Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии. Том 4. Монтаж и сервис тепловых насосов

ПОЧАНИН Ю.С.

МОНТАЖ И СЕРВИС ОБОРУДОВАНИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Том 4. Монтаж и сервис тепловых насосов

Введение

В земле находится огромное количество тепла. Данное тепло исходит из двух источников: внутреннего и внешнего. Внешний источник тепла питается за счет тепловой энергии солнца и дождя: на практике влияние этого источника ощущается в грунте на глубине до 15 м. Внутренним источником тепла является энергия распада радиоактивных элементов, присутствующих в земной коре. На практике влияние данного источника начинает сказываться на глубинах свыше 20 м, и это тепло классифицируется как геотермальное. Геотермальная энергия, в отличие от других видов энергии (таких как энергия солнца, ветра или моря), не зависит от состояния атмосферы, а также от запасов топлива. Это стабильный и удобный в использовании вид энергии. Известно, что на глубине 4-5 м и более температура грунта в течение года практически постоянна и соответствует среднегодовой температуре атмосферного воздуха.

Устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой называется тепловым насосом. Использование низкопотенциального тепла Земли посредством тепловых насосов возможно практически повсеместно и в настоящее время это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета к 2020 г. 75% теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов. Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает порядка 20 млн. тепловых насосных установок (ТНУ) различной мощности – от нескольких киловатт до сотен мегаватт. На сегодняшний день тепловые насосы широко применяются во всем мире. Количество тепловых насосов, работающих в Японии, Европе и США исчисляется десятками миллионов штук. Производство тепловых насосов в каждой стране, прежде всего, ориентировано на удовлетворение потребностей внутреннего рынка. В Японии и США наибольшее применение получили тепловые насосы класса «воздух-воздух» для отопления и летнего охлаждения воздуха. В Европе – тепловые насосы класса «вода-вода» и «вода-воздух». В США исследованиями и производством тепловых насосов занимаются более шестидесяти фирм. В Японии ежегодный выпуск тепловых насосов превышает 500 тысяч единиц. В Германии ежегодно вводится более 5 тысяч установок. В Швеции и странах Скандинавии эксплуатируются, в основном, крупные тепловые насосные установки. В Швеции уже к 2000 году эксплуатировалось более 110 тысяч теплонасосных станций (ТНС), 100 из которых имели мощность около 100 МВт и выше. Наиболее мощная ТНС-320 МВт работает в Стокгольме, использующая в качестве источника низкопотенциального тепла (ИНТ) воду Балтийского моря. Эта установка, расположенная на причаленных к берегу баржах, охлаждает зимой морскую воду от 4°С до 2 °С. Количество тепла, вырабатываемого теплонаносными установками в Швеции, уже составляет около 50% от потребного.

В США, по данным 2017 г., более 13 млн частных домовладений применяют тепловые насосы для отопления.

В Японии широко распространены воздухо-воздушные реверсивные ТНУ круглогодичного кондиционирования воздуха, мощностью от 1,2 до 16,5 кВт. В эксплуатации находится несколько миллионов подобных ТНУ.

В Германии в эксплуатации находятся около 1 млн. ТНУ. Они используются в водяных системах отопления, а также в воздушных системах отопления и кондиционирования воздуха. В качестве источников теплоты используются воздух наружный и вытяжной, грунт, вода и т.д. Крупные ТНУ работают, как правило, в системе центрального теплоснабжения.

Опыт стран, занимающих лидирующее положение в применении тепловых установок показал, что их целесообразно использовать при переходе к децентрализованным системам теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей), когда тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя.

Тепловые насосы (ТН) нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, жилом и общественном секторах:

– в общественных зданиях с кондиционированием воздуха обычно применяют реверсивные тепловые насосы, обеспечивающие охлаждение воздуха в теплый период и нагревание в холодный период года;

– в жилищно-коммунальном секторе с помощью ТН может осуществляться автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий для отопления и горячего водоснабжения, а также осуществляется кондиционирование в летний период года;

– на промышленных предприятиях различных отраслей ТН применяют для утилизации теплоты низко потенциальных технологических выбросов, водооборотных систем и стоков, с целью использования такого тепла для теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения. При необходимости используется и вырабатываемый тепловыми насосами холод

Идеальный вариант для ТН – наличие вблизи от потребителя источника сбросного тепла промышленного или коммунального предприятия. В качестве довольно универсального источника низко потенциального тепла можно использовать теплоту грунта.

