Одной из самых успешных инноваций в области энергосбережения в XX веке можно считать внедрение технологий, позволяющих использовать возобновляемые источники энергии — солнечные и ветряные модули, а также различные установки, работающие на энергии приливов или земли. Важным шагом к построению энергоэффективных систем стала разработка и широкое внедрение оборудования, утилизирующего низкопотенциальное тепло.
Основная часть таких систем основана на технологии тепловых насосов. Первые опытные образцы тепловых насосов (ТНУ) появились еще в 1950-х годах. В США и Японии попытки широкого внедрения нового оборудования начались уже в 1960-х годах, в России их применение началось значительно позже. Но уровень развития технологии и энергоотдача установок накладывали большие ограничения на их использование.
Вплоть до середины 1970-х годов недостаточная нагревательная способность тепловых насосов представляла серьезную проблему. Однако, высокие темпы технологического прогресса в конце 1970-х – начале 1980-х годов привели к значительному улучшению технических характеристик тепловых насосов были, что вызвало повсеместное внедрение теплонасосного оборудования — в Японии, США и на севере Европы.
Несколько позже, благодаря экономичности и экологичности тепловых насосов, они стали обязательными к применению в административных государственных зданиях в США, рекомендованы к внедрению в строящихся зданиях в Японии и Европе. Россия сильно отстала в использовании данного вида оборудования, что привело к непростительно низкому количеству теплонасосных систем на территории страны. Однако интерес западных производителей к российскому рынку позволил всего за год увеличить спрос на тепловые насосы, и сегодня прослеживаются значительные темпы внедрения ТНУ.
Направления модернизации
В России началось активное использование теплонасосной техники совсем недавно, и в связи с этим на территории страны практически нельзя встретить морально устаревшие образцы тепловых насосов. Все внедряемое оборудование современное и обладает относительно высокими эксплуатационными характеристиками. Однако необходимо понимать, на какие показатели и характеристики опираться специалистам при выборе конкретного ТНУ.
Также, имея представление о направлении развития данного вида оборудования, можно легко сделать вывод о темпах морального устаревания и фактической потребности в его замене или модернизации. Главными составляющими установки, принципиально влияющими на параметры и потребительские свойства теплового насоса, являются компрессор, используемый хладагент, теплообменники и управляющая система. Рассмотрим данные элементы c точки зрения перспективы их дальнейшей модернизации в ближайшее время.
Основным видом хладагента раньше был только фреон R22. С экологической точки зрения его использование влекло за собой ряд проблем — данный хладагент при попадании в атмосферу разрушает озоновый слой. Сегодня появились новые более экологичные виды фреонов, например, R410, который не снижает эффективность работы теплового насоса, а природосберегающие свойства делают его предпочтительнее в использовании.
Однако, пока в условиях России возможности его применения несколько ограничены — присутствуют проблемы с заменой и наполнением контуров, рассчитанных на R410. Также существуют теплонаносные установки, использующие в качестве хладагента сжатый углекислый газ, они появились несколько позже и на сегодняшний день основное распространение получили только у себя на родине — в Японии.
Все, что касается фреонов, актуально именно для коммерческих серийных тепловых насосов. Для специальной теплонаносной техники применяют более сложные системы с использованием редких и дорогих хладагентов. Важно понимать, что для массового производства особый упор делается на снижение конечной стоимости теплового насоса, повышении его экологичности и ремонтопригодности. Новые разработки внедряются в массовое производство, только если они полностью соответствуют указанным требованиям.
Температурный режим рaботы устройств
Второй важный момент, определяющий эффективность работы теплового насоса, — температурный режим работы установки. Важна связь следующих показателей: интервал температур низкопотенциального источника тепла, в котором тепло может быть эффективно утилизировано; интервал температур в кольцевом контуре, к которому подключены тепловые насосы системы; интервал температур, который может поддерживать тепловой насос на выходе (минимальная температура воздуха при кондиционировании, максимальная температура воздуха или воды при отоплении).
Соответственно задача специалистов, разрабатывающих теплонасосное оборудование, сводится к расширению указанных интервалов для большей универсальности и повышения гибкости регулировки систем тепловых насосов. В настоящее время температура теплоносителя в кольцевом контуре, перемещающем тепло от одной ТНУ к другой, должна быть в интервале –5…+45 °C. Конечно, в случае если известно, что температура в контуре будет опускаться ниже нулевой отметки, в контур закачивается не чистая вода, а с добавлением различного антифриза.
Превышение данного температурного интервала ведет к тому, что в системе формируется дефицит или избыток теплоты, которую надо восполнять за счет дополнительных источников тепла либо удалять из системы с помощью градирни. В качестве теплоносителя на выходе из ТНУ используется воздух или вода. Температура теплоносителя может достигать 55 °C для воды (если тепловой насос питает систему водяного радиаторного отопления или отопления с помощью теплых полов) или 45 °C для воздуха (если в помещении построена система воздушного отопления).
Соответственно улучшение в этом блоке позволяет поднять выходную температуру и снизить затраты на циркуляцию воздуха и воды в контуре. Однако, практика показывает, что данные температурные интервалы изменить очень сложно. Это требует применения новых видов материалов, фреонов и специальных компрессоров, которые в массовом производстве пока слишком дороги. Поэтому за последние 20 лет никаких кардинальных изменений в температурных режимах работы тепловых насосов не было.
