Реферат на тему тепловые насосы

Обновлено: 05.07.2024

Концепция тепловых насосов была разработана еще в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (Лордом Кельвином) и в дальнейшем усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером. Петера Риттера фон Риттингера

Работа содержит 1 файл

Реферат ТЕПЛОВОЙ НАСОС.doc

Введение

Более половины потерь энергии, приводящих к огромным финансовым затратам при эксплуатации зданий происходит за счет применения устаревших и/или энергозатратных климатических систем.

Одним из направлений энергосбережения в области отопления, вентиляции и кондиционирования и уменьшения финансовых затрат на эксплуатацию зданий являются технологии на основе тепловых насосов.

История возникновения теплового насоса

В 40-х годах тепловой насос был известен своей чрезвычайной эффективностью, но реальная потребность в нём возникла во время Арабского нефтяного эмбарго в 70-х годах, когда несмотря на низкие цены на энергоносители появился интерес к энергосбережению. Именно тогда доктор Джеймс Бозе, профессор Университета штата Оклахома, случайно наткнулся на старый инженерный текст о концепции тепловых насосов. Доктор Бозе решил помочь собственникам домов, чьи тепловые насосы сбрасывали горячую воду в бассейн, и приспособил тепловой насос для циркуляции воды по трубам вместо слива в бассейн. Это положило начало новой эре в области геотермальных систем. Доктор Бозе вернулся в Университет и начал развивать свою идею. С того времени Университет штата Оклахома стал центром исследования и развития геотермальных тепловых насосов. Международная Ассоциация геотермальных тепловых насосов была основана в Оклахоме и располагается в корпусе государственного Университета штата Оклахома, в которой доктор Бозе является исполнительным директором.

Сегодня именем Риттингера названа Международная премия по тепловым насосам (медаль с его изображением), посвящённая достижениям в области теплонасосных и связанных с ними технологий, таких как отопление и кондиционирование воздуха. Последними владельцами этой престижной премии являются профессор Королевского Института Технологий (Стокгольм, Швеция) Эрик Гренрид, профессор Университета Иллинойс (США) Предраг Хнджак и доктор наук Джеральд Грофф, США, которые были награждены на 9-ой Конференции Международного Энергетического Агентства по тепловым насосам, которая проходила 20–22 мая 2008 года в Цюрихе (Швейцария). Следующая Международная конференция по тепловым насосам будет проводиться в июне 2011 года в Токио, Япония.

Тепловые насосы в системах отопления и кондиционирования

Использование геотермальных тепловых насосов для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения здания или комплекса зданий
В соответствии с изображенным принципом действия, тепловой насос берет тепловую энергию, перекачивает ее, и отдает в другое место.
Например, в обычном холодильнике тепло отбирается морозильной камерой из холодильника и выбрасывается в кухню, при этом задняя стенка холодильника становится горячей.

В реверсивных кондиционерах, работающих на отопление, расположенный снаружи здания блок забирает тепло из воздуха и отдает внутреннему блоку в здание. Однако, при температурах около плюс пяти градусов, наружный блок кондиционера начинает покрыватся инеем и льдом из конденсата воздуха, что уменьшает эффективность теплопередачи. Для удаления льда кондиционер начинает периодически отапливать наружный блок электричеством, при этом мощность отопления падает, расход электроэнергии увеличивается. При дальнейшем снижении температуры в итоге эффективность отопления на кондиционерах становится равной нулю, отопление прекращается, кондиционер останавливается.

При отоплении геотермальными теплонасосами, попросту говоря, наружный блок вкапывается в землю или погружается в озеро рядом со зданием. При этом, независимо от температуры воздуха во дворе, внешний блок остается свободным от льда, эффективность теплопередачи остается высокой.

Принцип действия отопления геотермальными тепловыми насосами основан на сборе тепла из почвы или воды, и передаче собранного тепла отоплению здания. Для сбора тепла незамерзающая жидкость течет по трубе, расположенной в почве или водоеме, к тепловому насосу. Тепловой насос, подобно холодильнику, отбирает около 8 °С у незамерзающей жидкости, при этом жидкость охлаждается. Жидкость снова течет по трубе, восстанавливает свою температуру и поступает к тепловому насосу. Отобранные тепловым насосом градусы передаются системе отопления и/или на подогрев горячей воды.
Возможно отбирать тепло у подземной воды - подземная вода с температурой около 10 °С подается из скважины к тепловому насосу, который охлаждает воду до +1. +2°С, и возвращает воду под землю.
Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус двести семьдесят три градуса Цельсия - так называемый "абсолютный ноль". То есть тепловой насос может отобрать тепло у любого предмета - земли, водоема, льда, подземной скалы, плывуна и т.д.

