Многие годы, когда традиционное топливо (нефть, газ, дрова, электричество) имело относительно невысокую стоимость, использование тепловых насосов, за исключением редких случаев, было экономически невыгодным. Современный рост цен на энергоносители заставил производителей пересмотреть свои взгляды на этот вопрос. В настоящее время ведущие мировые компании включили в свой ассортимент несколько видов тепловых насосов и предлагают их наряду с традиционными отопительными котлами.
Преимущества
Экономическая выгода от использования теплового насоса очевидна: его использование позволяет сократить затраты на отопление здания, нагрев воды и кондиционирование в 3–6 раз. Первоначальные затраты на организацию внешнего контура (согласно расчетам, проведенным компанией Stiebel Eltron, для теплового насоса мощностью 13 кВт потребуется около 2,5 тыс. евро на прокладку грунтового коллектора или 10 тыс. евро на бурение скважины для грунтового зонда), а также высокая стоимость оборудования (по сравнению с традиционными котлами) окупаются через 5–8 лет — причем срок службы самого теплонасоса, по утверждению производителей, составляет не менее 20–25 лет.
В среднем стоимость насоса и монтажа системы составляет 300–1200 евро/кВт необходимой мощности отопления. К этому стоит также добавить необходимость согласования газового/дизельного котла в различных инстанциях, плата за врезку в газопровод или вкапывание топливного бака для солярки, прокладка дымохода, выделение отдельного помещения достаточного размера под котельную.
В результате электрический тепловой насос может оказаться чуть ли не дешевле котельного варианта. По крайней мере, по количеству потраченных нервов и времени уж точно! Не стоит забывать и об экологии. Во-первых, используемая тепловыми насосами энергия в основном является экологически чистой и происходит из возобновляемых источников. То есть ее использование не наносит планете вреда.
Даже в некотором смысле приносит пользу: в связи с угрозой глобального потепления, наверно, неплохо забрать некоторое количество тепла на собственные нужды и немного охладить уличный воздух. Такие рассуждения, конечно, не более чем шутка: ведь выделение внутренней энергии одного лишь водного покрова Земли (морей и океанов) при ее охлаждении всего на 1 °С привело бы к выделению 1024 Дж, что в 100 000 000 раз больше всей энергии, вырабатывающейся на земном шаре за год.
Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании солнечного излучения, также чрезвычайно велики. Использование всего лишь 0,0125 % энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5 % — полностью покрыть потребности на перспективу. Эти примеры показывают, насколько велик потенциал гелиотермальных, геотермальных, водных и прочих возобновляемых природных ресурсов.
При использовании тепловых насосов полностью снижаются до минимума выбросы парниковых газов в атмосферу. Полностью исключить их пока удается редко, ведь для работы теплонасоса все равно необходимо электричество или газ. Но прогресс не стоит на месте, производители ведут интенсивные разработки когенерационных теплонасосных установок, уже сейчас выпускаются ветряки и метатенки для выработки электроэнергии, да и гидроэлектростанции пока никто не отменял.
Строительный бум в России привел к существованию больших негазифицированных районов со слабыми электросетями и недостаточным теплоснабжением, поскольку теплосети развиваются медленнее, чем идет строительство объектов. При этом надо отдавать себе отчет, что в нынешних кризисных условиях развитие централизованных систем теплоснабжения будет ограничено из-за недостатка бюджетных средств, а существующий дисбаланс будет сохраняться.
Ожидание прокладки газопровода может затянуться на несколько лет или даже десятилетий. К тому же, не стоит забывать, что давление газа в российских сетях зачастую снижается в полтора-два раза по сравнению с европейской нормой, из-за чего импортный газовый котел может периодически отключаться. Установка же электрического котла достаточной производительности часто просто невозможна вследствие отсутствия свободной мощности в местной электросети.
Геотермальные же ресурсы, как и воздушные, распространены практически повсеместно в необходимом для отопления здания любого размера количестве. К тому же, тепловые насосы практически взрыво- и пожаробезопасны. Нет топлива, нет открытого огня, опасных газов или смесей. Взрываться здесь просто нечему, нельзя также угореть или отравиться. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов.
Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей. В сущности, тепловой насос опасен не более, чем холодильник. Тепловой насос для отопительных систем состоит из обязательных внешнего и внутреннего контуров, отбирающих тепло из окружающей среды, а также из необязательных, но удобных дополнений: буферной емкости, в которой накапливается определенный объем нагретого теплоносителя, что позволяет теплонасосу удлинить цикл работы теплового насоса и избежать дефицита тепла; и бойлера косвенного нагрева для приготовления горячей санитарной воды. Теплонасосы бывают одно и многоступенчатыми, их работой управляет гибкая погодозависимая автоматика.
Внешний контур
Установка теплонасоса, как и любого другого отопительного оборудования, требует тщательного расчета. Прежде всего, необходимо определить источник низкопотенциального тепла, наилучшим образом подходящий для конкретного здания. Это могут быть грунт (грунтовый зонд или коллектор), вода (скважина или водяной коллектор), воздух (наружный, вытяжка вентиляционных систем или непосредственно из помещения). Устройство отбора такого тепла называется внешним контуром.
Грунтовые (геотермальные) зонды
По мере углубления в землю влияние сезонных колебаний температур уменьшается и на глубине примерно 15–40 м, находится зона постоянной температуры (около +10 °С), которая поддерживается за счет поступления тепла из недр Земли. Для отбора этого тепла бурятся скважины, глубина и количество которых зависят от технических расчетов, основанных на структуре грунта в конкретной местности и от мощности отопительной установки.
После чего скважина заполняется бетонирующим составом, обеспечивающим герметичное и долговременное сопряжение зонда с окружающими породами и гарантирует хорошую теплопередачу. Сам геотермальный зонд представляет собой заполненную рассолом полиэтиленовую трубу диаметром 25–40 мм с U-образной петлей в основании, реже используется коаксиальная конструкция (труба в трубе).
По одной трубе остывший теплоноситель подается в скважину, по другой нагретый теплоноситель поднимается в испаритель внутреннего контура теплонасоса. Глубина скважины может достигать 150 м, но в некоторых регионах (например, Московская обл.) целесообразно бурение нескольких более мелких скважин (обычно до 30 м), на которые не требуется получение «Лицензии на право пользования недрами и разрешение на бурение скважины». В роли «рассола», как правило, выступает тридцатипроцентный водный раствор этиленгликоля или пропиленгликоля.
Грунтовые коллекторы
Грунтовый коллектор представляет собой длинную трубу (петлю), горизонтально уложенную под слоем грунта чуть ниже глубины промерзания или даже на глубине промерзания (от 1 до 2 м). Схема раскладки петли — змейка, спираль, лесенка и др. — определяется теплопроводностью грунта и геометрией участка. Шаг укладки выбирается в зависимости от условий, но обычно не должен быть менее 0,6 м.
Площадку, на которой уложена труба, можно использовать только под газон или однолетние цветы, кусты и деревья на ней сажать нельзя: они могут повредить трубу. Кроме того, желательно, чтобы площадка была хорошо освещена солнцем — это позволит значительно увеличить производительность коллектора. В среднем теплосъем с 1 м2 поверхности грунта составляет от 10 до 35 Вт.
Площадь коллектора во многом зависит от того, насколько грунт насыщен водоносными слоями: чем больше в почве воды, тем эффективнее работает установка. Длину трубы в одной петле стремятся ограничить (не более 600 м), иначе заметно увеличивается расход энергии на циркуляционном насосе. Если нужна большая мощность, петель делают несколько. В грунтовом коллекторе, как и в зонде, циркулирует рассол.
Скважина
Грунтовые воды имеют огромный потенциал ввиду их круглогодичной постоянной температуры около 8–10 °С. Для отъема этого тепла необходимо пробурить две неглубокие скважины: вода из подающей скважины насосом из расчета 0,25 м3/ч на 1 кВт тепловой мощности подается в испаритель теплового насоса, после чего сбрасывается в принимающую скважину. Глубина скважин обычно не превышает 15–20 м. Скважины располагают на расстоянии примерно 15 м друг от друга, строго учитывая направление течения подземных вод: всасывающая должна располагаться выше по течению.