Параметры температурного режима остаются ключевыми при определении эффективности работы теплового насоса. Параметры работы ТНУ находятся в прямой зависимости от внешних эксплуатационных условий и изменяются вместе с ними. Отопительная производительность ухудшается с возрастанием температуры приемника высокопотенциального тепла (ПВТ) и снижением температуры источника низкопотенциального тепла (ИНТ).
То есть, при постепенном увеличении интервала температур (разбега между ПВТ и ИНТ) компрессор должен покрывать растущую температурную разницу за счет эквивалентной разницы давлений и более высокого коэффициента сжатия. В этих условиях меняет свое поведение как хладагент (меняются его термодинамические характеристики), так и компрессор (снижается его КПД). В связи с этим считается, что настоящий переворот в области применения тепловых насосов произвело внедрение спиральных компрессоров (так называемых scroll-компрессоров).
Данный вид компрессоров меньше подвержен изменениям КПД в зависимости от степени сжатия, спиральные компрессоры отличает высокие уровень герметичности и коэффициент преобразования за счет более эффективной технологии. Таким образом, использование scroll-компрессоров привело к тому, что в качестве источников низкопотенциального тепла стали рассматривать новые низкотемпературные объекты, использование которых было невозможно.
Это относится, например, к наружному воздуху. Его использование при утилизации тепла стало возможным в массовом порядке именно после внедрения спиральных компрессоров. Также важно то, что данный вид компрессоров позволил снизить уровень шума за счет отказа от поршневого принципа работы, отсутствия впускного и выпускного клапанов, а как следствие — снижение вибрации. У данного вида компрессоров уменьшено количество движущихся элементов, что позволило повысить их надежность и долговечность.
Передача тепла и управление
В случае с кольцевой теплонасосной системой потери тепла при транспортировке незначительные — передача низкопотенциального тепла осуществляется по обычному трубопроводу, который не требует теплоизоляции. Гораздо важнее обратить внимание непосредственно на теплообмен между тепловым насосом и приемником высокопотенциального тепла — воздухом или водой в системе радиаторного отопления.
В последнее время нашли широкое применение пластинчатые теплообменники, позволяющие снизить инерционность работы оборудования, а следовательно, повысить уровень комфорта и энергосбережения. Пластинчатые теплообменники позволяют организовать эффективную, быструю передачу тепловой энергии в достаточно небольшом объеме за счет их компактного размещения в теплонасосной установке. Главное достоинство, которое дает этот вид теплообменника — компактность ТНУ.
Это немаловажно при размещении теплового насоса в условиях ограниченного пространства. Новый виток улучшения работы тепловых насосов дало развитие микропроцессорных систем управления. Хотя фактически даже в масштабной кольцевой теплонасосной системе нет серьезной потребности в автоматизированном управлении. Достаточно регулирования за счет обычных термостатов в каждом помещении и на кольцевых контурах.
Однако, при сложной архитектуре системы зачастую оптимизация режимов работы тепловых насосов, градирни и бойлера может давать хорошие результаты. Особенно автоматизированное управление климатической системой на базе тепловых насосов становится актуальным, если воздушное отопление и кондиционирование установлено совместно с обычным паровым городским отоплением.
С одной стороны, необходимо соблюдать нормативы по температуре выходящей «обратной» воды, поступающей в теплоцентраль, с другой — требуется минимизировать потребление тепла из теплоцентрали для использования возможностей, которые предоставляет воздушное отопление.
Снижение уровня шума
Следующее направление улучшения тепловых насосов — снижение уровня шума. Основная проблема заключается в том, что каждый тепловой насос — это отдельная холодильная установка с собственным компрессором. В масштабных кольцевых системах, где организовано воздушное отопление, тепловой насос располагается непосредственно в помещении — т.е. необходимо снижать шумовой фон, создаваемый компрессором.
Важным моментом тут стало применение менее шумных scrollкомпрессоров. Также снижение шума достигается за счет эффективной шумоизоляции и улучшения качества подвижных элементов — двигателей, вентиляторов, заслонок. Этот параметр связан с комфортностью эксплуатации тепловых насосов. В вопросах шумовой комфортности за последние 10– 15 лет произошла серьезная эволюция. Современные тепловые насосы в сравнении с ТНУ начала 1990-х годов практически бесшумны. На это первым делом обращают свое внимание покупатели при выборе продукции.
Выводы
Развитие теплонасосной техники у основных мировых производителей идет достаточно равнозначно. Сложно найти значительные отличия в эффективности ТН разных производителей. Более того, часть брендов на этом рынке — это торговые марки, а непосредственным производством занимается четыре-пять крупнейших мировых компаний. Например, для фирмы Carrier, представляющей дорогой ценовой сегмент климатического оборудования, тепловые насосы изготавливает ClimateMaster, являющийся одним из крупнейших в мире производителей.
Поэтому, выбирая между различными марками и странами, покупатели сегодня ориентируются на цену, простоту и доступность сервиса, а также на шумовую комфортабельность. Отметим, что в статье речь шла, прежде всего, о классических тепловых электрических насосах. Сегодня производители ведут активные изыскания в области применения, например, двигателей внутреннего сгорания для работы теплового насоса или использования газовых ТНУ.
Есть целый ряд ТНУ, мощность которых достигает нескольких десятков мегаватт. Для них применимы совсем другие стандарты и требования. Ограниченный спрос на данное оборудование определяет масштабы развития в этой области, и эволюция подобных ТНУ зависит от запросов рынка.