В климатических условиях Украины для отопления здания энергия забирается из грунта (или водоема) и отдается в систему отопления здания. Если же здание, например летом, нужно охлаждать (кондиционировать), то происходит обратный процесс - тепло забирается из здания и сбрасывается в землю (водоем). Тот же тепловой насос может работать зимой на отопление, а летом на охлаждение здания. Очевидно, что теплонасос одновременно может выполнять вытекающие функции - греть воду для горячего бытового водоснабжения, кондиционировать через фанкойлы,греть бассейн, охлаждать например ледовый каток, подогревать крыши и дорожки от льда. Тоесть одно оборудование может взять на себя все функции по тепло-холодоснабжению здания.

Обмен теплом с окружающей средой геотермальные тепловые насосы осуществляют такими основными способами:

- насос с открытым циклом - из подземного потока (плывуна) забирается подземная вода, подается в размещенный внутри здания тепловой насос, вода отдает/забирает тепло у теплового насоса, и возвращается в подземный поток на расстоянии от места забора. Плюсом такого способа является возможность одновременно получить воду для водоснабжения дома. Открытые системы являются очень эффективными, поскольку температура подземной воды является относительно высокой и круглогодично стабильной. Использование воды из скважины не наносит ущерба грунтовым водам, не изменяет уровень грунтовых вод в водном горизонте, поскольку открытую систему можно рассматривать как соединённые сосуды, где вода, забираемая из одного колодца, направляется обратно под землю через второй колодец, не изменяя общий уровень воды. Корректно, в соответствии с нормативами сооружённые скважины обеспечивают безопасную для окружающей природы стабильную работу системы отопления.

- насос с закрытым циклом и водоразмещенным теплообменником - специальная жидкость (теплоноситель) прокачивается по коллекторам (трубкам), находящимся в водоеме, и отдает/забирает тепло у воды. Здания целесообразно отапливать тепловой энергией открытого водоёма в том случае, если здание находится от водоёма ближе 100 метров, и глубина водоёма, а также береговая линия соответствуют условиям, требуемым для прокладки коллектора. Плюсом такого способа является его относительная дешевизна.
Распределенные по поверхности озера коллекторы (трубки) перед заполнением теплоносителем и погружением их на дно.

- насос с закрытым циклом и горизонтальным теплообменником, размещенным в земле - трубки (коллекторы), в которых прокачивается теплоноситель, размещены горизонтально на глубине не менее метра от поверхности земли. Основной опасностью является неосмотрительность при проведении землекопных работ в зоне нахождения почвенного коллектора. Для современно жилого дома с отапливаемой площадью в 200 м2 под основание коллектора требуется около 500 м2 поверхности грунта. При прокладке коллектора вблизи деревьев трубу коллектора не следует укладывать ближе, чем 1,5 метра от кроны. Правильно выбранный по размерам и правильно уложенный почвенный коллектор не влияет негативно ни на рост растений, ни на экологические условия.

- насос с закрытым циклом и вертикальным теплообменником - трубки, в которых прокачивается теплоноситель, размещены вертикально в земле и уходят в глубину земли до 200 метров.
Как известно, на глубине 15-20 метров от поверхности земля имеет стабильную температуру 10-12 градусов Цельсия независимо от поры года. С увеличением глубины температура земли повышается. Этот способ обеспечивает самую высокую эффективность работы теплонасоса, малый расход электроэнергии и дешевое тепло - на 1 кВт электроэнергии получают до 5 кВт тепловой энергии, но требует больших первоначальных капиталовложений.

Дополнительно к вышеперечисленным, геотермальный тепловой насос может забирать остаточное тепло из воздуха, удаляемого вентиляцией здания. Вентилируемый использованный воздух перед удалением из здания охлаждается, тепло возвращается (рекуперируется) тепловому насосу.