Водяные коллекторы
В качестве источника тепла можно использовать и открытый водоем (озеро, река). Коллектор, подобный грунтовому, укладывается на дно этого водоема и придавливается грузом, чтобы не всплывал. Если водоем не промерзает полностью (что, на самом деле, большая редкость — обычно возле самого дна остается небольшой слой незамерзшей воды, в котором зимуют рыбы), температура на его дне зимой никогда не опускается ниже +4 °C. Это связано с физическими свойствами воды, которая при указанной температуре имеет наивысшую плотность, поэтому всегда находится в самом низу.
Водные коллекторы весьма эффективны в силу незначительных первоначальных затрат и высоком теплосъеме с единицы площади.
Воздушный теплообменник
Внешний контур у воздушных теплонасосов состоит, собственно, из вентилятора, нагнетающего воздух к испарителю. Вентилятор с испарителем находится на улице (сплитсистема) или на корпусе самого теплонасоса (моносистема). В последнем случае теплый воздух подается по каналам из вытяжной системы здания или через воздухозаборную решетку прямо из помещения, где расположен прибор (как правило, это хозяйственные помещения типа прачечной с сушильными аппаратами, кухни и т.п.).
Тепловые насосы, берущие тепло из окружающего воздуха, наиболее дешевы в установке. Недостаток один, но существенный: из морозного воздуха много тепла не отберешь. Устойчиво, хотя и с уменьшенной мощностью, эти устройства работают до –15 °С. Ниже этой температуры целесообразно использование отопления другого типа, поскольку мощность теплонасоса снижается уже на 60 %.
Прочие энергоносители
При снабжении крупных муниципальных объектов в России большое распространение получило питания тепловых насосов от городской теплоцентрали, температура теплоносителя в которой составляет 60 °С. Это позволяет без модернизации городских теплосетей увеличить количество и общую площадь отапливаемых помещений в городских условиях, а также снизить эксплуатационные расходы.
Ряд производителей выпускает газовые тепловые насосы, где хладагент подогревается газовой горелкой. Эта система является прекрасной альтернативой газовому котлу, поскольку позволяет экономить газ без ущерба для температуры теплоносителя в отопительном контуре. Существуют тепловые насосы, функционирующие за счет утилизации тепла канализационных стоков. Такие установки позволяют отапливать многоэтажные здания и даже целые районы.
Внутренний контур
Цикл Карно
Принцип действия подавляющего большинства тепловых насосов основан на цикле Карно — круговом (циклическом) процессе превращения теплоты в работу (или работы в теплоту) путем расширения/сжатия и нагрева/охлаждения газообразного хладагента. Идея была впервые описана в 1824 г. в работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» французского физиком Сади Карно (Sadi Carnot).
В основе процесса лежит способность газов нагреваться при сжатии и отдавать тепло (охлаждаться) при расширении. Верно и обратное: газы склонны расширяться при нагреве и сжиматься при охлаждении. Цикл состоит из последовательно чередующихся двух адиабатных и двух изотермических процессов (рис. 1). Адиабатный процесс представляет собой расширение либо сжатие газа (в случае с теплонасосом газ называется хладагентом) без теплообмена с окружающей средой.
При этом температура самого газа, соответственно, уменьшается или увеличивается. Несмотря на невозможность изготовления 100 % эффективной теплоизоляции для исключения теплопередачи, адиабатный процесс все равно может происходить, если расширять или сжимать газ так быстро, что теплообмен не будет успевать происходить. Во время изотермического процесса происходит передача тепла от нагретого газа (хладагента или, по научному, рабочего тела) более холодному теплоносителю отопительного контура с одновременным охлаждением газа.
Либо, соответственно, тепло окружающей внешней среды (непосредственно или через внешний контур, устройство которого описано ниже) нагревает остывший до жидкого состояния хладагент, в результате чего последний закипает. Таким образом, тепловой насос теоретически может использоваться как для отопления и нагрева санитарной воды, так и для кондиционирования помещений.
Термический КПД цикла Карно не зависит от природы рабочего тела и является функцией только абсолютных температур нагреваемого тела (t1) и источника тепла (t2): η = (t1 – t2)/t1 = 1 – t2/t1, однако при выборе типа теплового насоса, естественно, вид источника тепла (грунт, вода, воздух) чрезвычайно важен. Для разных климатических условий и индивидуальных условий эксплуатации одни из указанных типов энергоносителей могут оказаться предпочтительнее других в смысле максимально возможной разности температур источника и потребителя тепла.