Основу эксплуатируемого сегодня в мире парка тепло-насосного оборудования составляют парокомпрессионные тепловые насосы, но применяются также и абсорбционные, электрохимические и термоэлектрические. Статистика производства тепловых насосов типа грунт-вода и воздух-вода за последние 8 лет представлена на рис.1.

По объемам производства установок лидируют США и Китай. Первые – благодаря качеству продукции, вторые – из-за низкой стоимости. Количество проданных тепловых насосов в 2015 г. по странам ЕС представлено на рис. 2. В настоящее время в развитых странах ведутся разработки новых моделей и технологий использования тепловых насосов. Так, например, японские производители создали тепловые насосы «воздух— вода», приспособленные к работе в холодном климате. Они сохраняют высокую тепловую производительность при температуре наружного воздуха до -15°C. Для обеспечения работы при минусовых температурах используются различные решения, предотвращающие обледенение. Среди них, тепло аккумуляторы, обогрев через байпасный контур, нагревательные спирали. Технология парожидкостного впрыска позволяет поддерживать поток хладагента на необходимом уровне даже при очень низкой температуре наружного воздуха.

Рис.1 Статистика производства тепловых насосов

Рис.2 Количество проданных тепловых насосов в 2015 г. по странам ЕС

Разработаны модели двойного действия – появились реверсивные тепловые насосы «воздух— вода», способные не только нагревать, но и охлаждать воду. Это решение обеспечивает максимальный комфорт как в зимнее, так и в летнее время.

Появились модели тепловых насосов «воздух— вода» могут иметь два контура и способны обслуживать сразу два помещения с различной потребностью в обогреве. Обеспечивая подачу двух потоков воды с разной температурой, они могут использоваться как для независимого обогрева, так и для охлаждения двух помещений или зон одного помещения. Объединение тепловых насосов «воздух— вода» с фотоэлектрическими панелями позволяет более эффективно использовать электроэнергию, вырабатываемую солнечными панелями, управляя энергопотреблением теплового насоса.

В районах с холодным климатом, таких как Северная Европа, где температура наружного воздуха может опускаться до – 40°С, эффективным способом получения горячей воды могут стать гибридные системы, объединяющие газовый котел и тепловой насос «воздух— вода». Уже установленный котел можно использовать для эффективного дополнительного нагрева. Ряд производителей представил на рынке интеллектуальные системы управления, позволяющие подключить тепловой насос к действующей системе отопления и горячего водоснабжения на базе газового котла. Если условия не позволяют использовать тепловой насос, включается газовый котел, обеспечивая непрерывное функционирование системы теплоснабжения.

Некоторые производители предоставляют услуги облачного сервиса для удаленного управления работой и энергопотреблением тепловых насосов «воздух— вода». Подключившись к облачному серверу, пользователь получает возможность полного контроля над устройством из любой точки планеты. Данная технология позволяет сэкономить электроэнергию, повысить уровень комфорта, добиться более гибкого управления ресурсами.

Созданы «умные» распределительные сети. Стремительный рост производства электроэнергии из возобновляемых источников привел к диспропорции между подаваемой и требуемой электрической мощностью. Для решения этой проблемы тепловые насосы «воздух – вода» с функцией управления распределением энергии обеспечивают более гибкое регулирование энергопотребления. Данная функция позволяет изменять алгоритм работы прибора по сигналу контроллера. В настоящее время созданы разнообразные внутренние блоки для тепловых насосов «воздух— вода», отличающиеся как назначением, так и функциональными возможностями. В регионах с холодным климатом требуемую тепловую мощность могут обеспечить радиаторы без вентиляторов, передающие тепло путем излучения. Комфортная температура при этом поддерживается без создания воздушных потоков, что существенно снижает энергопотребление и уровень шума. В ассортименте многих производителей имеются внутренние блоки «все-в-одном», способные охлаждать и отапливать помещение, а также подавать горячую воду. Такие устройства отличаются компактностью и простотой обслуживания.

