Тепловые насосы

Тепловой насос — это устройство для переноса тепловой энергии от источника с более низкой температурой к потребителю с более высокой температурой за счёт совершения работы (обычно компрессором, приводимым в движение электродвигателем или двигателем внутреннего сгорания). По принципу действия тепловой насос аналогичен холодильной машине, но работает в обратном цикле: в качестве полезного эффекта рассматривается теплота, передаваемая нагреваемому объекту (системе отопления, горячего водоснабжения), а не холод, отводимый от охлаждаемого объекта. Тепловые насосы позволяют использовать для отопления низкопотенциальное тепло окружающей среды (грунта, воды, воздуха) или вторичные тепловые ресурсы (вентиляционные выбросы, сточные воды), обеспечивая коэффициент преобразования энергии (COP) от 2 до 6 и выше.

Принцип действия

В основе работы теплового насоса лежит обратный термодинамический цикл (цикл Карно, Ренкина или Брайтона в зависимости от типа машины). Основными элементами любой парокомпрессионной тепловой насосной установки являются:

• Испаритель — теплообменник, в котором хладагент (рабочее тело) при низком давлении и низкой температуре отбирает тепло от источника низкопотенциальной энергии (грунта, воды, воздуха). При этом хладагент испаряется, переходя из жидкой фазы в газообразную.
• Компрессор — механическое устройство, повышающее давление и температуру газообразного хладагента за счёт подводимой извне энергии (электрической, механической). Компрессор является единственным потребителем энергии в цикле.
• Конденсатор — теплообменник, в котором горячий газообразный хладагент под высоким давлением отдаёт тепло потребителю (системе отопления, горячего водоснабжения). При этом хладагент конденсируется, переходя обратно в жидкую фазу.
• Дроссельный вентиль (терморегулирующий вентиль, ТРВ) — устройство, резко снижающее давление и температуру жидкого хладагента перед его подачей в испаритель. После дросселирования хладагент снова готов к отбору тепла.

Цикл замкнут: хладагент циркулирует по контуру, последовательно проходя через испаритель, компрессор, конденсатор и дроссель. Количество тепла, переданного потребителю в конденсаторе, равно сумме тепла, отобранного от источника в испарителе, и работы, затраченной компрессором. Эффективность цикла характеризуется коэффициентом преобразования (COP — Coefficient of Performance), который показывает отношение полезной тепловой мощности к затраченной электрической (или механической) мощности.

Классификация

Тепловые насосы классифицируются по нескольким основным признакам.

По типу источника низкопотенциального тепла и теплоприёмника

Наиболее распространённая классификация — по типу теплоносителя на стороне источника и потребителя. Обозначается по схеме «источник/потребитель»:

• Грунт-вода (геотермальные). Используют тепло грунта (на глубине 5–150 м) через вертикальные зонды или горизонтальные коллекторы. Наиболее стабильный и эффективный тип, так как температура грунта на глубине практически постоянна (5–12 °C в зависимости от региона). Требуют значительных земляных работ.
• Вода-вода. Используют тепло грунтовых вод, озёр, рек или промышленных стоков. Требуют наличия скважины или открытого водоёма. Эффективность высокая, но зависит от температуры и химического состава воды.
• Воздух-вода. Отбирают тепло из наружного воздуха. Наиболее просты в установке, не требуют бурения или земляных работ. Эффективность сильно падает при низких температурах наружного воздуха (ниже −15…−20 °C), что требует использования резервного электрического нагревателя.
• Воздух-воздух. Передают тепло от наружного воздуха непосредственно в воздух помещения. Часто реализуются в виде сплит-систем, работающих на обогрев. COP таких систем также снижается с понижением температуры наружного воздуха.
• Вода-воздух. Используют тепло воды (грунтовой или из водоёма) для нагрева воздуха в системе вентиляции или отопления.

По типу привода компрессора

• Электрические — наиболее распространённый тип. Компрессор приводится в действие электродвигателем.
• С приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) — компрессор работает от газового или дизельного двигателя. Тепло от ДВС также может утилизироваться.
• Абсорбционные — не имеют механического компрессора. Вместо него используется тепловой насос, работающий на принципе абсорбции (поглощения) хладагента абсорбентом с последующей регенерацией. Источником энергии может быть природный газ, солнечная энергия или отходящее тепло.

По типу цикла

• Парокомпрессионные — наиболее распространённые, работают на описанном выше цикле с фазовым переходом хладагента.
• Термоэлектрические (на эффекте Пельтье) — не имеют движущихся частей и хладагента. Используют полупроводниковые элементы. Имеют низкий КПД и применяются в основном в маломощных устройствах (охлаждение электроники, автомобильные холодильники).
• Газовые (цикл Брайтона) — работают на сжатии и расширении газа (обычно воздуха или гелия) без фазового перехода. Применяются в промышленности для получения высоких температур.

История

Первые теоретические основы работы теплового насоса были заложены в 1852 году Уильямом Томсоном (лордом Кельвином), который описал принцип «отопления с помощью холодильной машины». В 1855 году австрийский инженер Петер Риттер фон Риттингер построил первый действующий прототип теплового насоса, использовавший тепло речной воды.

