fbpx

Еволюція теплових насосів

За матеріалами П. Ландквіста, професора кафедри прикладної термодинаміки і холодильної техніки, президента комісії Е2 Міжнародного інституту холоду

Еволюція теплових насосів

Еволюція теплових насосів

Проаналізувавши останні 45 років, протягом яких по наростаючій йде впровадження теплових насосів – технології, що дозволяє перетворювати низькопотенційну енергію навколишнього середовища в теплову, було виявлено безліч, як позитивних моментів, так і помилок. У даній статті на прикладі Швеції показано, куди за цей час змістилися пріоритети розвитку теплових насосів і як різні стимули змінили їх ринок і технологію.

1975-1985: роки становлення

Цей період характеризується різними амбіційними ініціативами, дослідженнями і розробками. Крім того, було проведено велику кількість польових вимірювань і досліджень.

Певним успіхом на ринку користуються теплові насоси неглибокого залягання з ґрунтовим джерелом тепла, часто зі змійовиками прямого розширення. Ця технологія отримала підтримку Департаменту енергетики Швеції. Виділяються щедрі державні субсидії і гранти, результатом яких на початку 1980 х років стає «сплеск» інтересу до теплових насосів. У 1985 році в системі централізованого теплопостачання вже працює близько 100 теплових насосів мегаватної потужності, крім цього приблизно 110 000 насосів малої потужності використовувалися в житлових будинках.

Теплові насоси також стають об’єктом досліджень для університетів, особливо Королівського інституту технологій (Kungliga Tekniska Hogskolan – далі KTH) і Чалмерского Університет Технологій (Chalmers tekniska hogskola – далі Chalmers). Системи з ґрунтовим джерелом тепла досліджувалися в Технічному інституті Ланда (Lund tekniska hogskola – далі LTH).

Одним з головних досягнень цього періоду стало створення керівництва по грунтових джерел (Claesson 1985), в якому розглядалися всі види систем опалення, охолодження і зберігання енергії. Математичні моделі з цього керівництва до сих пір використовуються в якості основи для відтворення поведінки джерел теплоти для систем теплових насосів з грунтовими джерелами.

У Стокгольмі був побудований найбільший тепловий насос, потужністю 250 МВт, який міг покривати до 60% загальної теплового навантаження мережі централізованого теплопостачання Стокгольма.

Проблем з холодоагентами не виникало: питання виснаження озонового шару і глобального потепління були невідомі. У системах з ґрунтовим джерелом зазвичай використовувався R22 або R502. Унікальна особливість того часу – робота багатьох систем досліджувалася з моменту створення ще тривалий час, що дозволило накопичити значний досвід.

Типові показники ефективності для односімейних житлових будинків:

hКарно = 0,4-0,5, SPF 1 = 2,0-2,5 (грунтове джерело), ​​1,5-2,2 (зовнішнє повітря) і 2,0-2,5 (витяжне повітря).


1986-1995: крах ринку і припинення використання холодоагенту

Початок періоду характеризується істотним зниженням вартості мазуту, зменшенням державних субсидій і зростанням процентних ставок. Це викликало крах ринку і банкрутство багатьох компаній.

Припинення використання фреону ще більш ускладнило життя виробників. Швеція опинилася на передовій заборони озоноруйнуючих речовин і запустила першу національну дослідницьку програму в області альтернативних холодоагентів: R143 швидко став заміною для R12, R404A і R507 – для R502, а потім R407C – для R22.

На початку 1990 х був оголошений конкурс на найбільш ефективний тепловий насос. Хоча нові агрегати не були досконалі за багатьма технічними показниками, вони струснули ринок даного обладнання. Було встановлено велику кількість теплових насосів «повітря – повітря», які ще не були повністю адаптовані для роботи в даних кліматичних умовах: зміна температури зовнішнього повітря вище або нижче очікуваних меж викликали неполадки.

З’явилися пластинчасті теплообмінники, що дозволили істотно зменшити обсяг використовуваного хладагента і знизити різницю температур в теплообміннику. Компресори ставали все більш ефективними з коефіцієнтами тиску, більш придатними для роботи з тепловими насосами. Крім того, ринкова конкуренція і раціоналізація значно знизили вартість буріння.

Типові показники ефективності теплових насосів

Для односімейних житлових будинків:

hКарно = 0,45-0,55, SPF = 2,5-3,0 (грунтове джерело), ​​2,0-2,5 (зовнішнє повітря) і 2,5-3,5 (витяжне повітря).

Для системи централізованого теплопостачання:

hКарно = 0,60-0,65, SPF = 2,5-3,0 (стічні води ~ 10 ° C, централізоване теплопостачання ~ 80 ° C).


1996-2000: відновлення ринку

Даний період можна охарактеризувати деяким відновленням ринку, особливо для установок малої потужності, таких як теплові насоси, що використовують як джерело теплоти витяжного повітря (ТН з ВВ). Дані агрегати встановлювалися переважно в нових будинках і виконували функцію систем рекуперації теплоти для побутового гарячого водопостачання, що відповідало будівельним вимогам, чинним на той момент. Нові вимоги припускали збільшення теплоізоляції будівель, завдяки чому опалювальна навантаження невеликих житлових будинків знизилася. Теплова потужність ТН з ВВ дозволила покривати приблизно 50% енергетичного навантаження (решту забезпечував допоміжний електричний нагрівач). З цього часу ТН з ВВ стали стандартним рішенням для опалення малих і середніх житлових будинків, і їх монтаж і підключення стало звичайними послугами.