Опыт стран, занимающих лидирующее положение в применении тепловых установок показал, что их целесообразно использовать при переходе к децентрализованным системам теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей), когда тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя. Внедрение таких экономичных и экологически чистых технологий теплоснабжения необходимо в первую очередь во вновь строящихся районах городов и в населенных пунктах при полном исключении применения электрокотельных, потребление энергии которыми в 3-4 раза превышает потребление ее теплонасосными установками. Использование теплонасосных установок перспективно в комбинированных схемах в сочетании с другими технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергии), так как позволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наиболее высоких экономических показателей. Применение теплонасосных установок вносит наибольший вклад в экономию невозобновляемых энергоресурсов с помощью технологий нетрадиционной энергетики. Использование низкопотенциального тепла Земли посредством тепловых насосов возможно практически повсеместно и в настоящее время это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Анализ возможных областей применения технологий, использующих нетрадиционные источники энергии, показывает, что одной из перспективной областью их внедрения являются тепло насосные системы теплоснабжения, использующие низкопотенциальное тепло, накапливаемое в водоемах, грунте, геотермальных источниках, технологических выбросах (воздух, вода, стоки и др.– источники низкопотенциального тепла (ИТН). Однако, температура этих источников довольно низкая (1–25°С), таблица 1, и для эффективного их использования необходимо осуществить перенос этой энергии на более высокий температурный уровень (50–100°С). Это возможно осуществить с помощью тепловых насосов.

Таблица 1. Сведения о некоторых источниках низкопотенциального тепла

Основные достоинства тепловых насосов:

1) Экономичность. На данный момент тепловые насосы являются более экономичными чем котлы на дизельном топливе или электрокотлы, а в ближайшем будущем, когда цены на энергоносители сравняются с европейскими они будут превосходить даже газовые котлы.

2) Повсеместность применения. Источник рассеянного тепла можно обнаружить везде и тепловой насос будет бесперебойно отапливать ваш дом, не завися от капризов погоды, поставщиков дизельного топлива или падения давления газа в сети.

3)Экологичность. Тепловой насос не сжигает топливо, значит, не образуются вредные окислы типа CO, СO2, NOх, SO2, PbO2. Потому вокруг дома на почве нет следов серной, азотистой, фосфорной кислот и бензольных соединений. Применяемые же в тепловых насосах фреоны не содержат хлор углеродов и озон безопасны. Экологическое оборудование должно работать исключительно с использованием экологически безвредного наполнителя.

4) Универсальность. Тепловые насосы обладают свойством обратимости (реверсивности). Они могут нагревать или охлаждать помещение.

5) Безопасность. Эти агрегаты практически взрыва- 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.

6) Надежность. Надежная автоматическая работа установки, не требующая постоянного присутствия человека. Длительный срок службы без капитального ремонта (10-20 лет: 45 тыс. часов для ТН с поршневым компрессором; 60 тыс. часов для ТН с винтовым компрессором).

7) Малые габариты и вес.

Глава1 Принцип работы тепловых насосов

Идею создания испарительного теплового насоса была высказана английским физиком Кельвином в 1852 г. В основе теплового насоса лежат два физических явления. Первое: когда вещество испаряется, оно поглощает тепло, а когда конденсируется, отдает его. Второе: когда давление повышается повышается и температура испарения и конденсации вещества

В тепловом насосе происходит отбор теплоты низкопотенциального источника и его утилизация следующим образом. Теплоноситель, проходя по трубопроводу, проложенному в земле или воде, нагревается на несколько градусов, затем, проходя через теплообменник испарителя теплового насоса отдает аккумулированную теплоту. Хладагент с низкой температурой кипения в испарителе при низком давлении, отбирая эту теплоту, переходит из жидкого состояния в газообразное. Компрессор сжимает хладагент, при повышении давления повышается температура газа до 50-80°С, и затем горячий газ поступает в теплообменник конденсатора, где происходит передача тепла в систему отопления.

В настоящее время наиболее широко применяются два класса тепловых насосов. К одному классу можно отнести термоэлектрические на эффекте Пельтье, а к другому – испарительные, которые, в свою очередь подразделяются на механические компрессорные (поршневые или турбинные) и абсорбционные (диффузионные). Кроме того, постепенно возрастает интерес к использованию в качестве тепловых насосов вихревых труб, в которых работает эффект Ранка.

Тепловые насосы на эффекте Пельтье. Эффект Пельтье заключается в том, что при подаче на две стороны специально подготовленной полупроводниковой пластины, рис.3, небольшого постоянного напряжения, одна сторона этой пластины нагревается, а другая – охлаждается.

