Тепловые насосы и оборудование для геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения

Тепловые насосы известны давно и считаются изделием эффективным, надежным, срок службы которого никак не меньше, а иногда и больше, чем у другого вентиляционно-отопительного оборудования. Их уже всерьез рассматривают в качестве следующего шага на пути развития отопления, все более ориентирующегося на требования окружающей среды. Несмотря на то, что в Европе они достаточно широко применяются, остаются еще широкие возможности для их распространения, как в новом строительстве, так и в реконструируемом жилом фонде на смену традиционным отопительным котлам.

До сегодняшнего дня тепловой насос представлялся главным образом как агрегат или некая система, предназначенная в первую очередь для кондиционирования воздуха, способная также обеспечить определенную отопительную мощность, в большей или меньшей степени удовлетворяющую потребности в тепле в зимний период. На самом деле характеристики этого оборудования стремительно меняются и уже во многих странах Европы тепловой насос сменил, что называется, «ориентацию»: в первую очередь удовлетворение потребностей в тепле, а охлаждение – потом. Больше того, зачастую тепловой насос уже используется только для отопления.

Такая смена потребительской ориентации обусловлена трансформацией подходов в мире, произошедшей за последние два десятилетия в связи со следующими обстоятельствами:

• необходимостью сокращения выбросов в атмосферу парниковых газов;
• поиском альтернативных экологических решений на смену традиционному отоплению посредством сжигания традиционного ископаемого топлива;
• повышением эффективности и надежности тепловых насосов вследствие эволюции рефрижераторных технологий, разработки новых спиральных (англ. - scroll) компрессоров и пр.

Основу эксплуатируемого сегодня в мире парка теплонасосного оборудования составляют парокомпрессионные тепловые насосы, но применяются также и абсорбционные, электрохимические и термоэлектрические.

Существуют самые разные варианты классификации тепловых насосов, мы ограничимся делением систем по их оперативным функциям на три основных категории:

• тепловые насосы только для отопления, применяемые для обеспечения комфортной температуры в помещении и/или приготовления горячей санитарной воды. Существует обширное поле деятельности по замене котлов низкотемпературных отопительных систем на основе теплоизлучающих полов или стеновых панелей либо вентиляционно-конвекторными или тепловентиляционными установками;
• тепловые насосы отопительные и холодильные, применяемые для кондиционирования помещений в течение всего года. Наиболее распространенными в мире являются реверсивные аппараты класса «воздух-воздух». Тепловые насосы средней и большой мощности для сооружений сферы обслуживания используют гидравлические контуры для распределения тепла и холода и при этом могут обеспечивать оба рабочих режима одновременно;
• 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. Использование только отбора тепла перегрева целесообразно, когда требуется только отопление помещений.

Примерно 77% установленных в Европе тепловых насосов используют наружный воздух в качестве источника тепла, хотя в Швеции, Швейцарии и Австрии преобладают геотермальные тепловые насосы, данные по этим странам составляют соответственно 28, 40 и 82%. Тепловые насосы могут быть как моновалентные, так и бивалентные.

Различие между двумя видами состоит в том, что моновалентные насосы рассчитаны таким образом, чтобы полностью покрывать годичную потребность в отоплении и охлаждении.

Напротив, бивалентные тепловые насосы рассчитаны, чтобы полностью покрыть потребность в охлаждении и только в объеме от 20 до 60% тепловую нагрузку зимнего периода и от 50 до 95% сезонной отопительной потребности.

У бивалентных тепловых насосов пиковая нагрузка покрывается за счет дополнительных источников отопления, чаще всего газовых или жидко-топливных котлов.

В жилом фонде в странах Южной Европы тепловые насосы зачастую относятся к классу реверсивные «воздух-воздух» (главным образом, разводные (англ. - split) либо моноблок, при этом и те, и другие с прямой подачей воздуха). Справедливости ради надо сказать, что постепенно ширится предложение тепловых насосов класса «воздух-вода» реверсивные, 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, обеспечивающие отопление посредством теплых полов или стеновых панелей, взамен отопительных котлов. В новостройках тепловые насосы класса «воздух-воздух» отлично сочетаются с вентиляционно-конвекторными системами при работе и в летний, и в зимний периоды. У тепловых насосов нового поколения в качестве хладагента уже почти повсеместно используется озонобезопасный R 407C.

Эффективность тепловых насосов в последние годы значительно возросла в силу изменений, внесенных в конструкцию компрессоров, теплообменников и систем управления на базе микропроцессоров. В результате их воздействие на среду существенно снизилось, вплоть до того, и они считаются намного более «чистыми» в экологическом плане, нежели самые современные высокоэффективные газовые котлы. Средний за сезон коэффициент преобразования энергии КПЭ является показателем более важным, чем КПД, для оценки эффективности теплового насоса в реальных эксплуатационных условиях. Это показатель соотношения между общей тепловой энергией, вырабатываемой за сезон, и общей электроэнергией, потребляемой для ТСТ в течение отопительного сезона в конкретных эксплуатационных условиях. Современные тепловые насосы класса «воздух-воздух» обеспечивают рабочий показатель КПЭ на уровне 3. Для сравнения: насосы классов «вода-вода» и «грунт-вода» работают более эффективно и показатель КПЭ у них может подниматься до 4.

На основе показателя КПЭ можно провести сравнительный анализ воздействия на среду тепловых насосов и газовых котлов по годовым эксплуатационным показателям сгорания, объемам выбросов в атмосферу СО2. Сегодня в Европе котлы выбрасывают СО2, образуемый при сгорании газа, – 221 г на кВт.ч произведенного тепла, а при производстве электроэнергии средние по Европе выбросы СО2 – 460 г на кВт.ч произведенного электричества.

Для примера: тепловой насос с показателем КПЭ 3,0 по сравнению с котлом, имеющим коэффициент годовой производительности на уровне 90% (уровень чрезвычайно высокий и труднодостижимый), воздействует на среду на 40% «мягче», чем такой котел. Иными словами, тепловой насос выбрасывает в атмосферу СО2 на 40% меньше, чем котел той же мощности за аналогичный временной отрезок.

Помимо весьма высокой эффективности тепловые насосы достигли сегодня такого уровня конструктивной прочности, который обеспечивает высокие показатели долговечности и надежность. По результатам исследования, проведенного ассоциацией ASHRAE, отмечены следующие сроки службы:

• бытовые тепловые насосы класса «воздух-воздух»: 15 лет;
• тепловые насосы сферы обслуживания класса «воздух-воздух»: 15 лет;
• тепловые насосы сферы обслуживания класса «вода-воздух»: 19 лет.

Развитие и совершенствование технологии изготовления тепловых насосов, наблюдающееся в последние годы, еще более усиливают преимущество теплонасосных систем перед газовыми котлами. На рис.1 представлена информация о проценте сохранения работоспособности тепловых насосов по данным исследования института EPRI. Разница обусловлена в основном климатическими особенностями обследовавшихся регионов.

С более подробной информацией для технических специалистов можно ознакомиться в разделе Библиотека