Обращаем внимание на нецелесообразность использования в Украине систем отопления на так называемых "воздушных теплонасосах", по сути обычных кондиционерах, в которых тепло для отопления здания забирается из наружного воздуха. Эти системы разработаны и успешно используются в более теплых, чем Украина, странах, где не бывает значительных морозов - южных штатах США, Греции, Японии и т.д. Проблема в том, что размещенный снаружи теплообменник при температуре на улице около плюс 5 градусов Цельсия начинает покрываться льдом из-за замерзающего конденсата, резко снижается теплопередача, эффективность теплонасоса уменьшатся. При дальнейшем понижении температуры наружного воздуха эффективность теплонасоса становится близкой нулю, воздушный тепловой насос переходит на обычное электроотопление, что резко увеличивает расход электроэнергии, или полностью прекращается.

Пассивное охлаждение/кондиционирование

Большим плюсом некоторых систем геотермального теплонасоса является возможность прямого использования летом подземного холода для охлаждения/кондиционирования здания. Например, в системах с открытым циклом подземная вода, имеющая температуру около 10 градусов Цельсия, обычным насосом летом подается в здание и распространяется по активным конвекторам (фанкойлам), которые кондиционируют здание, после чего возвращается под землю. При этом компрессор теплонасоса не включается, электроэнергия расходуется только на прокачивание воды. На потраченный один киловатт электроэнергии можно получить до 30 киловатт холода, что в 10 раз эффективнее кондиционера. Такой способ кондиционирования называют "свободным" или "пассивным". Такое охлаждение особенно эффективно при открытом способе или способе с вертикальным теплообменником.

Если мощности пассивного охлаждения недостаточно зданию, или если используются другие способы обмена теплом с окружающей средой, для охлаждения используют компрессор теплового насоса. То есть теплонасос начинает работать как обычный кондиционер. Такое охлаждение называют "активным".

Преимущества и недостатки

Преимущества:

К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с кпд до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.
Еще одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы .
Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.
Важной особенностью системы является ее сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.
Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

Хотя идея, высказанная лордом Кельвином в 1852 году , была реализована уже спустя четыре года, практическое применение теплонасосы получили только в 30-х годах прошлого века. В западных странах тепловые насосы применяются давно — и в быту, и в промышленности. Сегодня в Японии, например, эксплуатируется около 3 миллионов установок, в Швеции около 500 000 домов обогревается тепловыми насосами различных типов.

К недостаткам тепловых насосов, используемых для отопления, следует отнести большую стоимость установленного оборудования.

Перспективы развития.

Для установки теплового насоса необходимы высокие первоначальные затраты: стоимость насоса и монтажа системы составляет $300–1200 на 1 кВт необходимой мощности отопления. Время окупаемости теплонасосов составляет 4-9 лет, при сроке службы по 15-20 лет до капитального ремонта

Существует и альтернативный взгляд на экономическую целесообразность установки теплонасосов. Так, если установка теплонасоса производится на средства взятые в кредит, экономия от использования теплонасоса может быть меньше, чем стоимость использования кредита. Поэтому массовое использования теплонасосов в частном секторе можно ожидать, если стоимость теплонасосного оборудования будет сопоставима с затратами на установку газового отопления и подключения к газовой сети.

Ещё более многообещающей является система, комбинирующая в единую систему теплоснабжения геотермальный источник и тепловой насос. При этом геотермальный источник может быть как естественного (выход геотермальных вод), так и искусственного происхождения (скважина с закачкой холодной воды в глубокий слой и выходом на поверхность нагретой воды).

Другим возможным применением теплового насоса может стать его комбинирование с существующими системами централизованного теплоснабжения. К потребителю в этом случае может подаваться относительно холодная вода, тепло которой преобразуется тепловым насосом в тепло с потенциалом, достаточным для отопления. Но при этом вследствие меньшей температуры теплоносителя потери на пути к потребителю (пропорциональные разности температуры теплоносителя и окружающей среды) могут быть значительно уменьшены. Также будет уменьшен износ труб центрального отопления, поскольку холодная вода обладает меньшей коррозионной активностью, чем

В настоящие время идёт процесс внедрения тепловой техники, который можно назвать грандиозным. Можно говорить о новой эпохе в теплоснабжении на основе тепловых насосов.

Сегодня десятки миллионов тепловых насосов функционируют по всему миру, и миллионы новых вводят ежегодно. Тепловые насосы постепенно вытесняют традиционные способы теплоснабжения. К 2020 году, ожидается, около 75% теплоснабжения в развитых странах будет осуществляться за счёт тепловых насосов.

