Источники теплоты для тепловых насосов

Применение тепловых насосов всегда требует не только затрат энергии на привод, но и дополнительных источников теплоты. Особый интерес представляют источники теплоты для тепловых насосов в тех случаях, когда рассматриваемые источники не могут использоваться обычными способами, т. е. температура которых ниже 55 ⁰С. К таким источникам теплоты относятся отобранная теплота и энергия окружающего пространства.

Окружающая среда представляет интерес как источник энергии тогда, когда его температурный уровень незначительно отличается от температуры, нужной потребителю, что, например, характерно для воздушного отопления помещений. Здесь в зависимости от времени года требуемая температура воздуха в помещении и источника энергии из окружающей среды обычно отличаются не более чем на 10−15 К, а в исключительных случаях — до 35 К.

Энергетический уровень окружающей среды зависит от места и времени. Содержание энергии в окружающем нас пространстве определяется главным образом солнечной радиацией, а так же геотермальной энергией и в значительной степени энергией отходящего тепла в результате преобразования энергии твердого и ядерного топлива. Часть солнечной энергии, попадающей на землю, в результате биологических процессов преобразуется в химически связанную энергию, которая затем постепенно в процессе сгорания выделяется в виде теплоты в окружающую среду. В качестве поглотителя потока энергии, излучаемого окружающей средой, выступает холодное, не отражающее энергию космическое пространство.

Источником энергии из окружающего пространства (энергоносителями) служат почва, грунтовые и поверхностные воды, воздух, растения и постройки. Температурное поле окружающей среды неоднородно по месту и времени как вне, так и внутри источников энергии. Такое неоднородное температурное поле возникает из-за дифференцированного распределения солнечной радиации на поверхности земли, зависящей не только от географических, но так же от различных атмосферных условий, особенно от облачности и атмосферных разрядов. Затененность, вызванная растениями и постройками, атмосферные течения и различные препятствия распространению теплового потока повышают неоднородность температурного поля. В зависимости от наличия препятствий распространению теплоты годовые и суточные колебания облучения и излучения поверхности земли в большой или меньшей мере влияют на источники энергии окружающей среды. Так же неравномерно поступает в окружающую среду отработанная теплота процессов преобразования энергии, что особенно заметно в промышленных зонах, городах и на электростанциях.

С помощью тепловых насосов можно использовать существующую повсеместно энергию окружающего пространства, прежде всего в целях отопления помещения. Однако эффективное использование тепловых насосов предусматривает учет целесообразных условий эксплуатации, связанных с температурным полем источников энергии.

Окружающий воздух весьма чувствителен к суточным и годовым температурным колебаниям, другие же источники энергии в зависимости от сопротивления ее распространению могут значительно слабее реагировать на эти факторы или вообще не ощущать их влияния. Таким образом, температурный уровень энергии окружающей среды зависит от различных внешних условий, влияющих друг на друга. При применении тепловых насосов не стремятся к непосредственному использованию энергии окружающей среды, являющейся малоэффективным источником, а стараются использовать источники с высоким температурным уровнем, чтобы достичь высокого коэффициента преобразования благодаря небольшой разности температур между источником тепла и теплоносителем установки.

Энергия глобального пространства и, соответственно, местной окружающей среды создается в основном двумя потоками энергии: солнечной радиацией и отработанной теплотой. Температурный уровень этих двух потоков при входе в пространство превышает температуру местной окружающей среды, поэтому рекомендуют использовать эти два потока энергии с температурным уровнем, превышающим температуру местной окружающей среды, для работы тепловых насосов, прежде чем их температура сравняется с окружающей средой.

Поскольку потребность в теплоте по времени не всегда соответствует количеству теплоты, имеющемуся в окружающей среде и доставляемому от высокотемпературных источников теплоты, целесообразно для уменьшения несоответствия применять низкотемпературные аккумуляторы. Использование таких аккумуляторов позволяет при относительно небольших потерях теплоты создать высокотемпературный тепловой источник, который можно использовать с высоким коэффициентом преобразования в необходимый момент и обеспечить периодический режим эксплуатации во время пиковых нагрузок.

Исходя из вышеизложенного, для улучшения условий использования энергии окружающей среды с применением тепловых насосов рекомендуется:

использовать местные высокотемпературные источники энергии (например, грунтовые и поверхностные воды, грунт на определенной глубине);

использовать внешние высокотемпературные потоки энергии перед выравниваем их температуры с температурой окружающей среды (например, солнечную радиацию с помощью коллекторов и абсорберов, отработанную теплоту с помощью теплообменников);

— аккумулировать и периодически использовать высокотемпературные источники окружающей среды в низкотемпературных аккумуляторах (например, сдвинутое по фазе использование грунтовых вод, грунтовых аккумуляторов, аккумуляторов сбросной воды).

