О тепловых насосах

Тепловой насос - это холодильная машина, отличающаяся по принципу работы от обычного холодильника только наличием специального реверсивного клапана, который может менять направление потока тепла. Тепловые насосы могут быть типизированы по признаку вида используемых рабочих сред в первичном и вторичном рабочих контурах:

  • – тепловой насос «воздух-воздух» — оба контура используют воздух в качестве рабочих сред;

  • – тепловой насос «вода-воздух» — первичный контур использует в качестве теплоносителя воду, вторичный – воздух;

  • – тепловой насос «вода-вода» — оба контура используют в качестве теплоносителя воду.
Этот тип тепловых насосов еще принято называть Чиллер-Котел, поскольку, в зависимости от положения реверсивного клапана, установка может охлаждать либо подогревать воду.

Увеличить картинку

Увеличить картинку

В пределах настоящей презентации рассматриваются только тепловые насосы двух последних типов, а именно, насосы с первичным водяным контуром, которые с нашей точки зрения, наиболее оптимальны для создания исскуственного климата в городских условиях.

Наиболее распространенным рефрижерантом в настоящее время является R-407, однако мировые производители переходят на безвредные для природы рефрижеранты, такие как R-410A. Все современные рефрижеранты имеют максимальную эффективность (отношение количества полезного тепла к количеству затраченной электроэнергии) при температуре первичного контура, близкой к комнатной: 20-28 °C. Это обстоятельство делает эти насосы идеальным средством отопления и охлаждения в городских условиях.

Многоэтажные жилые дома

В настоящее время Украина переживает строительный бум. Это наиболее заметно в таких городах как Киев, Днепропетровск, Харьков и другие. Высота этих домов может быть от 5 до 50 этажей. Средняя высота потолка таких квартир около трех метров и в них может быть легко установлена система центрального кондиционирования воздуха. В то же время стандартным решением для обогрева квартир до сих пор являются обычные высокотемпературные радиаторы или/и системы «теплых полов». Во многих случаях кондиционирование воздуха отсутствует.

При возможности эти многоэтажные здания присоединяются к теплоцентрали. В случаях, когда такое решение невозможно из-за отсутствия теплоцентрали или нехватки на некоторых ее участках мощности, на таких зданиях устанавливаются индивидуальные тепловые пункты (ИТП). В редких случаях здания оборудованы системой «Чиллер-Фен-койл».

Рассмотрим ряд случаев, когда использование тепловых насосов может существенно упростить решение задач теплоснабжения и кондиционирования и улучшить качество жилья в городских условиях.

Существующая теплоцентраль исчерпала ресурсы высоко потенциального тепла

В этом случае вода в центральной сети еще имеет достаточно низкий уровень потенциального тепла для обогрева значительной части здания. Обратная вода обычно имеет температуру 30-40 °C.

На этой диаграмме приведен пример использования обратной воды из центрального теплового пункта для нагрева контура водяных тепловых насосов. Эта система использует теплообменник и трехходовой клапан для поддержания температур в прямой трубе контура тепловых насосов в диапазоне 25-28 градусов. Вода в обратной трубе тепловых насосов обычно опускается до 15-20 градусов.

Диаграмма иллюстрирует случай, когда горячая питьевая вода поставляется традиционным методом из ЦТП. В качестве альтернативы для горячего водоснабжения могут быть использованы индивидуальные тепловые насосы типа Вода-Вода серии WP, расположенные в каждой квартире.

Подключение здания прямо к обратной трубе центральной тепловой сети

Насос P11 или P12, оснащенный частотным преобразователем, забирает воду из обратной трубы тепловой сети, прокачивает ее через теплообменник и возвращает ее в ту же трубу. Система управления регулирует скорость насоса таким образом, чтобы температура в прямой трубе контура тепловых насосов была в оптимальном диапазоне от 25-28 градусов. Преимущества этой системы заключается в ее сравнительно малом размере, легкости монтажа.

Увеличить картинку

В обоих случаях легко добавляется система охлаждения при установке на крыше градирни

На этой диаграмме в периоды, кода требуется отопление, работают насосы Р1 и Р2 и клапан V1 включен в состояние обхода градирни, градирня выключена. Система управления поддерживает температуру ТЕ в диапазоне 25-28 градусов. Когда требуется охлаждение, насосы Р1 выключаются, клапан V1 включается в состояние пропуска воды через градирню, система управления регулирует скорость вентилятора градирни так, чтобы температура в прямой трубе контура тепловых насосов была в диапазоне 25-28 градусов.