Чем она больше, тем выше будет коэффициент преобразования теплового насоса (COP), который выражается зависимостью: COP = Q/(860N) = P/N, где Q — количество тепла, полученная конденсатором, ккал/ч; N — электрическая мощность, потребляемая всей установкой (включая и вентилятор кондиционера), кВт; P — мощность, выдаваемая отопительной системой. Обычно COP составляет от 3 до 6.
Иными словами, теплонасос позволяет из 1 кВт электрической энергии получить от 3 до 6 кВт мощности для отопления или охлаждения помещения, нагрева воды в контуре ГВС, обогрева бассейна и прочих нужд. Нагретый теплоноситель (рис. 2) первичного контура (о первичном контуре мы расскажем ниже) поступает в испарительный теплообменник, где передает тепло жидкому хладагенту, в результате чего последний превращается в пар.
Парообразный хладагент втягивается в компрессор в результате постоянно создаваемого там разряжения. Там хладагент сжимается, вследствие чего его температура еще больше увеличивается. Максимальная температура и давление подбираются с учетом критических параметров используемого хладагента. Все собранное в результате описанных этапов тепло передается в конденсаторе теплоносителю контура отопления, а отдавший тепло хладагент вновь воз вращается в жидкую форму.
В расширительной камере в результате резкого увеличения объема давление и температура хладагента становится еще ниже. Теперь хладагент с низким давлением и температурой вновь готов принимать тепло от внешнего контура. Для того, чтобы тепловой насос мог работать в реверсивном режиме, т.е. кондиционировать помещение, в него встраивают четырех-ходовой клапан, который поворачивает хладагент в обратном направлении.
Одновременно с переключением клапана необходимо подключить теплонасос к фанкойлу, а отопительный контур перекрыть, иначе охлаждение пойдет через радиаторы, которые довольно скоро обрастут ледяной шубой (как трубки в негерметично закрытой морозильной камере холодильника), а вода в них замерзнет. Если в качестве теплоносителя залита незамерзающая жидкость, то, вероятно, она пострадает несильно, но лучше все же не экспериментировать подобным образом.
Некоторые производители предлагают бойлеры со встроенными тепловыми насосами, предназначенные исключительно обеспечения горячего водоснабжения за счет охлаждения воздуха в помещении или в вентиляционной системе. Конструктивно они выглядят как обыкновенный цилиндрический напольный водонагреватель емкостью 150–300 л с черной «шапочкой», в которой установлен тепловой насос. Для случаев пикового расхода в таких бойлерах предусмотрен дополнительный электрический ТЭН и иногда змеевик для косвенного нагрева (от системы отопления, от солнечного коллектора).
Теплообменники
Испаритель и конденсатор обычно представляют собой неразборные пластинчатые теплообменники. Поверхность теплопередачи состоит из рифленых пластин, собранных в пакет, спаянных с использованием меди или никеля в качестве материала для пайки. Герметичность конструкции и прочный припой достигнуты за счет применения пайки в вакуумной печи. Жидкости, участвующие в процессе теплопередачи, проходят по чередующимся каналам, образованным греющими пластинами.
Специально рифленые пластины способствуют высокой турбулентности потоков, что обеспечивает высокоэффективную передачу тепла. Для теплонасосов, получающих тепло из воздуха, теплообменник представляет собой медные трубки с алюминиевыми ребрами. Для водяных контуров иногда используются также различные варианты кожухотрубных теплообменников (труба в трубе).
Современные конденсаторы обычно обеспечивают температуру подающей линии отопительного контура в диапазоне 35–55 °C, но отдельные производители предлагают модели, способные нагреть теплоноситель до 65 °C. Это позволяет заменять старые котельные отопительные системы теплонасосами без замены имеющихся труб и радиаторов.
Компрессор
Наиболее часто встречается спиральный компрессор, состоящий из двух стальных спиралей. Они вставлены одна в другую и расширяются от центра к краю цилиндра компрессора. Внутренняя спираль неподвижно закреплена, а внешняя спираль перекатывается по внутренней поверхности неподвижной спирали. Особый профиль спиралей (эвольвента) позволяет перекатываться без проскальзывания.
