеты "Свежий ветер Приморья", посвященный вопросам энергоэффективности и альтернативным источникам энергии: солнечные и ветряные системы, ресурсосбережение, энергоаудит, солнечное отопление...

ДВФЭЗ

При поддержке Дальневосточного фонда экологического здоровья

 

Loading

Тепловые насосы

Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой.

тепловой насос 20 кВт SmartheatОчень часто для объяснения принципа работы теплового насоса употребляют выражение "холодильник наоборот". Действительно в тепловом насосе, холодильнике и кондиционере используются одинаковые принципы работы. Законы термодинамики позволяют забирать тепловую энергию в одном месте и передавать в другое. За счет этого в одном месте будет тепло, а в другом холодно. Например, бытовой холодильник для теплообмена использует воздух помещения, в котором находится. Поэтому сзади каждого холодильника есть специальный радиатор со многими трубочками, который служит для рассеивания избыточного тепла. В результате в камере холодильника мороз, а за холодильником тепло. Обычный кондиционер для теплообмена тоже использует воздух, забирая тепло из помещения и передавая его на улицу. Тепловой насос работает также, только забирает снаружи тепло и передает его в дом.

Даже внешне главный агрегат теплового насоса похож на холодильник - коробка в которой содержится компрессор, испаритель, хладагент и т.д.

История тепловых насосов

Основные принципы работы тепловых насосов и кондиционеров были изложены лордом Кельвиным в опубликованной 1852 году статье "Об экономии на обогреве и охлаждении зданий посредством потоков воздуха". Однако на практике эти идеи долго не были реализованы. Только в начале ХХ века стали появляться и позже нашли массовое применение прототипы современных холодильников и кондиционеров. Прямым следствием этого развития стало и появление тепловых насосов как приборов, работающих наоборот - для получения тепла, а не холода.

В 1940х годах американский изобретатель Роберт Веббер обратил внимание на то как сильно нагревается радиатор морозильной камеры. Веббер попросту обжегся, случайно прикоснувшись к радиатору рукой. Рационализаторская мысль заработала и преобразованный радиатор был помещен в бак с водой, чтобы ее нагревать. В результате в домашнем хозяйстве появился избыток горячей воды. Веббер пошел дальше и, применив вентилятор для обдува радиатора, на практике достиг эффекта нагрева воздуха в помещении. В итоге изобретатель собрал конструкцию, которая использовала схожие с морозильной камерой агрегаты и охлаждала большой подземный теплооменный контур и трубок с теплообменной жидкостью, а нагревала дом. Так появился первый геотермальный тепловой насос. Опыт был столь успешен, что Веббер на следующий год демонтировал свой прежний котел, работавший на угле.

В итоге идея получила свое коммерческое воплощение и было налажено массовое произоводство тепловых насосов, которые стали популярны сначала в США, а потом в Европе. В настоящее время в мире установлено более двух миллионов тепловых насосов для использования в отоплении, горячем водонснабжении и кондиционировании. Лидерами в использовании геотермальных тепловых насосов являются: США, Швеция, Китай и Германия.

Как работает тепловой насос?

Принцип работы теплового насоса основан на базовых физических явлениях:

Ниже представлена схема, где показаны основные компоненты теплового насоса - испаритель, конденсер, компрессор и контур, по которому прогоняется хладагент. Соответственно можно получать с одной стороны тепло, а с другой холод.

схема работы теплового насоса

Со стороны обогрева подключаются системы отопления или горячего водоснабжения. Также обогрев может использоваться для сброса энергии, когда система работает в режиме кондиционирования. Для этого к обогреву подключается теплообменный контур с внешней средой: воздухом, водой или грунтом в зависимости от типа теплового насоса

Со стороны охлаждения подключается система для кондиционирования, а также теплообменный контур со средой - источником энергии: воздухом, водой или грунтом.

Большинство современных тепловых насосов работают как на отопление так и на охлаждение, по необходимости. Поэтому в них обычно встраивается возможность переключения контуров теплообмена то на охлаждение, то на обогрев.

Для работы агрегатов теплового насоса используется электрическая энергия. Также электричество требуется для обеспечения работы теплообменных контуров (прокачки теплоносителя, обдува и т. п.). Каждый тепловой насос характеризуется мощностью потребляемой электроэнергии и количеством производимой тепловой энергии или охлаждения. Соотношение величины вырабатываемой (отбираемой) тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициент трансформации (coefficient of performance - COP). Эта величина характеризует эффективность теплового насоса и зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эффективность. По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество источника низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом деле, при этом растёт эффективность теплового насоса, поскольку при слабом охлаждении источника тепла не происходит значительного роста разницы температур.

Например, коэффициент трансформации = 4. Это значит, что на 1 кВт затраченой электроэнергии тепловой насос обеспечит 4 кВт тепловой энергии. Для сравнения - обычный электронагреватель на 1 кВт затрачиваемой электроэнергии производит 1 кВт тепловой.

Эффективность работы теплового насоса и коэффициент трансформации (COP) - величина непостоянная. Например, когда воздушный тепловой насос использует в качестве тепла воздух с температурой +5 и дает для отопления воздух в помещении +35, то разница составит 30 градусов и коэффициент COP будет = 3. Если температура воздуха на улице будет -5, то разница температур составит 40 градусов и значение COP, например, до 2. Чем ниже температура исходной среды и чем выше требуемая температура нагрева, тем меньше будет эффективность насоса.

 

Виды тепловых насосов

Тепловые насосы различаются главным образом по среде с которой осуществляется теплообмен: воздух, вода, грунт.