Були розроблені дослідні програми, наприклад «Climate 21», спрямовані на підвищення ефективності та вирішення різних системних питань у сфері теплових насосів і систем охолодження. Дослідження проводилися науково-технічними університетами та дослідницькими інститутами в тісній співпраці з виробниками теплових насосів, теплообмінників, систем управління, комунальними підприємствами та інженерами-консультантами.

Проекти торкалися різноманітних компонентів та параметрів систем: теплопередача, заміна і мінімізація обсягу холодоагенту, компресорів та насосів зі змінною швидкістю, відновлення свердловин, інтегровані системи управління і т. Д., А також вплив широкого застосування теплових насосів на національні електричні мережі (зокрема, при використанні допоміжного електричного опалення).


2001-2005: зліт ринку і вдосконалення продукції

Спостерігається широке поширення теплових насосів. Утворився стійкий ринок, особливо для установок, призначених для відносно великих односімейних будинків – теплових насосів з ґрунтовим джерелом (ТН з ГДж), в яких контроль продуктивності був стандартною функцією.

Діють урядові підтримуючі інвестиції, націлені на зниження витрати мазуту і модернізацію будинків з електричним опаленням. Швидко впроваджуються теплові насоси «повітря – вода»: з’явилися нові моделі, завдяки вигідній інвестиційній вартості і / або несприятливих умов для буріння. Ініційована дискусія про споживання електрики системами теплових насосів. Стає більш відкритою конкуренція на ринку опалення між постачальниками біопалива і централізованого теплопостачання.

Конструкція теплових насосів для житлового сектора стає більш досконалою: з використанням систем управління, оптимально підбирають температуру припливного теплоносія до температури зовнішнього повітря, з мінімальним часом простою між запусками системи, з використанням захисних циклів . В якості конденсаторів і випарників широко використовуються спеціальні теплообмінники з більш вузькими каналами і, отже, більш ефективними тепло передаючими поверхнями. Крім того, почали використовуватися високо ефективні насоси для циркуляції розсолу і нагріву води. Перевага віддається спіральним компресорам, а R407  стає стандартним холодоагентом.

Продуктивність установок продовжують підвищувати, але не стрибкоподібно, а постійно:

Типові показники ефективності теплових насосів

Для односімейних житлових будинків:

hКарно = 0,50-0,60, SPF = 2,5-3,5 (грунтове джерело), ​​2,0-3,0 (зовнішнє повітря), 2,5-3,5 (витяжне повітря).

Для системи централізованого теплопостачання:

hКарно = 0,65-0,70, SPF = 2,5-3,5 (стічні води ~ 10 ° C, централізоване теплопостачання ~ 80 ° C).

SPF = 4,0-6,0 (комбіноване опалення та охолодження).


2006 – майбутнє: подальший розвиток

При наявності ефективного ТН з ГДж ринкова вартість будинків збільшується. Це надає теплонасосним системам більш високий статус і значення. Все більше поширюються установки з компресором і / або насосами змінної швидкості. Більшої популярності набуває пасивне охолодження, т. Е. Використання свердловини в якості тепловідводу.

На ринок готові вийти інтелектуальні рентабельні системи для модернізації будівель з прямим електричним опаленням з водяним розподілом теплоти. Так звані «моновалентні» системи з використанням електрики не тільки для пікових навантажень стають більш поширеними і субсидуються електропостачаючими компаніями.

Зростає інтерес до теплових насосів потужністю 25-40 кВт (і більше), які передбачається використовувати в невеликих багатосімейних будинках або офісних будівлях. Для збільшення продуктивності системи теплові насоси встановлюються по паралельній схемі. Діє близько 100 потужних (понад 200 кВт) теплових насосів з ґрунтовим джерелом для опалення та охолодження офісних будівель, для яких пробурено понад 15 свердловин загальною глибиною> 3 000 м, а також близько 40 систем з відкритим контуром (грунтові води) великої потужності.

Увага виробників звертається до робочої рідини теплового насоса: робляться спроби введення нових вимог або маркування для просування так званих натуральних холодоагентів. Стандартним вибором є R407C або R404A, R410A або R134a.

Різні виробники вкладають чимало сил в наукові розробки. Для розробки теплових насосів з ґрунтовим джерелом нового покоління будуються нові науково-дослідні лабораторії, повністю інтегровані з відповідними проектними офісами.

Отже, теплові насоси з ґрунтовим джерелом в Швеції досягли високого визнання; близько 30% односімейних будинків на даний момент опалюються різними системами з тепловими насосами. Таким чином, цей метод сьогодні є кращим для односімейних будинків з помірними енергетичними навантаженнями. Для менших будинків з малими енергетичним навантаженнями стандартним рішенням є теплові насоси з джерелом теплоти з витяжного повітря. Але цілком можливо, що незабаром широке поширення отримають системи з подвійним джерелом теплоти – витяжне повітря і грунтовий теплообмінник, оскільки це дозволить досягти кращого коефіцієнта енергетичного покриття, що узгоджується з вимогами нових директив в області енергоефективності.

Однак, незважаючи на великі досягнення, багато питань залишаються відкритими. Необхідні науково-дослідні і дослідно-конструкторські роботи з удосконалення як окремих компонентів теплонасосних установок, так і систем в цілому, включаючи вирішення питань, пов’язаних з підключенням систем до ґрунтових джерел (свердловини, конструкція колектора, технології буріння, методи геологічної розвідки ділянок і методики розрахунків ), пасивним охолодженням, подвійними джерелами тепла, технологіями покриття пікових навантажень без використання електрики і т. д.


Прайс