Строительство и архитектура 5. Теплогазоснабжение и вентиляция

Баканова С. В., Димитриев Д.Н.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Россия

Применение тепловых насосов как элемента энергоэффективных

систем отопления

В настоящее время отопительные системы с применением тепловых насосов пользуются огромным спросом. Причиной этого являются рост цен на газ, поэтому пользователи находятся в постоянном поиске альтернативных источников энергии. В тепловых насосах используются бесплатные природные энергоносители, вследствие чего происходит значительное сокращение затрат на обеспечение теплом. Для работы современных тепловых насосов требуется всего лишь электроэнергия для электродвигателя компрессора.

Принцип действия тепловых насосов заключается в перемещении тепла от природных источников и последующем концентрировании, а не в его выработке. Для получения 1 кВт тепловой энергии при помощи теплового насоса нужно затратить около 200-250 Вт электрической энергии. Таким образом, можно примерно рассчитать, что для отопления и обеспечения потребителей горячей водой в помещении площадью 100 метров квадратных нужно установить тепловой насос мощностью 2,5 кВт.

Широкое распространение получили тепловые насосы, извлекающие энергию непосредственно из земли. В данной схеме используются коллекторы и зонды. В том случае если участок земли небольшой, самым практичным вариантом будет использование геотермальных зондов по которых циркулирует теплоноситель, они устанавливаются в вертикальные скважины. На участке значительных размеров устанавливаются геотермальные коллекторы, выполненные в виде горизонтальной системы трубопроводов, которые должны прокладываться ниже отметки уровня промерзания грунта.

Другой разновидностью тепловых насосов являются насосы, которые в качестве источника энергии используют наружный воздух. Такие тепловые насосы обладают недостатком — при больших морозах эффективность таких установок резко падает.

Наиболее эффективными являются тепловые насосы, которые извлекают энергию из водоемов. Трубопроводы таких установок собираются, а потом осторожно погружаются на середину водоема. При устройстве таких систем уменьшается количество земляных работ. Наличие водоема в непосредственной близости возле дома является единственной проблемой, которая возникает при применении таких тепловых насосов.

Поскольку работой теплового насоса управляет автоматика, он очень надёжен. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, так как все необходимые при этом действия не требуют какой-либо профессиональной подготовки. Существует несколько вариантов применения тепловых насосов. Одним из возможных может стать его комбинирование с существующими системами централизованного теплоснабжения. К потребителю в этом случае может подаваться относительно холодная вода, тепло которой преобразуется тепловым насосом в тепло с потенциалом, достаточным для отопления. Но при этом вследствие меньшей температуры теплоносителя потери на пути к потребителю могут быть существенно уменьшены. К тому же, при использовании тепловых насосов значительно снижается износ труб и радиаторов системы центрального отопления, так как холодная вода обладает меньшей коррозионной активностью, чем горячая.

Плюсы и минусы применения тепловых насосов. Использование газовых тепловых насосов для обогрева помещений гораздо эффективнее (по расходу энергоносителя), чем газовых котлов: при одинаковой теплопроизводительности потребление газа в тепловом насосе в 3—5 раз меньше, чем в газовом котле. А электрическому тепловому насосу для выработки 1 кВт/ч тепловой энергии необходимо затратить всею 0.2-0.35 кВт/ч электроэнергии (для работы компрессора). Так как преобразование тепловой энергии топлива в электрическую на крупных электростанциях происходит с КПД до 50 % эффективность использования горючего при применении тепловых насосов повышается. При этом упрощаются требования к системам вентиляции помещений теплоэлектроцентрали и повышается уровень их пожарной безопасности. К тому же все системы генерации тепла функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования. Следующим преимуществом тепловых насосов является возможность его переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: для этого к внешнему коллектору вместо радиаторов подключаются фанкойлы.

Экономичность и экологичность — основные принципы, используемые в технологии разработки и производства систем тепловых насосов. Для них характерны высокая эффективность нагрева воды для отопления и горячего водоснабжения. Среди новейших разработок есть применение конструкции роторного компрессора с двухступенчатым сжатием, использующего в качестве источника тепловой энергии природный газ — двуокись углерода (СО2). Благодаря данной инновации, эта система экологически безопасна и требует значительно меньших затрат на эксплуатацию, чем те системы, которые  работают с другими распространёнными на сей день газами. Тепловые насосы системы СО2 ЕСО вырабатывают тепловую энергию, полученную в процессе сжатия СО2, являющегося нетоксичным природным химическим соединением с нулевым потенциалом разрушения озонового слоя атмосферы.

Благодаря высокоэффективности тепловых насосов конструкции системы СО2 ЕСО достигается высокий уровень энергосбережения: коэффициент мощность для этой системы равен 3.75, в то время как для электрических нагревателей, работающих при нормальных условиях,он равен 1.

Так же тепловые насосы широко используют в промышленных целях. Промышленный тепловой насос - это оборудование, предназначением которого является перенос тепловой энергии от источника тепла к потребителю тепла в больших масштабах. Такие установки можно применять как для отопления, так и для охлаждения производственных помещений.

При проектировании теплового насоса необходимо учитывать много критериев и выбрать необходимый источник тепловой энергии, при необходимости применяется комбинированная схема из нескольких разновидностей. Важными параметрами при разработке теплового насоса являются степень доступности, накопительная способность и температурный уровень среды. Количество инвестиций и возможные расходы на технические обслуживания также учитываются при разработке проекта.

При разработке систем отопления для различных объектов могут применяться промышленные тепловые насосы как в качестве дополнительного, так и основного источника тепловой энергии. При проектировании учитываются все параметры и выбирается один тепловой насос значительной мощности, который разрабатывается индивидуально или заводское оборудование серийного производства средней и маленькой мощности объединенное в каскад.

Тепловые промышленные насосы имеют относительно высокий процент эффективности, который зависит от многих факторов. Одним из которых является площадь помещения, которая должна составлять не менее 280 квадратных метров. Также немаловажным критерием является период окупаемости оборудования.

При выполнении монтажа промышленного теплового насоса характерной составляющей является сложность устройства системы и поэтому монтажные работы выполняют специалисты высокой квалификации, имеющие узкоспециализированные знания.