схема работы воздушного теплового насосаВоздушные тепловые насосы

Воздушные тепловые насосы выглядят и работают как обычные воздушные кондиционеры. Уже в 1950х годах воздушные кондиционеры стали снабжать функцией обогрева. Так что сейчас большинство продаваемых бытовых кондиционеров - это воздушные тепловые насосы, которые используют воздух как теплообменную среду для получения или сброса энергии. Температура воздуха очень сильно меняется от сезона к сезону и даже в течение суток, поэтому и эффективность воздушного теплового насоса силь

Можно ли их использовать в России для отопления? На практике это неэффективно. С понижением температуры воздуха значение коэффициента трансформации снижается, поэтому зимой при -20 и ниже от воздушные тепловые насосы преимущества перед обычными электрическими котлами. Производители заявляют, что воздушные тепловые насосы можно использовать при температурах воздуха до -20 или -25, но на практике эффективность хорошая, если температура воздуха опускается не ниже -5 или -10 градусов. То есть это применимо для более теплых стран. В большинстве регионов России воздушные тепловые насосы можно использовать для отопления осенью и весной, а зимой разве что в Краснодарском крае.

воздушный тепловой насосНедостатки воздушных тепловых насосов:

Преимущества:

 

 

схема работы водяного теплового насосаВодяные тепловые насосы

Водяные тепловые насосы в качестве теплообменной среды используют воду. Источником может служить незамерзающий водоем или грунтовые воды. Водяные тепловые насосы отличаются более высокой эффективностью для охлаждения, по сравнению с воздушными насосами, поскольку температура воды (особенно на глубине) гораздо меньше изменяется от сезона к сезону.

Например в Стокгольме (Швеция) большинство зданий используют кондиционирование и отопление от большой централизованной теплонасосной станции, где в качестве теплообменной среды используется морская вода. Мощность тепловых насосов этой станции - свыше 150 мегаватт на охлаждение и 275 мегаватт на отопление. Среднее значение коэффициента трансформации (COP) в 2010 году составило 6,9. Для сравнения - у воздушных насосов значение COP 3 считается хорошим. То есть водяные тепловые насосы как правило в два раза эффективнее воздушных и затрачивают в два-три раза меньше электроэнергии для обеспечения аналогичного объема охлаждения (отопления).

водяной тепловой насос SmartheatПомимо морской воды для теплообмена можно использовать воду глубокого озера. Например, такая станция работает в Торонто (Канада) и использует воду озера Онтарио. Но чаще всего водяные тепловые насосы используют грунтовые воды, которые есть практически везде, стоит только пробурить скважину достаточной глубины.

Водяные тепловые насосы успешно используются для отопления больших объектов - крупных зданий, поселков или целых городов, поскольку большой объем воды и ее практически постоянная температура обеспечивают огромные возможности для получения тепловой энергии. Основная сложность в эксплуатации водяного теплового насоса - контроль за температурой поступающей и выводимой воды, а также температуры на выходе, чтобы не допустить перемерзания системы. Это еще одна причина почему водяные тепловые насосы чаще всего применяются для больших объектов.

Недостатки водяных тепловых насосов:

Преимущества:

 

 

Геотермальные тепловые насосы

схема работы геотермального (грунтового) теплового насосаНаиболее распространенным типом для использования в частном секторе являются геотермальные (грунтовые) тепловые насосы, которые в качестве теплообменной среды используют почву и глубинные породы. По эффективности они соответствуют водяным тепловым насосам и на практике многие модели могут использовать не только грунт, но и воду в качестве теплообменной среды.

В качестве теплообменника закладывается большой подземный коллектор из длинных труб. Трубы обычно изготавливаются из специального пластика, реже используется медь и другие материалы. По трубам подземного коллектора прогоняется незамерзающий теплоноситель, поэтому у такой системы нет риска перемерзнуть и получить повреждение. Большинство геотермальных тепловых насосов работают автоматически и не требуют специального контроля.

Есть два основных варианта закладки подземного коллектора. Первый - горизонтальный. Трубы закапываются в траншеи или котлован ниже уровня замерзания почвы на 1-2 метра и засыпаются сверху слоем почвы. Это более дешевый способ, распространенный, например, в Германии. В России горизонтальный тип подземного коллектора применим, но во многих регионах глубина промерзания более 1 метра, поэтому требуется закапывать трубы на большую глубину, что ведет к удорожанию проекта. Для горизонтального способа также нужна достаточная площадь земли. Поверх контура подземного коллектора нельзя сажать деревья, поскольку их корни могут повредить систему.

Другой способ - бурение вертикальных скважин глубиной 50-150 м. Стоимость бурения и закладки труб с бетонированием обычно превышает стоимость самого теплового насоса. Но этот метод имеет ряд преимуществ. Для скважин не требуется большая площадь земельного участка, а температура на большой глубине меньше зависит от времени года и промерзания сверху, поэтому эффективность для отопления выше, чем горизонтальных коллекторов.

Недостатки геотермальных тепловых насосов:

Преимущества :

 

Комбинированные системы с солнечными коллекторами

По сравнению с солнечными коллекторами геотермальные тепловые насосы обладают рядом преимуществ:

Но с другой стороны солнечные коллекторы по сравнению с геотермальными тепловыми насосами тоже имеют преимущества:

В оптимальной системе отопления можно просто объединить тепловой насос с солнечными коллекторами и тем самым использовать преимущества обеих систем. Тепловой насос, частично используя электроэнергию, будет обеспечивать отопление, кондиционирование, а также обеспечит сброс излишней тепловой энергии от солнечных коллекторов летом, запасая тепло в грунте для восстановления баланса и последующего использования тепла зимой для отопления. Солнечные коллекторы будут давать бесплатную горячую воду и помогать отоплению, через буферный бак повышая эффективность работы теплового насоса.

 

Подробные описания возможных систем и цены можно посмотреть здесь...