1. Тепловой насос — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)

Теплоснабжение требует весьма больших затрат топлива, которые превосходят почти в 2 раза затраты на электроснабжение. Основными недостатками традиционных источников теплоснабжения являются низкая энергетическая (особенно на малых котельных), экономическая и экологическая эффективность (традиционное теплоснабжение является одним из основных источников загрязнения крупных городов).

Содержание

Введение 3
1 Понятие теплового насоса, классификация и область применения 4
2 Типы тепловых насосов 6
3 Тепловые насосы в системах отопления и кондиционирования 8
4 Преимущества и недостатки 10
Заключение 11
Список использованных источников 12

Прикрепленные файлы: 1 файл

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Кафедра физикохимии материалов и производственных технологий

по дисциплине: Основы энергосбережения

на темы: Тепловые насосы

Л. М. Судиловская

1 Понятие теплового насоса, классификация и область применения 4

2 Типы тепловых насосов 6

3 Тепловые насосы в системах отопления и кондиционирования 8

4 Преимущества и недостатки 10

Список использованных источников 12

Нельзя не учитывать и такой серьезный термодинамический недостаток, как низкий эксергетический КПД использования химической энергии топлива для систем теплоснабжения, который в системах отопления составляет 6-10%.

Чрезвычайно велики затраты на тепловые сети, которые являются, вероятно, самым ненадежным элементом в системах централизованного теплоснабжения.

Все перечисленные негативные факторы традиционного теплоснабжения настоятельно требуют интенсивного использования нетрадиционных методов.

Одним из таких методов является полезное использование рассеянного низкотемпературного (5-30° C) природного тепла или сбросного промышленного тепла для теплоснабжения с помощью тепловых насосов.

Тепловые насосы в силу того, что они избавлены от большинства перечисленных недостатков централизованного теплоснабжения, нашли широкое применение за рубежом, если в 1980 г. в США работало около 3 млн. теплонасосных установок, в Японии 0,5 млн., в Западной Европе 0,15 млн., то в 1993 г. общее количество работающих теплонасосных установок (ТНУ) в развитых странах превысило 12 млн., а ежегодный выпуск составляет более 1 млн. Массовое производство тепловых насосов налажено практически во всех развитых странах. По прогнозу Мирового энергетического комитета к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75 %.

1 Понятие теплового насоса, классификация и область применения

Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Большую перспективу представляет использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Известно, что в годовом цикле на ГВС расходуется примерно столько же тепла, как и на отопление зданий. Источником низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как естественного, так и искусственного происхождения. В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы:

• тепло земли (тепло грунта);

• подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные);

В качестве искусственных источников низкопотенциального тепла могут выступать:

• удаляемый вентиляционный воздух;

• канализационные стоки (сточные воды);

• тепло технологических процессов;

Таким образом, существуют большие потенциальные возможности использования энергии вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализации этого потенциала.

Ранее тепловой насос использовался в первую очередь для кондиционирования (охлаждения) воздуха. Система была способна также обеспечить определенную отопительную мощность, в большей или меньшей степени удовлетворяющую потребности в тепле в зимний период. Однако характеристики этого оборудования стремительно меняются: сейчас во многих странах Европы тепловые насосы используются в отоплении и ГВС. Такое положение связано с поиском экологичных решений: вместо традиционного сжигания ископаемого топлива - использование альтернативных источников энергии, например, солнечной. Для массового потребителя одним из наиболее предпочтительных вариантов использования нетрадиционных источников энергии является использование низкопотенциального тепла посредством тепловых насосов.

Существуют разные варианты классификации тепловых насосов. Ограничимся делением систем по их оперативным функциям на две основных категории:

• тепловые насосы только для отопления и/или горячего водоснабжения, применяемые для обеспечения комфортной температуры в помещении и/или приготовления горячей санитарной воды;

• 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.

Тепловые насосы, предназначенные исключительно для приготовления горячей санитарной воды, зачастую в качестве источника тепла используют воздух среды, но равным образом могут использовать и отводимый воздух.

2 Типы тепловых насосов

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива).

В зависимости от источника отбора тепла тепловые насосы подразделяются на:

1) Геотермальные (используют тепло земли, наземных либо подземных грунтовых вод

а) замкнутого типа

Горизонтальный геотермальный тепловой насос

Коллектор размещается кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (обычно от 1,20 м и более)[7]. Такой способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур.

Коллектор размещается вертикально в скважины глубиной до 200 м[8]. Этот способ применятся в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет разместить контур горизонтально или существует угроза повреждения ландшафта.