При этом точка касания спиралей постепенно перемещается от края к центру. Пары хладагента, находящиеся перед линией касания, проходят через спираль и постепенно сжимаются. Выпускное отверстие, к которому в конце концов подходит сжатый парообразный хладагент, расположено в верхней центральной части корпуса компрессора. Точки касания расположены на каждом витке внутренней спирали, поэтому пары сжимаются плавно небольшими порциями.
Другой тип компрессоров, используемый в тепловых насосах — винтовой, где воздух сжимается между входящими в зацепление друг с другом винтовыми валами за счет того, что воздушные камеры все более сужаются к выходному отверстию. Нужное количество сжатого воздуха автоматически подается с помощью регулятора. Охлаждение электродвигателя компрессора в обоих случаях производится самими всасываемым хладагентом.
В теплонасосах большой мощности встречаются и традиционные поршневые компрессоры, в которые газ засасывается и сжимается при возвратно-поступательном движении поршня. Сжатый воздух накапливается в цилиндре для сжатого воздуха.
Дроссель и расширительная камера
Дроссель используется для ограничения потока хладагента в расширительную камеру и поддержания там условий, необходимых для эффективного испарения и адиабатического расширения. Слишком большой поток может вообще привести к заполнению расширительной камеры хладагентом (компрессор просто не успеет откачать его) или, по крайней мере, к потере там необходимого разрежения.
А ведь именно испарение жидкого хладагента и адиабатическое расширение его паров обеспечивает необходимое для работы всего цикла падение температуры хладагента ниже температуры окружающей среды. Расширительная камера обычно выполнена в виде капиллярной трубки.
Хладагент
Наиболее распространенный хладагент, использующийся в современных тепловых насосах — это фреон марки R407C, являющийся зеотропной смесью трех соединений: R32 (дифторометан CH2F2), R125 (пентафтороэтан CHF2CF3) и R134A (1, 1, 1, 2 — тетрафтороэтан CF3CH2F). Хладагент разработан фирмой Du Pont. Ни один из этих компонентов не содержит в своем составе атомов хлора, поэтому, эти вещества при разложении не приводят к разрушению озонового слоя.
Буква после цифрового наименования хладагента указывает, в какой пропорции смешаны исходные компоненты. В частности, «С» обозначает, что массовые доли равны соответственно 23/25/52 %.Другие марки хладагентов: R404A — близкозеотропная смесь R125 + R143A (CH3CF3) + R134A с соотношением массовых долей компонентов 44/52/4; R410A — зеотропная смесь R32 + R125 с соотношением массовых долей компонентов 50/50; R22 — фреон с химической формулой CHClF2.
«Зеотропная смесь» в качестве хладагента для теплового насоса представляет собой механическую смесь хладагентов с различными температурами насыщения при одном и том же давлении, поэтому состав пара и жидкости во время фазового перехода все время меняется. Российской фирмой «Экип» были проведены научноисследовательские и опытноконструкторские работы по созданию тепловых насосов, работающих на двуокиси углерода (такой хладагент имеет маркировку R744) в качестве рабочего вещества.
Цикл Стирлинга
Помимо тепловых насосов с циклом Карно на рынке существуют разработки и действующие модели теплонасосов других типов. В частности, компания Viessmann во время международной выставки ISH’2009, прошедшей недавно во Франкфурте-на-Майне, представила миниТЭЦ на основе двигателя Стирлинга, предназначенную для когенерации, т.е. одновременной выработки тепла (до 24 кВт) и электроэнергии (до 1,5 кВт).
Двигатель Стирлинга (рис. 3) может преобразовывать в работу разницу объемов газа и по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно. Принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре.
Цикл Стирлинга состоит из четырех фаз:
Как все двигатели внешнего сгорания (вернее, внешнего подвода тепла), стирлинг может работать от перепада температур между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печки и т.д. Этот фактор прямо связан с экономичностью двигателя в широком плане — он позволяет заменить дорогие нефтяные топлива на дешевые альтернативные.
Двигатель Стирлинга от Viessmann может работать на таких видах топлива, как газ, нефть, дерево и солнечная энергия. Внутреннее пространство агрегата герметично и позволяет использовать рабочее тело под очень высоким давлением.