Рис. 3 Элемент Пельтье

Физическая суть эффекта состоит в следующем. Пластина элемента Пельтье (он же «термоэлектрический элемент», англ. Thermoelectric Cooler, TEC), состоит из двух слоёв полупроводника 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 слоёв нагревается дополнительно к обычному омическому нагреву). Достоинством элементов Пельтье является максимальная простота их конструкции (что может быть проще пластины, к которой припаяны два проводка) и полное отсутствие каких-либо движущихся частей, а также внутренних потоков жидкостей или газов. Следствием этого является абсолютная бесшумность работы, компактность, полное безразличие к ориентации в пространстве (при условии обеспечения достаточного теплоотвода) и очень высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам. Да и рабочее напряжение составляет лишь несколько вольт, поэтому для работы вполне достаточно нескольких батареек или автомобильного аккумулятора.

Главным недостатком термоэлектрических элементов является их относительно невысокая эффективность – ориентировочно можно считать, что на единицу перекачанного тепла им потребуется вдвое больше подведённой внешней энергии, то есть, подведя 1 Дж электрической энергии, из охлаждаемой области мы сможем удалить лишь 0.5 Дж тепла. Понятно, что все суммарные 1.5 Дж выделятся на «тёплой» стороне элемента Пельтье и их надо будет отвести во внешнюю среду. Это во много раз ниже эффективности компрессионных испарительных тепловых насосов.

На фоне столь низкого КПД обычно уже не так важны остальные недостатки, – а это небольшая удельная производительность в сочетании с высокой удельной стоимостью. В соответствии с их особенностями, основная область применения элементов Пельтье в настоящее время обычно ограничивается случаями, когда требуется не очень сильно охладить что-либо не слишком мощное, особенно в условиях сильной тряски и вибраций и при жёстких ограничениях по массе и габаритам, – например, различные узлы и детали электронной аппаратуры, прежде всего военной, авиационной и космической. Пожалуй, самое широкое распространение в быту элементы Пельтье получили в маломощных (5..30 Вт) переносных автомобильных холодильниках.

Испарительные компрессионные тепловые насосы. Принцип работы этого класса тепловых насосов заключается в следующем. В основе работы теплового насоса лежит обратный термодинамический цикл Карно. Хладагент обладает важным свойством – закипать при отрицательных температурах. Что бы заставить хладагент переносить тепло, тепловой насос оснащают четырьмя ключевыми элементами: компрессор, расширительный клапан (ТРВ), испаритель и конденсатор, рис.4.

Для удобства описания принципа работы теплового насоса, разделим цикл на 4 основные фазы:

I. Расширение. Хладагент, находящийся в жидком состоянии, продавливается через расширительное устройство – терморегулирующий вентиль (ТРВ). Задача ТРВ резко понизить давление рабочей жидкости. При относительно низком давлении (около 7 бар) рабочая жидкость способна закипеть, даже при температуре -25 ˚С. Это важно, поскольку кипение и испарение и есть процесс поглощения и выделения энергии, а это необходимое условие для второй фазы.

II. Кипение. После ТРВ жидкость поступает в испаритель, который представляет собой теплообменник. При помощи этого компонента, тепловой насос отбирает тепло от окружающей среды. Хладагент закипает и испаряется, поглощая теплоту. В итоге на выходе из испарителя хладагент находиться полностью в парообразном состоянии и всего на несколько градусов теплее своего первоначального состояния. Однако, благодаря переходу в пар, рабочая жидкость смогла получить достаточное количество энергии и готова к следующему этапу.

III. Сжатие. Дальше хладагент поступает в компрессор, при помощи которого тепловой насос сжимает рабочую жидкость. В процессе сжатия, давление хладагента повышается, это сопровождается одновременным нагревом.

IV. Сжижение. После компрессора, горячий хладагент поступает в конденсатор, который так же является теплообменником. В конденсаторе рабочая жидкость конденсируется, отдавая тепло и превращаясь снова в жидкость. Это тепло передается системе отопления и горячего водяного снабжения (ГВС). На выходе из конденсатора хладагент находится в жидкой фазе и снова поступает на ТРВ.

Рис.4 Схема рабочего цикла испарительного компрессионного теплового насоса.

Что бы лучше понять принцип работы теплового насоса, рассмотрим пять основных физических явлений, лежащих в его основе.