Коллектор размещается извилисто либо кольцами в водоеме (озере, пруду, реке) ниже глубины промерзания. Это наиболее дешевый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объёму воды в водоеме для конкретного региона.

б) открытого типа

Подобная система использует в качестве теплообменной жидкости воду, циркулирующую непосредственно через систему геотермального теплового насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе возвращается в землю. Этот вариант возможно реализовать на практике лишь при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии, что такой способ использования грунтовых вод не запрещён законодательством.

2) Воздушные (источником отбора тепла является воздух)

3) Использующие производное (вторичное) тепло (например, тепло трубопровода центрального отопления). Подобный вариант является наиболее целесообразным для промышленных объектов, где есть источники паразитного тепла, которое требует утилизации.

3 Тепловые насосы в системах отопления и кондиционирования

Использование геотермальных тепловых насосов для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения здания или комплекса зданий.

В соответствии с изображенным принципом действия, тепловой насос берет тепловую энергию, перекачивает ее, и отдает в другое место.

Например, в обычном холодильнике тепло отбирается морозильной камерой из холодильника и выбрасывается в кухню, при этом задняя стенка холодильника становится горячей.

Большая часть геотермальных тепловых насосов находится под землей. Подземными теплообменниками геотермальной системы могут быть траншеи, горизонтальные и вертикальные коллектора (обычные скважины), а также действующие дренажные или водоподъемные скважины. Для надежной работы ГТН должна быть выполнена качественная заливка бетона под основу теплового насоса. Внутри помещения геотермальные тепловые насосы занимают немного места для установки, не больше, чем обычные системы обогрева или воздушного кондиционирования.

Геотермальные тепловые насосы могут как обогревать, так и охлаждать здание, одновременно производя подогрев воды простым переходом с одного режима на другой с помощью термостата. Режим подготовки горячей воды позволяет сэкономить до 55% средств за потребление горячей воды, при этом функция подготовки горячей воды может быть и дополнительной опцией в зависимости от модели теплового насоса. Летом, когда геотермальные тепловые насосы работают в режиме охлаждения, горячая вода при кондиционировании воздуха производится бесплатно.

Геотермальные тепловые насосы очень просто интегрируются в существующую отопительную систему, создавая резервируемую двойную отопительную систему здания. При этом основным источником теплоснабжения в двойных отопительных системах выступают ГТНы, а топливные или электрические котлы выступают дополнительными источниками отопления в период сильных холодов (пиковые нагреватели).

4 Преимущества и недостатки

К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с кпд до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.

Важной особенностью системы является её сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.

Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

Хотя идея, высказанная лордом Кельвином в 1852 году, была реализована уже спустя четыре года, практическое применение теплонасосы получили только в 30-х годах прошлого века. В западных странах тепловые насосы применяются давно — и в быту, и в промышленности. В Японии, например, эксплуатируется около 3 миллионов установок, в Швеции около 500 000 домов обогревается тепловыми насосами различных типов.

К недостаткам тепловых насосов, используемых для отопления, следует отнести большую стоимость установленного оборудования.

воды. Таким образом, достигалась подача воды на некоторую высоту.

Классическая схема и конструкция одноколесного центробежного насоса,

применяющегося в различных модификациях и поныне, была осуществлена Андревсом

(США) в 1818 г. и существенно улучшена им в 1846 г. Исследования Андеревса

привели к созданию многоступенчатого центробежного насоса, однако весьма

несовершенной конструкции, запатентованной в 1851 г.

Знаменитый ученый Рейнольдс (Англия), исследуя конструкцию

многоступенчатого насоса, ввел в нее прямой и обратный направляющие лопаточные

аппараты и в 1875 г. запатентовал насос, в общих чертах аналогичный соврем енным

Широкое распространение центробежных насосов стало возможным только на

основе применения электрической энергии и, в частности, при использовании

электродвигателя трехфазного переменного тока, разработанного инженером В. О.

Доливо-Добровольским (Россия, 1888 - 1889 гг.) К этому времени относится

изобретение русским инженером В. А. Пушечниковым специального м алог абаритного

В России внедрение насосов в промышленность непосредственно связано с

развитием горно-рудного дела. В 18 в. К. Д. Фролов и другие мастера горного дела

применяли установки с поршневыми насосами для откачки воды из шахт.