Абсорбционно-диффузионный принцип
В начале текущего года концерн Bosch Thermotechnik был отмечен премией IGU Gas Efficiency Award ’2008 за разработку газового теплового насоса с модулируемой мощностью от 4 до 10 кВт, использующего встраиваемый в абсорбционнодиффузионный контур «байпасный конденсатор» (рис. 4), который включается, когда потребность в тепле превышает 6 кВт.
С этого момента абсорбционная система начинает работать как отопительный котел с параллельно подключенным газовым тепловым насосом. В качестве рабочего тела используется водоаммиачный раствор с добавкой инертного газа (гелия). При нагреве от внешнего источника тепла в десорбере раствор закипает и испаряется. Смесь паров поступает в теплообменник, где вода, остывая, конденсируется.
Поскольку при высокой температуре сразу после конденсации она способна удержать очень мало аммиака, основная часть аммиака остается в виде пара. На этом этапе находящиеся под давлением жидкую фракцию (воду) и газообразную (аммиак) разделяют и они продолжают по отдельности отдавать тепло вплоть до окончательного охлаждения. Остывшая вода с малым содержанием аммиака направляется в абсорбер, а аммиак при охлаждении в конденсаторе становится жидким и поступает в испаритель.
В принципе, для десорбции аммиака кипятить раствор не обязательно, достаточно просто нагреть его близко к температуре кипения, и «лишний» аммиак улетучится из воды. Но кипячение позволяет провести разделение наиболее быстро и эффективно. Качество такого разделения является главным условием, определяющим разрежение в испарителе, а стало быть, эффективность работы абсорбционного агрегата, и многие ухищрения в конструкции направлены именно на это.
Для создания разряжения в блоке испарителя испарившийся хладагент (аммиак) поступает из испарителя в блок абсорбера, где поглощается (абсорбируется) абсорбентом (водой). Тем самым пар удаляется из объема хладагента и там восстанавливается разрежение, обеспечивающее испарение новых порций аммиака. Главным отличием абсорбционнодиффузионного теплонасоса от описанных выше типов является отсутствие движущихся элементов: транспорт рабочего тела осуществляется за счет гравитационных сил, а теплообмен на элементах — в режиме естественной конвекции.
За счет этого теплонасос работает практически бесшумно и не требует обслуживания в течение длительного срока.
Цеолитовый теплонасос
Несколько лет назад Vaillant разрабатывал газовый теплонасос на основе цеолитововодной системы. Работа такого теплонасоса основывалась на способности цеолита, водного алюмосиликата кальция и натрия, впитывать большое количество влаги и выделять ее при нагреве. Непрямой нагрев влажного цеолита осуществлялся при посредстве проводника, получающего тепловую энергию от газовой горелки.
Испаряющаяся при этом вода конденсировалась в теплообменнике, получаемое при этом тепло шло на нужды отопления. После того, как температура цеолита достигала максимума, материал вновь охлаждался и поглощал воду. Основу отопительного аппарата составляют два одинаковых по конструкции модуля теплового насоса, в которых синхронно протекают различные фазы процесса.
Вихревые тепловые насосы
Вихревые тепловые насосы используют для разделения теплого и холодного воздуха эффект Ранка. Суть эффекта заключается в том, что газ, тангенциально подаваемый в трубу на высокой скорости, внутри этой трубы закручивается и разделяется: из центра трубы можно отбирать охлажденный газ, а с периферии — нагретый. Этот же эффект, хотя и в меньшей степени, действует и для жидкостей. К сожалению, эффективность этих устройств в настоящее время заметно уступает эффективности компрессионных установок.
Кроме того, для эффективной работы они требуют высокой скорости подачи рабочего тела (максимальная эффективность отмечается при скорости входного потока, равной 40–50 % от скорости звука). Такой поток сам по себе создает немало шума, а кроме того, требует наличия производительного и мощного компрессора — устройства тоже отнюдь не тихого и довольно капризного.
Отсутствие общепризнанной теории этого явления, пригодной для практического инженерного использования, делает конструирование таких агрегатов занятием во многом эмпирическим, где результат сильно зависит от удачи: «угадал/не угадал». Более-менее надежный результат дает только воспроизведение уже созданных удачных образцов. Результаты попыток существенного изменения тех или иных параметров не всегда предсказуемы, а иногда выглядят парадоксальными.