Грунтовые воды — хороший аккумулятор солнечного тепла. Даже в холодные зимние дни они сохраняют постоянную температуру +9 — + 14 ^оС. В этом их преимущество. По причине неизменного температурного уровня источника тепла коэффициент мощности теплового насоса остается высоким в течение всего года. К сожалению, не везде имеется достаточное количество грунтовых вод надлежащего качества. Но там, где выполняются необходимые условия, грунтовые воды стоит использовать.

В случае грунтовых вод, не содержащих кислорода, и с высоким содержанием железа и марганца колодцы могут разрушаться. В этих случаях нельзя допускать контакта грунтовых вод с окружающим воздухом, или необходимо соответствующим образом обработать воду (VDI 4640).

Качество воды в общих чертах должно соответствовать приведенным предельным значениям, различающимся в зависимости от материалов, используемых в теплообменнике: нержавеющая сталь (1.4401) и медь. Если соблюдаются эти предельные значения, то, как правило, можно ожидать, что при эксплуатации колодцев не будет каких-либо проблем.

Трубы горизонтальных теплообменников размещают в траншеях. Размещение труб в траншее обычно выполняется двумя основными способами: прямые и свитые в спираль трубы. В жизни существуют и другие, иногда довольно экзотические, способы, например, трубопроводы, прикрывают сверху медными пластинками (copper fins) — видимо для улучшения теплообмена. Контур отбора тепла из водоема может быть открытым или закрытым. В первом случае вода из водоема перекачивается через охладитель, охлаждается и возвращается в водоем (рис. 4). Такая система требует фильтрации подаваемой в охладитель воды и периодической чистки теплообменника. Как правило, устанавливается промежуточный разборный теплообменник. Забор и возврат воды должны осуществляться в направлении потока грунтовых вод, чтобы исключить «байпасирование» воды. Заборная магистраль должны быть с обратным клапаном (4), располагаемым в точке забора или после глубинного насоса (5). Подвод и отвод грунтовых вод к тепловому насосу должен быть защищен от замораживания и прокладывается с наклоном в сторону скважины.

Расстояние между заборной (2) и возвратной (1) скважинами должно быть не менее 5 м. Точка выхода воды в возвратной скважине должна быть ниже уровня грунтовых вод.

Подземные воды, так же как и поверхностные слои земли, могут быть использованы в качестве источника тепла для индивидуальных домов, многоквартирных зданий и районных котельных. Температура подземных вод обычно является постоянной на глубине 15−20 м, и для большинства климатических регионов Республики Казахстан составляет 6−10°С.

Для извлечения тепла подземных вод используются обычные методы бурения скважин диаметром 10−20 см, глубиной 50−150 м.

Как и при использовании озерной воды, применяются два различных принципа сбора тепла. В одном случае замкнутая трубопроводная система опускается в скважину. В таком коллекторе циркулирует теплоноситель, который извлекает тепло из подземной воды и переносит его в испаритель теплового насоса.

Для небольшого теплового насоса мощностью около 10 кВт, который может использоваться для индивидуальных домов, требуется расход подземного потока около 1−2 м³/час (в зависимости от температуры).

В другом варианте подземная вода закачивается непосредственно в испаритель, и после охлаждения сбрасывается в специальную скважину, достаточно далеко от места забора, чтобы исключить охлаждение источника подземной воды.

При использовании грунтовых и подземных вод в качестве источника низко потенциального тепла для ТСТ необходимо учитывать риск нарушения их гидрологического и экологического баланса.

Возможности использования тепловых насосов на грунтовых и подземных водах ограничены территориями, где температура этих вод меньше +4,5°С.

На использование грунтовых вод должно быть получено разрешение соответствующего ведомства (обычно службы госводонадзора). Для использования тепла грунтовых и подземных вод необходимо построить колодец и дренаж. Для работы тепловых насосов при определенных условиях могут использоваться озера и реки, т.к. они тоже выступают в роли аккумуляторов тепла. В этом случае следует предусмотреть промежуточный контур.

При проектировании зданий и сооружений с применением энергосберегающих технологий, в том числе с применением тепловых насосов, использующих теплоту ВЭР и нетрадиционных источников энергии, необходимо рассматривать объект как единое целое.

ТСТ проектируются для каждого конкретного объекта в зависимости от энергетических нагрузок, почвенно-климатических условий района строительства и стоимости энергоносителей.