1. Тепло содержится в воздухе и земле даже при отрицательных температурах. Одним из препятствий на пути к пониманию принципов работы теплового насоса является заблуждение, что нельзя извлекать теплоту при отрицательных температурах воздуха или грунта. Тепло – это энергии связанная с движением (вибрацией) малейших частиц: молекул, атомов, ионов. В общепринятой и привычной нам шкале Цельсия – ноль градусов, это отметка замерзания воды. При этом, в воздухе содержится значительно меньше тепла чем при 40˚С жары, но всё же оно есть и его можно использовать. Движение частиц полностью останавливается при температуре минус 273˚С, что соответствует 0˚ по шкале Кельвина.

2. Тепло поступает от тёплого источника к холодной среде. Согласно второму закону термодинамики, тепло поступает от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой. Что бы «развернуть» этот поток при работе теплового насоса используются те самые два теплообменника. В первом теплообменнике (испарителе) хладагент с низкой температурой поглощает тепло от окружающей среды (воздух, грунт или вода), рис.5. Во втором теплообменнике (конденсаторе) уже горячий хладагент, после сжатия в компрессоре теплового насоса, передает тепло в контуре отопления, рис. 6. В обоих случаях выполняется закон передачи энергии от высокотемпературного источника энергии к низкотемпературному.

Рис.5 Передача тепла в испарителе теплового насоса

Рис.6 Передача тепла в конденсаторе теплового насоса

3. Сжатие газа повышает температуру, расширение её снижает. Тепловой насос нагревает рабочую жидкость после испарителя за счёт сжатия. Когда газ сжимается, температура, а значит и количество тепла, содержащееся в газе, увеличивается. Это происходит вследствие значительного увеличения вибрации частиц, которым становится «тесно». За этот процесс в работе теплового насоса отвечает компрессор. С другой стороны, расширение газа или жидкости приводит к снижению давления и температуры. Тепловой насос обеспечивает это при помощи расширительного клапана – ТРВ.

4. Фазовый переход рабочей среды. Если жидкость нагрелась до точки кипения, то наступает переходная фаза. Во время этой «паузы» жидкая и газообразная (пар) фаза хладагента в контуре теплового насоса существуют одновременно. Этот процесс продолжается, пока вся жидкость не превратится в пар. Основной фокус в том, что всё поглощённая энергия уходит на испарение и не вызывает рост температуры. Это тепло называют скрытой теплотой, и его количество у различных веществ различно. Хоть это тепло и называют скрытым, согласно закону сохранения энергии оно никуда не удаляется, а лишь накапливается и затем передается. Вся поглощенное во время испарения (кипения) энергия, затем выделяется при конденсации, т.е. обратном фазовом переходе из пара в жидкость. Использования фазового перехода, дает возможность значительно увеличить эффективность теплового насоса. Рабочая среда контура теплового насоса во время изменения фазы поглощает/выделяет значительно больше тепла, чем при изменении только температуры.

5. Температура испарения и конденсации рабочей среды зависит от давления. Температура, при которой рабочая жидкость конденсируется или испаряется, зависит от давления. Сжимая газообразный хладагент, компрессор так же значительно повышает давление. При большом давлении процесс конденсации происходит при относительно высоких температурах, позволяя отдавать тепловую энергию в конденсаторе теплового насоса в систему отопления.

В свою очередь, низкое давление рабочей среды приводит к тому, что хладагент может закипать при довольно низкой температуре. Этому способствует так же основное свойство рабочей жидкости.  Хладагент испаряется, а значит и поглощает тепло, при температуре -50˚С в условиях атмосферного давления. Благодаря этому свойству хладагента тепловой насос может отбирать тепло из окружающей среды даже при температуре -20˚С и отдавать тепло при температуре +60˚С. В природе это явление можно сравнить с кипением воды в горах при разряженном воздухе. На высоте 3 000 м давление составляет 0,7 бар. В таких условиях вода кипит уже при 90˚С. На уровне моря, при атмосферном давлении равном 1 бар, вода кипит при 100˚С. С увеличением давления, увеличивается и температура кипения воды. Таким образом, на «горячем» участке компрессор-конденсатор-дроссель хладагент находится под высоким давлением и преимущественно в жидком состоянии, а на «холодном» участке дроссель-испаритель-компрессор давление низкое, а хладагент в основном находится в парообразном состоянии. И сжатие, и разрежение создаются одним и тем же компрессором. С противоположной от компрессора стороны тракта зоны высокого и низкого давления разделяет дроссель, ограничивающий поток хладагента.