Тепловые насосы на эффекте Пельте
Эффект Пельтье заключается в том, что при подаче на две стороны специально подготовленной полупроводниковой пластины небольшого постоянного напряжения одна сторона этой пластины нагревается, а другая — охлаждается. Пластина элемента Пельтье (он же «термоэлектрический элемент», англ. Thermoelectric Cooler, TEC), состоит из двух слоев с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости.
При переходе электрона под действием внешнего напряжения в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника, он должен приобрести энергию. При получении им этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников (при протекании тока в обратном направлении происходит обратный эффект — место контакта слоев нагревается дополнительно к обычному омическому нагреву).
Из-за крайне низкой теплоотдачи данные модели не получили особо развития.
Производители тепловых насосов
К производителям тепловых насосов, по большому счету, можно отнести не только изготовителей отопительных агрегатов, но и многочисленные компании, специализирующиеся на кондиционерах и холодильниках. Однако основной задачей двух последних типов теплонасосов является генерация в первую очередь холода с одновременным рассеиванием тепла без конкретной задачи по его утилизации.
Ряд кондиционеров, правда, обладает способностью обогревать комнату, но это не является их основной функцией. Поэтому предлагаем вашему вниманию перечень лишь тех производителей, которые предлагают тепловые насосы для подсоединения к стандартной отопительной системе с радиаторами, теплыми полами и бойлером косвенного нагрева — т.е. аппараты, способные заменить отопительные котлы и водонагреватели.
Интересная, совершенно закономерная особенность: традиционные изготовители кондиционеров специализируются, разумеется, на тепловых насосах с воздушным внешним контуром, а производители котельного оборудования разрабатывают в основном грунтововодную и газовую тематики с более бедным ассортиментом по воздушным моделям.
- Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам).
- Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.
- Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз.
- Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлажденный воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.
Как все двигатели внешнего сгорания (вернее, внешнего подвода тепла), стирлинг может работать от перепада температур между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печки и т.д. Этот фактор прямо связан с экономичностью двигателя в широком плане — он позволяет заменить дорогие нефтяные топлива на дешевые альтернативные.
Двигатель Стирлинга от Viessmann может работать на таких видах топлива, как газ, нефть, дерево и солнечная энергия. Внутреннее пространство агрегата герметично и позволяет использовать рабочее тело под очень высоким давлением.
Абсорбционно-диффузионный принцип
В начале текущего года концерн Bosch Thermotechnik был отмечен премией IGU Gas Efficiency Award ’2008 за разработку газового теплового насоса с модулируемой мощностью от 4 до 10 кВт, использующего встраиваемый в абсорбционнодиффузионный контур «байпасный конденсатор» (рис. 4), который включается, когда потребность в тепле превышает 6 кВт.
С этого момента абсорбционная система начинает работать как отопительный котел с параллельно подключенным газовым тепловым насосом. В качестве рабочего тела используется водоаммиачный раствор с добавкой инертного газа (гелия). При нагреве от внешнего источника тепла в десорбере раствор закипает и испаряется. Смесь паров поступает в теплообменник, где вода, остывая, конденсируется.
Поскольку при высокой температуре сразу после конденсации она способна удержать очень мало аммиака, основная часть аммиака остается в виде пара. На этом этапе находящиеся под давлением жидкую фракцию (воду) и газообразную (аммиак) разделяют и они продолжают по отдельности отдавать тепло вплоть до окончательного охлаждения. Остывшая вода с малым содержанием аммиака направляется в абсорбер, а аммиак при охлаждении в конденсаторе становится жидким и поступает в испаритель.
В принципе, для десорбции аммиака кипятить раствор не обязательно, достаточно просто нагреть его близко к температуре кипения, и «лишний» аммиак улетучится из воды. Но кипячение позволяет провести разделение наиболее быстро и эффективно. Качество такого разделения является главным условием, определяющим разрежение в испарителе, а стало быть, эффективность работы абсорбционного агрегата, и многие ухищрения в конструкции направлены именно на это.
Для создания разряжения в блоке испарителя испарившийся хладагент (аммиак) поступает из испарителя в блок абсорбера, где поглощается (абсорбируется) абсорбентом (водой). Тем самым пар удаляется из объема хладагента и там восстанавливается разрежение, обеспечивающее испарение новых порций аммиака. Главным отличием абсорбционнодиффузионного теплонасоса от описанных выше типов является отсутствие движущихся элементов: транспорт рабочего тела осуществляется за счет гравитационных сил, а теплообмен на элементах — в режиме естественной конвекции.
За счет этого теплонасос работает практически бесшумно и не требует обслуживания в течение длительного срока.
Цеолитовый теплонасос
Несколько лет назад Vaillant разрабатывал газовый теплонасос на основе цеолитововодной системы. Работа такого теплонасоса основывалась на способности цеолита, водного алюмосиликата кальция и натрия, впитывать большое количество влаги и выделять ее при нагреве. Непрямой нагрев влажного цеолита осуществлялся при посредстве проводника, получающего тепловую энергию от газовой горелки.
Испаряющаяся при этом вода конденсировалась в теплообменнике, получаемое при этом тепло шло на нужды отопления. После того, как температура цеолита достигала максимума, материал вновь охлаждался и поглощал воду. Основу отопительного аппарата составляют два одинаковых по конструкции модуля теплового насоса, в которых синхронно протекают различные фазы процесса.
Вихревые тепловые насосы
Вихревые тепловые насосы используют для разделения теплого и холодного воздуха эффект Ранка. Суть эффекта заключается в том, что газ, тангенциально подаваемый в трубу на высокой скорости, внутри этой трубы закручивается и разделяется: из центра трубы можно отбирать охлажденный газ, а с периферии — нагретый. Этот же эффект, хотя и в меньшей степени, действует и для жидкостей. К сожалению, эффективность этих устройств в настоящее время заметно уступает эффективности компрессионных установок.
Кроме того, для эффективной работы они требуют высокой скорости подачи рабочего тела (максимальная эффективность отмечается при скорости входного потока, равной 40–50 % от скорости звука). Такой поток сам по себе создает немало шума, а кроме того, требует наличия производительного и мощного компрессора — устройства тоже отнюдь не тихого и довольно капризного.
Отсутствие общепризнанной теории этого явления, пригодной для практического инженерного использования, делает конструирование таких агрегатов занятием во многом эмпирическим, где результат сильно зависит от удачи: «угадал/не угадал». Более-менее надежный результат дает только воспроизведение уже созданных удачных образцов. Результаты попыток существенного изменения тех или иных параметров не всегда предсказуемы, а иногда выглядят парадоксальными.
Тепловые насосы на эффекте Пельте
Эффект Пельтье заключается в том, что при подаче на две стороны специально подготовленной полупроводниковой пластины небольшого постоянного напряжения одна сторона этой пластины нагревается, а другая — охлаждается. Пластина элемента Пельтье (он же «термоэлектрический элемент», англ. Thermoelectric Cooler, TEC), состоит из двух слоев с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости.
При переходе электрона под действием внешнего напряжения в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника, он должен приобрести энергию. При получении им этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников (при протекании тока в обратном направлении происходит обратный эффект — место контакта слоев нагревается дополнительно к обычному омическому нагреву).
Из-за крайне низкой теплоотдачи данные модели не получили особо развития.
Производители тепловых насосов
К производителям тепловых насосов, по большому счету, можно отнести не только изготовителей отопительных агрегатов, но и многочисленные компании, специализирующиеся на кондиционерах и холодильниках. Однако основной задачей двух последних типов теплонасосов является генерация в первую очередь холода с одновременным рассеиванием тепла без конкретной задачи по его утилизации.
Ряд кондиционеров, правда, обладает способностью обогревать комнату, но это не является их основной функцией. Поэтому предлагаем вашему вниманию перечень лишь тех производителей, которые предлагают тепловые насосы для подсоединения к стандартной отопительной системе с радиаторами, теплыми полами и бойлером косвенного нагрева — т.е. аппараты, способные заменить отопительные котлы и водонагреватели.
Интересная, совершенно закономерная особенность: традиционные изготовители кондиционеров специализируются, разумеется, на тепловых насосах с воздушным внешним контуром, а производители котельного оборудования разрабатывают в основном грунтововодную и газовую тематики с более бедным ассортиментом по воздушным моделям.
Комментариев нет:
Отправить комментарий