Увеличить картинку Увеличить картинку Увеличить картинку

Необходимо отметить, что в переходные периоды года значительную часть времени не потребуется внешнего отопления или охлаждения здания, поскольку тепловые насосы, например, на северной и южной сторонах здания будут работать в противоположных режимах, и тепло будет перекачиваться с южной стороны здания на северную.

В тех случаях, когда строится новая ветвь тепловой сети,

рассчитанная на использование тепловых насосов, она может быть рассчитана на максимальную температуру 70 °C. Такая система обеспечит горячее водоснабжение и отопление в течении всего года.

Увеличить картинку

Увеличить картинку

Подсоединение контура тепловых насосов может быть осуществлено между прямой и обратной трубами тепловой магистрали, либо только к обратной трубе с использованием циркуляционных насосов, как это показано на диаграмме. Основное достоинство такого подхода является то обстоятельство, что тепловая магистраль может работать при низких давлениях и может быть выполнена из нержавеющих пластиковых материалов.

При отсутствии тепловой сети может быть использована схема «Котел-Градирня»

В этом случае низко потенциальное тепло для обогрева генерируется специальными высокоэффективными конденсационными котлами . При необходимости вывода тепла из включается градирня и включается клапан V3. При необходимости ввода тепла в здания, клапан V3 закрывается, градирня выключается, клапаны V1 и/или V2 открываются, и включаются один или два котла.

Увеличить картинку Увеличить картинку

Следует отметить, что такая система является значительно более энергетически экономичной по сравнению с традиционным водяным отоплением, поскольку значительную часть времени тепло перекачивается внутри системы из одних помещений, требующих охлаждения (например, с южной стороны здания) в другие помещения, требующие отопления.

Система отопления и кондиционирования отдельной квартиры

Оборудование квартиры может включать в себя тепловой насос с воздушным вторичным контуром. Для обеспечения адекватной вентиляции в насос подается необходимое количество внешнего воздуха, предварительно обработанного коллективной приточной установкой (которая может быть построена с использованием теплового насоса). Система может быть оборудована зонным регулированием температуры, при которой каждая зона (комната) оборудуется воздушной заслонкой и термометром, и система автоматики поддерживает точную температуру в каждой зоне. При желании может быть установлен тепловой насос типа «Вода-Вода», который обеспечит питание теплых полов, например, в ванной.

Также может быть установлен тепловой насос типа «Вода-Вода» с накопительным баком для обеспечения горячего водоснабжения. В последнем случае к каждой квартире подводятся только три трубы: две трубы контура тепловых насосов и труба холодной воды. Легко заметить, что предлагаемая система в состоянии обеспечить практически любой уровень комфорта в течении всего года, включая те месяцы, когда тепловая сеть работает только в режиме горячего водоснабжения.

Увеличить картинку

Существует только одна схема отопления и кондиционирования, которая может обеспечить сопоставимый уровень комфорта. Это схема отопления и кондиционирования при помощи фен-койлов. При этой схеме для нагрева используется тепло из обычной теплосети, и для целей охлаждения используется чиллер с воздушным либо водяным первичным контуром. Система тепловых насосов имеет целый ряд преимуществ по сравнению с аналогичной системой с фен-койлами:

  • Система с фен-койлами, использующая в качестве источника тепла теплосеть, обеспечивает обогрев только когда теплосеть функционирует в отопительном режиме; т.е. значительное количество дней в году в переходный и летний периоды, когда внешняя температура низка, система не обеспечивает комфорта;

  • Система с фен-койлами требует четырехтрубную разводку с хорошей теплоизоляцией. Система с тепловыми насосами требует только две трубы и не требует теплоизоляции т.к. трубы имеют температуру, близкую к комнатной;

  • Система с фен-койлами требует установки громоздкого мощного чиллера, находящегося в коммунальном ведении. Система с тепловыми насосами имеет основное оборудование в частном ведении, что существенно упрощает требования к коммунальному обслуживанию системы;

  • Поскольку значительная часть энергии в случае системы с тепловыми насосами оплачивается владельцем квартиры (офиса), имеется достаточный стимул к экономии энергии;

  • Как указывалось выше, системы с тепловыми насосами зачастую совсем не используют внешнюю тепловую энергию, а используют только электроэнергию для перекачки тепла из одних помещений в другие.

Подводя итог, можно прийти к заключению, что современные тепловые насосы могут найти очень широкое применение в городском строительстве, помочь решить многие проблемы современного централизованного теплоснабжения и в тоже время существенно увеличить уровень комфорта в жилом и офисном фонде.

Следует также отметить, что технология тепловых насосов имеет долгую историю развития, начиная с пятидесятых годов прошлого века. Это очень хорошо освоенная технология, широко применяющаяся в жилищном и коммерческом строительстве целого ряда стран, особенно в США и Японии.