В 18 в. был изобретен паровой двигатель. В 1738 г. Д. Бернулли вывел

основополагающее уравнение жидкости, которое носит его им я. В 1750 г. Л. Эйлер

впервые сделал математический анализ рабочего процесса, происходящего в

центробежном насосе и реактивной турбине, и дал основное уравнение рабочего

Примерно с начала 20-х годов 19-го века изменилось само назначение насосов.

Если первоначально они предназначались только для подъема воды, то с этого времени

они все шире применяются для перемещения жидкостей с различными вязкостью и

концентрацией взвешенных частиц, а также химических жидкостей с различными

Машины для перемещения воздуха и газов появились значительно позже насосов.

Изобретателем воздушного поршневого нагнетателя - прототипа современных

компрессоров с одной ступенью сжатия - считается немецкий физик О. Герике(1640г.).

В настоящее время отечественная промышленность выпускает насосы всех типов,

необходимые для народного хозяйства страны, начиная от миниатюрных микронасосов

для медицинской техники и кончая гигантскими осевыми насосами для ирригационных

Модернизация конструкции насосов направлена на снижение металлоемкости при

одних и тех же параметрах насосов, обеспечение наибольшей унификации узлов и

деталей насосов, что позволяет расширять номенклатуру насосов без существенных

дополнительных затрат на их производство. Большое внимание уделяется повышению

качества и надежности насосов, что позволяет экономить энергетические ресурсы и

1. Понятие теплового насоса, классификация и область применения

Тепловой насос - термодинамическая установка, в которой теплота от

низкопотенциального источника передается потребителю при более высокой

температуре. При этом затрачивается механическая энергия.

Большую перспективу представляет использование тепловых насосов в системах

горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Известно, что в годовом цикле на ГВС

расходуется примерно столько же тепла, как и на отопление зданий. Примером здания,

в котором тепловые насосы использованы для ГВС, является многоэтажный жилой

дом, построенный в Москве в Никулино- 2. В этом здании в качестве источника

низкопотенциальной тепловой энергии используется тепло земли и тепло удаляемого

вентиляционного воздуха. Подробно эта система будет рассмотрена ниже.

Источником низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как

естественного, так и искусственного происхождения. В качестве естественных

источников низкопотенциального тепла могут быть использованы:

В качестве искусственных источников низкопотенциального тепла могут выступать:

Таким образом, существуют большие потенциальные возможности использования

энергии вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем

Ранее тепловой насос использовался в первую очередь для кондиционирования

(охлаждения) воздуха. Система была способна также обеспечить определенную

отопительную мощность, в большей или меньшей степени удовлетворяющую

потребности в тепле в зимний период. Однако характеристики этого оборудования

стремительно м еняются: сейчас во многих странах Европы тепловые насосы

используются в отоплении и ГВС. Такое положение связано с поиском экологичных

решений: вместо традиционного сжигания ископаемого топлива - использование

альтернативных источников энергии, например, солнечной. Для массового потребителя

одним из наиболее предпочтительных вариантов использования нетрадиционных

источников энергии является использование низкопотенциального тепла посредством

Существуют разные варианты классиф икации тепловых насосов. Ограничимся

делением систем по их оперативным функциям на две основных категории:

• тепловые насосы только для отопления и/или горячего водоснабжения, прим еняемые

для обеспечения комфортной температуры в пом ещении и/или приготовления горячей

• 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.

Тепловые насосы, предназначенные исключительно для приготовления горячей

санитарной воды, зачастую в качестве источника тепла используют воздух среды, но

равным образом могут использовать и отводимый воздух.

Следует отметить, что постепенно увеличивается предложение тепловых насосов

класса реверсивные "воздух-вода", чаще всего поставляемых в комплекте с

расширительным баком и насосным агрегатом. По отдельному заказу поставляется

накопительный резервуар. Т акие насосы можно врезать непосредственно в

В Германии и других странах Северной Европы распространены тепловые насосы,

которые используют тепло, содержащееся в грунте. Диапазон тепловой мощности

разработанных моделей самый широкий - от 5 до 70 кВт.

По данным на 1997 год из 90 млн. тепловых насосов, установленных в мире, только около 5 %, или 4,28

млн. аппаратов, смонтировано в Европе. Совсем немного по сравнению с 57 млн. систем, имеющихся в

Японии, где такое оборудование является основным в об еспечении отопления жилого фонда. В Соединенных

Штатах насчитывается 13,5 млн. установленных агрегатов, а еще толь ко развивающийся китайский рынок

достиг уровня 10 млн. систем. Подобное нерасположение Европы имеет свои причины, однако в последнее

время отношение к тепловым насосам меняется. Примерная оценка числа тепловых насосов, установленных в

главных странах Сообщества в жилом фонде, торгово-административных и промышленных сооружениях,

приводится в табл. 1. Основную долю составляют страны Южной Европы: Исп ания, Италия и Греция.