Практическое применение началось в XX веке. В 1930-х годах в Швейцарии и США были построены первые крупные установки для отопления зданий. В 1940-х годах в США началось серийное производство тепловых насосов типа «воздух-воздух». Однако массовое распространение они получили только после нефтяного кризиса 1973 года, когда резко возросла стоимость ископаемого топлива, и интерес к энергоэффективным технологиям значительно вырос.

В России и СССР тепловые насосы начали разрабатываться в 1920-х годах, но широкого применения не получили из-за относительно низких цен на энергоносители. В настоящее время в России наблюдается рост интереса к тепловым насосам, особенно в регионах с дорогим электричеством или отсутствием магистрального газа.

Применение

Тепловые насосы используются в различных сферах:

• Отопление и горячее водоснабжение жилых, коммерческих и промышленных зданий. Являются основной альтернативой газовым и электрическим котлам.
• Кондиционирование (обратный цикл — охлаждение). Многие модели тепловых насосов «воздух-воздух» и «вода-воздух» могут работать как в режиме нагрева, так и в режиме охлаждения.
• Подогрев воды в бассейнах.
• Промышленность — утилизация тепла отходящих газов, вентиляционных выбросов, сточных вод для предварительного нагрева сырья или подогрева воздуха в системах вентиляции.
• Сельское хозяйство — обогрев теплиц, животноводческих помещений, сушка зерна.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая энергоэффективность. COP тепловых насосов значительно выше 1, что позволяет получать 3–6 кВт тепла на каждый затраченный кВт⋅ч электроэнергии.
• Экологичность. При использовании электричества от возобновляемых источников (солнечные, ветряные электростанции) тепловые насосы не производят прямых выбросов CO₂. При работе на электричестве от ТЭС выбросы всё равно ниже, чем при сжигании газа или угля в индивидуальном котле.
• Универсальность. Многие модели могут работать как на отопление, так и на охлаждение.
• Безопасность. Отсутствие открытого пламени, дымохода, утечек газа. Не требуется регулярное обслуживание, как у газовых котлов.
• Долговечность. Срок службы геотермальных тепловых насосов может достигать 25–30 лет, а грунтовых зондов — 50–100 лет.

Недостатки

• Высокая первоначальная стоимость. Особенно для геотермальных систем, требующих бурения скважин или укладки грунтовых коллекторов. Стоимость оборудования и монтажа может в 2–4 раза превышать стоимость газового котла.
• Зависимость от температуры источника. Эффективность воздушных тепловых насосов резко падает при сильных морозах, что требует установки резервного электрического нагревателя.
• Необходимость в электроэнергии. Для работы компрессора требуется надёжное электроснабжение. При отключении электричества тепловой насос не работает.
• Шум. Наружный блок воздушного теплового насоса (вентилятор и компрессор) может создавать шум.
• Ограничения по температуре теплоносителя. Максимальная температура на выходе из конденсатора обычно не превышает 55–65 °C, что может быть недостаточно для старых радиаторных систем отопления (требуется низкотемпературное отопление — тёплые полы, фанкойлы).

Эффективность и экономика

Эффективность теплового насоса оценивается коэффициентом преобразования (COP) и сезонным коэффициентом преобразования (SCOP), который учитывает изменение температуры источника в течение года. COP для геотермальных систем обычно составляет 4–6, для воздушных — 2–4 (в зависимости от температуры наружного воздуха).

Экономическая целесообразность установки теплового насоса зависит от:

• климатических условий региона;
• стоимости электроэнергии и альтернативных энергоносителей (газ, уголь, дизель);
• стоимости оборудования и монтажа;
• наличия государственных субсидий и льгот.

В ряде стран (Швеция, Норвегия, Германия, США) тепловые насосы являются основным типом отопительного оборудования. В России, особенно в южных и центральных регионах, их использование становится экономически оправданным при условии низкой стоимости электроэнергии (например, при наличии льготного тарифа для электроотопления) или при отсутствии магистрального газа.

Перспективы развития

Основные направления развития тепловых насосов включают:

• Повышение эффективности при низких температурах (разработка новых хладагентов, двухступенчатых компрессоров).
• Снижение стоимости за счёт автоматизации производства и использования новых материалов.
• Интеграция с системами «умного дома» и возобновляемыми источниками энергии (солнечные батареи, ветрогенераторы).
• Разработка высокотемпературных тепловых насосов (до 90–120 °C) для промышленного применения.
• Использование тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения (крупные установки мощностью до нескольких мегаватт).

Источники

1. Тепловые насосы: теория и практика / Под ред. В. Н. Костина. — М.: Энергоатомиздат, 2010.
2. Энергосбережение в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха / Под ред. В. И. Ливчака. — М.: АВОК-ПРЕСС, 2005.
3. Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети. — М.: Издательство МЭИ, 2001.
4. Стандарт Ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха (ASHRAE) по тепловым насосам.
5. Материалы Международного энергетического агентства (IEA) по технологиям тепловых насосов.