Теплово й насо с, устройство для переноса тепловой энергии от теплоотдатчика с низкой температурой (чаще всего — окружающей среды) к теплоприёмнику с высокой температурой. Для работы Теплового насоса необходима затрата внешней энергии (например, механической, электрической, химической). Процессы, происходящие в Тепловом насосе, подобны процессам, осуществляемым рабочим телом в холодильной машине, с той разницей, что назначение холодильной машины — производство холода, а Теплового насоса — производство теплоты. Рабочим телом в Тепловом насосе обычно является жидкость с низкой температурой кипения (например, фреон, аммиак). Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.Теплоприёмник Теплового насоса получает, кроме теплоты, эквивалентной совершаемой внешней работе, теплоту, перенесённую от теплоотдатчика, например речной воды; следовательно, коэффициент преобразования энергии в Тепловом насосе всегда больше единицы и такой процесс более выгоден, чем непосредственное превращение электрической, механической или химической энергии в теплоту. Иногда Тепловые насосы применяется для отопления в районах с жарким климатом, так как в летний период эта же установка охлаждает подаваемый в здание воздух. Тепловой насос получил широкое распространение во время 2-й мировой войны 1939—45 в связи с топливными затруднениями, особенно в странах, где имеется в избытке дешёвая электрическая энергия гидростанций (например, в Швейцарии, Швеции, Норвегии и др.).

История возникновения теплового насоса

В 40-х годах тепловой насос был известен своей чрезвычайной эффективностью, но реальная потребность в нём возникла во время Арабского нефтяного эмбарго в 70-х годах, когда несмотря на низкие цены на энергоносители появился интерес к энергосбережению. Именно тогда доктор Джеймс Бозе , профессор Университета штата Оклахома, случайно наткнулся на старый инженерный текст о концепции тепловых насосов. Доктор Бозе решил помочь собственникам домов, чьи тепловые насосы сбрасывали горячую воду в бассейн, и приспособил тепловой насос для циркуляции воды по трубам вместо слива в бассейн. Это положило начало новой эре в области геотермальных систем. Доктор Бозе вернулся в Университет и начал развивать свою идею. С того времени Университет штата Оклахома стал центром исследования и развития геотермальных тепловых насосов . Международная Ассоциация геотермальных тепловых насосов была основана в Оклахоме и располагается в корпусе государственного Университета штата Оклахома, в которой доктор Бозе является исполнительным директором.

►Первый промышленный тепловой
насос, 1904 г. Лардарелло, Италия

Использование тепловых насосов, безусловно, является технологией будущего, но сама идея совсем не нова. На самом деле концепция тепловых насосов была разработана ещё в 1852 году известным британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (Лордом Кельвином) и в дальнейшем усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттером фон Риттингером (Peter Ritter von Rittinger), которого и считают изобретателем теплового насоса. Именно Риттингер спроектировал и установил первый тепловой насос в 1855 году. Сегодня его именем названа Международная премия по тепловым насосам (медаль с изображением Петера Риттера фон Риттингера), посвящённая достижениям в области теплонасосных и связанных с ними технологий, таких как отопление и кондиционирование воздуха. Последними владельцами этой престижной премии являются профессор Королевского Института Технологий (Стокгольм, Швеция) Эрик Гренрид (Prof. Eric Granryd), профессор Университета Иллинойс (США) Предраг Хнджак (Prof. Predrag S. Hrnjak) и доктор наук Джеральд Грофф (M. Sc. Gerald C. Groff), США, которые были награждены на 9-ой Конференции Международного Энергетического Агентства по тепловым насосам (International Energy Agency Heat Pump Conference), которая проходила 20–22 мая 2008 года в Цюрихе (Швейцария). Следующая Международная конференция по тепловым насосам будет проводиться в июне 2011 года в Токио, Япония.

►Наибольшая теплонасосная
система в мире, Луисвилль, США

►Доктор Джеймс
Бозе, США

В 40-х годах тепловой насос был известен своей чрезвычайной эффективностью, но реальная потребность в нём возникла во время Арабского нефтяного эмбарго в 70-х годах, когда несмотря на низкие цены на энергоносители появился интерес к энергосбережению . Именно тогда доктор Джеймс Бозе , профессор Университета штата Оклахома, случайно наткнулся на старый инженерный текст о концепции тепловых насосов. Доктор Бозе решил помочь собственникам домов, чьи тепловые насосы сбрасывали горячую воду в бассейн, и приспособил тепловой насос для циркуляции воды по трубам вместо слива в бассейн. Это положило начало новой эре в области геотермальных систем. Доктор Бозе вернулся в Университет и начал развивать свою идею. С того времени Университет штата Оклахома стал центром исследования и развития геотермальных тепловых насосов . Международная Ассоциация геотермальных тепловых насосов была основана в Оклахоме и располагается в корпусе государственного Университета штата Оклахома, в которой доктор Бозе является исполнительным директором.

Эффективность

В процессе работы компрессор потребляет электроэнергию. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина.

По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество источника низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом деле, при этом растёт эффективность теплового насоса, поскольку при слабом охлаждении источника тепла не происходит значительного роста разницы температур. По этой причине тепловые насосы делают так, чтобы масса низкотемпературного источника тепла была значительно большей, чем нагреваемая масса. Для этого, также, необходимо увеличивать площади теплообмена, чтобы перепад температур между источником тепла и холодным рабочим телом, а также между горячим рабочим телом и отапливаемой средой был поменьше. Это снижает затраты энергии на отопление, но приводит к росту габаритов и стоимости оборудования.

Отличие теплового насоса от топливных источников тепла состоит в том, что для работы, кроме энергии для компрессора, ему нужен также источник низкопотенциального тепла (воздух), в то время как в традиционных источниках тепла воздух используется как окислитель.

Проблема привязки теплового насоса к источнику низкопотенциального тепла, имеющего большую массу может быть решена [источник не указан 670 дней ] введением в тепловой насос системы массопереноса, например, системы прокачки воды. Так устроена система центрального отопления Стокгольма.

Применение тепловых насосов для обогрева помещений эффективнее отопительных газовых котлов , при этом можно получить экономию газа до 3-5 раз в сравнении с газовыми котлами. [7] . Однако, даже современные парогазотурбинные установки на электростанциях выделяют большое количество тепла, что и используется в когенерации . Тем не менее, при использовании электростанций, которые не генерируют попутное тепло (солнечные батареи , ветряные электростанции , топливные элементы ) применении тепловых насосов также более эффективно, чем использование электронагревательных приборов.

В действительности приходится учитывать накладные расходы по передаче, преобразованию и распределению электроэнергии (то есть услуги электрических сетей ). В результате отпускная цена электричества в 3-5 раз превышает его себестоимость, что приводит к финансовой неэффективности данной технологии.

Геотермальные (используют тепло земли, наземных либо подземных грунтовых вод)

а) замкнутого типа

Коллектор размещается кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (обычно от 1,20 м и более) [9] . Такой способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур.

Коллектор размещается вертикально в скважины глубиной до 200 м [10] . Этот способ применятся в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет разместить контур горизонтально или существует угроза повреждения ландшафта.

Коллектор размещается извилисто либо кольцами в водоеме (озере, пруде, реке) ниже глубины промерзания. Это наиболее дешевый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объему воды в водоеме для конкретного региона.
б) открытого типа
Подобная система использует в качестве теплообменной жидкости воду, циркулирующую непосредственно через систему геотермального теплового насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе возвращается в землю. Этот вариант возможно реализовать на практике лишь при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии, что такой способ использования грунтовых вод не запрещен законодательством.

Воздушные (источником отбора тепла является воздух)
Использующие производное (вторичное) тепло (например, тепло трубопровода центрального отопления). Подобный вариант является наиболее целесообразным для промышленных объектов, где есть источники паразитного тепла, которое требует утилизации .

Преимущества и недостатки

Еще одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы .

Важной особенностью системы является ее сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.

Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

Бассейны
Дачи, коттеджи
Квартиры
Гостиницы, рестораны
Коттеджные городки
Офисно-торговые центры
Производственные помещения

· Таблица 1 1 Эффективность некоторых типов компрессоров, используемых в современных теплонасосных системах теплоснабжения

Мощность, кВт

Тип компрессора

Эффективность
(степень термодинамического совершенства)
h, доли ед.

Читайте также: