АНАЛИЗ ТИПОВ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Нифонтова Л.С.¹, Руди Д.Ю.¹, Халитов Н.А.¹, Нурахмет Е.Е.¹, Руденок А. И.¹, Шарков Н.В.¹ Бубенчиков А.А.²

¹Магистрант, ²Кандидат технических наук, Омский государственный технический университет

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16-08-00243 а

АНАЛИЗ ТИПОВ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Аннотация

В работе рассмотрены типы тепловых насосов, классифицируемые по принципу работы и используемым источникам низкопотенциальной теплоты. Так же проведен анализ типов тепловых насосов, при этом учитывались условия Омского региона. Целью данной работы являлся выбор наиболее подходящего для условий Омского региона типа теплового насоса. Данный анализ позволил сузить круг исследуемых тепловых насосов. По результатам анализа выбран тип теплового насос для дальнейшего исследования. В дальнейшем планируется исследование работы выбранного для Омского региона типа теплового насоса.

Ключевые слова: тепловой насос, источник низкопотенциальной теплоты, Омск.

Nifontova L.S.¹, Rudi D.Yu.¹, Khalitov N.A.¹, Nurakhmet Y.Y.¹, Rudenok A.I.¹, Sharkov N.V.¹, Bubenchikov A.A.²

¹Undergraduate student, ²PhD in Engineering, Omsk State Technical University

ANALYSIS OF THE TYPESHEAT PUMPS

Abstract

The article considers the types of heat pumps, which are classified on the principle of work and used low-grade heat source. Types of heat pumps analyzed, taking into consideration the condition of Omsk region. The aim of this article is choice heat pump the most appropriate for conditions Omsk region. This analysis allowed to narrow the range of the investigated heat pumps. According to the analysis results the type of heat pump was choice for future investigation. Further it is planned study the work chosen for the Omsk region heat pump type.

Keywords: heat pump, low-grade heat source, Omsk.

В настоящее время разработка устройств, использующих нетрадиционные источники энергии такие как: энергию ветра, воды, солнца, геотермальную энергию, а также тепловую энергию, содержащуюся в воде, воздухе и земле, актуальна среди ученых во всем мире [1-3]. Одним из таких устройств являются тепловые насосы.

Тепловой насос представляет собой машину, реализующую обратный термодинамический цикл, в результате чего осуществляется перенос теплоты от менее нагретых тел к более нагретым. По принципу работы тепловые насосы можно разделить на сорбционные и парокомпрессионные

В сорбционных тепловых насосах сорбент при помощи термохимических процессов поглощает рабочий агент с выделением теплоты – процесс сорбции. А затем, с поглощением теплоты из сорбента выделяется рабочий агент – процесс десорбции. Для работы такого теплового насоса необходимо располагать тремя внешними источниками теплоты: греющий источник, источник низкой температуры, для охлаждаемого элемента установки, и окружающая среда. Использование дополнительного источника теплоты делает такой вид насоса более затратным по сравнению с парокомпрессионным [4].

Парокомпрессионные тепловые насосы можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров. В первом циркулирует антифриз, который собирает теплоту из окружающей среды, данный контур так же называется внешним. Второй представляет собой цикл теплового насоса, в котором циркулирует хладагент. Он отбирает теплоту внешнего теплоносителя, испаряясь при низкой температуре, и отдает теплоприемнику, конденсируясь при высокой температуре. Третий контур является внутренний контуром, по которому циркулирует теплоприемник, например вода систем теплоснабжения [5].

Рис. 1 - Принципиальная схема теплового насоса: И – испаритель;

К – компрессор; КД – конденсатор; РВ – регулирующий вентиль

Тепловые насосы так же можно классифицировать по источникам низкопотенциальной теплоты, которые в свою очередь могут быть естественного и искусственного происхождения. Естественными источниками могут служить наружный воздух, подземные воды, грунт, солнечная энергия, поверхностные воды, такие как река, озеро, море. К искусственным источникам теплоты относят сбросные воды, вытяжной воздух систем вентиляции и так далее.

В воздушных тепловых насосах воздух продувается через испаритель, отдавая тепло холодильному агенту. Холодильный агент, проходя через конденсатор отдает тепло воде, которая используется для отопления. Наружный воздух как источник низкопотенциальной теплоты для тепловых насосов является очень доступным ресурсом. Однако коэффициент теплоотдачи воздуха очень низок, а при изменениях его температуры в большом диапазоне, достигая отрицательных значений, эффективность теплового насоса сильно снижается [6]. Исходя из этих соображений, можно сделать вывод, что данный тип теплового насоса самый лучший выбор для условий Омского региона.

Рис. 2 - Воздушный тепловой насос:

1 – отопительный прибор; 2 – тепловой насос; 3 – испаритель

 

Тепловые насосы, которые используют воду в качестве низкопотенциального источника теплоты, так же подразделяются на два типа: открытый и закрытый.

Рис. 3 - Водяной тепловой насос открытого (а) и закрытого (б) типов:

1 – отопительный прибор; 2 – тепловой насос

Особенностью открытого типа является то, что вода из скважины или водоема поступает непосредственно в испаритель. Благодаря этой особенности монтаж и эксплуатация являются наиболее экономичными [7-8]. Однако в реальных условиях данная система сталкивается с многими проблемами. Необходимо учитывать требования местной администрации в вопросах организации сточных вод. Сильная загрязненность источника так же играет свою роль, быстрое загрязнение теплообменников приводит уменьшению их эффективности. Эксплуатационные затраты на отвод и подвод воды, работу обустройство скважин и колодцев для тепловых насосов имеют высокую стоимость. Большим потенциалом, за счет высокой температуры обладают промышленные водостоки, воды обратных систем охлаждения промышленных предприятий, а так же канализационные неочищенные и очищенные сточные воды. Однако для такого рода систем необходимо проектировать индивидуальные теплообменные поверхности и учитывать излишнюю загрязненность источника [9].

В закрытом типе на дно водоема укладывается контур, по которому циркулирует антифриз, и протягивается до места установки теплового насос. При монтаже такого типа теплового насоса проводится минимум земляных работ, что делает его достаточно экономичным. Однако имеются требования по минимальной глубине и объему водоема для конкретного региона. Установка данного типа имеет смысл при наличии поблизости непромерзающего водоема. [7-8].

Таким образом для реализации теплового насоса, отбирающего теплоту у воды, необходимы либо большие затраты на очистное оборудование, либо, находящийся рядом со зданием, достаточно глубокий водоем, что является частным случаем. В связи с этим типы тепловых насосов, использующие воду в качестве низкопотенциальной теплоты, не подходят для повсеместного использования на территории Омского региона.

Тепловые насосы, использующие теплоту земли в качестве источника можно разделить на три типа по виду теплообменника: горизонтальный, вертикальный, корзина и спираль.

Горизонтальные геотермальные тепловые насосы отнимают теплоту с помощью грунтового теплообменника уложенного горизонтально в земле и называемого коллектором. Коллектор размещается кольцами или извилисто на глубине ниже промерзания грунта (2-2,2 м в Омске). При этом расстояние между трубами составляет не менее 0,7–1 м [6]. Следовательно, Данный тип теплового насоса нуждается в больших по площади земляных работах. Поэтому для Омского региона горизонтальный тепловой насос не является целесообразным.

Рис. 4. Горизонтальный (а) и вертикальный (б) теплообменники:

1 – отопительный прибор; 2 – тепловой насос

 

Вертикальный теплообменник представляет собой трубную систему, в виде U-образного колена, погруженную в скважину. Глубина скважины варьируется в пределах 20–120 м. Антифриз переносит теплоту земли с глубины, циркулируя по трубам. На глубине более 10 – 15 м. грунт имеет постоянную температуру в течение года равную примерно 8 – 10 °С. Достоинствами такой системы являются ее компактность и относительная дешевизна и быстрота процедуры бурения [7].

Вертикальный теплообменник можно так же применять в сваях сооружений, что уменьшает себестоимости бурильных работ. Учитывая, что в городе свободной площади земли очень мало, такой вариант может быть очень выгодным для Омского региона.

Отдельно классифицируются теплообменники типа «Корзина» и «Спираль». Они объединили в себе свойства горизонтальных теплообменников и способ установки вертикальных теплообменников [10]. Такой тип теплообменника не требует глубокого бурения скважин и одновременно использует меньшую площадь, в сравнении с горизонтальным коллектором. Поэтому он может быть очень выгодным для использования на территории Омского региона. Однако для «тепловых корзин», при высоком уровне грунтовых вод, нужно выполнять водопонижение, которое требует специального оборудования и соблюдения технологии. [11].

Для спирального теплообменника, в случае, когда грунт песчаный или имеются грунтовые воды, что бы уменьшить вероятность обрушения или оплывания скважины используют обсадные трубы. Однако скважина в грунте для установки такого теплообменника почти всегда производится при помощи спирального бура. Минимальные глубина скважины для спирального теплового насоса составляет пять метров [12].

Рис. 5 - Геотермальный теплообменник типа «Корзина»

Выводы и заключения.

Поскольку не всегда бурение скважин на большую глубину может оказаться выгодным, теплообменники типа «Корзина» и «Спираль» кажутся наиболее выгодными для условий Омского региона. Однако глубина промерзания на территории Омского региона больше по сравнению с Европейской частью России, где такие тепловые насосы получили большее распространения. Поэтому эффективность такого теплообменника может оказаться ниже для территории Омского региона.

Таким образом, для отопления в условиях Омского региона может подойти тепловой насос, как с вертикальным теплообменником, так и с теплообменниками типа «Корзина» и «Спираль». В дальнейшем я собираюсь исследовать данный вопрос подробнее.

Литература

1. Бубенчиков А.А., Николаев М.И., Киселёв Г.Ю., Есипович Н.В., Феофанов М.К., Шкандюк Д.О. Возможность применения солнечной энергии на территории россии и омской области // Современная наука и практика. 2015. № 4 (4). С. 85-89.
2. Бубенчиков А.А., Артамонова Е.Ю., Р.А. Дайчман Р.А., Файфер Л.А., Катеров Ф.В., Бубенчикова Т.В. Проблемы применения ветроэнергетических установок в регионах с малой ветровой нагрузкой // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. № 5-2 (36). С. 39-43.
3. Бубенчиков А.А., Киселёв Г.Ю., Киселёв Б.Ю., Есипович Н.В., Николаев М.И. Целесообразность применения гелиоустановок // Современная наука и практика. 2015. № 4 (4). С. 77-80.
4. Амерханов Р.А. Тепловые насосы. – М.:Энергоатомиздат 2005. — 160 с., ил.
5. Шеремет Е.О. Применение тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения в целях повышения экономичности энергоэффективности тепловых сетей / Е.О. Шеремет, А. С. Семиненко // Современные наукоемкие технологии. – 2013 – № 8 – с. 54-57
6. Бондарь Е. С. Тепловые насосы: расчет, выбор, монтаж / Е.С. Бондарь // Сантехника, отопление, кондиционирование. – 2011 – № 4 (112) – с. 62-37
7. Райх В. Геотермальные тепловые насосы / В. Райх // Сантехника, отопление, кондиционирование. – 2011 – № 1 (109) – с. 80-83
8. Экономика-технологии-экология [Электронный ресурс]: Региональная энергосервисная компания. – свободный доступ http://eco-t-eco.ru/pumps
9. Solarsoul [Электронный ресурс]: информационый ресурс о применении солнечной энергии и энергосдеридении. Подробная информация о технологиях в сфере возобновляемой энергетики – свободный доступ http://solarsoul.net/vodyanoj-teplovoj-nasos
10. Земляные зонды и водяные зонды [Электронный ресурс] – свободный доступ http://www.altalgroup.com/ghp.htm
11. Geotherm [Электронный ресурс]: Геотермальные тепловые насосы – свободный доступ http://www.geotherm.com.ua/about/closedloop/heatbasket.html
12. Тепло сервис [Электронный ресурс]: Спиральные и вертикальные геозонды - новейшие технологии сбора тепла грунта для тепловых насосов – свободный доступ http://teplo-v-dome.net/spiralnye-vertikalnye-geozondy-novejshie-texnologii-sbora-tepla-grunta-dlya-teplovyx-nasosov/

References

1. Bubenchikov A.A., Nikolaev M.I., Kiselyov G.YU., Esipovich N.V., Feofanov M.K., SHkandyuk D.O. Vozmozhnost' primeneniya solnechnoj ehnergii na territorii rossii i omskoj oblasti // Sovremennaya nauka i praktika. 2015. № 4 (4). S. 85-89.
2. Bubenchikov A.A., Artamonova E.YU., R.A. Dajchman R.A., Fajfer L.A., Katerov F.V., Bubenchikova T.V. Problemy primeneniya vetroehnergeticheskih ustanovok v regionah s maloj vetrovoj nagruzkoj // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. 2015. № 5-2 (36). S. 39-43.
3. Bubenchikov A.A., Kiselyov G.YU., Kiselyov B.YU., Esipovich N.V., Nikolaev M.I. Celesoobraznost' primeneniya gelioustanovok // Sovremennaya nauka i praktika. 2015. № 4 (4). S. 77-80.
4. Amerhanov R.A. Teplovye nasosy. – M.:EHnergoatomizdat 2005. — 160 s., il.
5. SHeremet E.O. Primenenie teplovyh nasosov v sistemah centralizovannogo teplosnabzheniya v celyah povysheniya ehkonomichnosti ehnergoehffektivnosti teplovyh setej / E.O. SHeremet, A. S. Seminenko // Sovremennye naukoemkie tekhnologii. – 2013 – № 8 – s. 54-57
6. Bondar' E. S. Teplovye nasosy: raschet, vybor, montazh / E.S. Bondar' // Santekhnika, otoplenie, kondicionirovanie. – 2011 – № 4 (112) – s. 62-37
7. Rajh V. Geotermal'nye teplovye nasosy / V. Rajh // Santekhnika, otoplenie, kondicionirovanie. – 2011 – № 1 (109) – s. 80-83
8. EHkonomika-tekhnologii-ehkologiya [EHlektronnyj resurs]: Regional'naya ehnergoservisnaya kompaniya. – svobodnyj dostup http://eco-t-eco.ru/pumps
9. Solarsoul [EHlektronnyj resurs]: informacionyj resurs o primenenii solnechnoj ehnergii i ehnergosderidenii. Podrobnaya informaciya o tekhnologiyah v sfere vozobnovlyaemoj ehnergetiki – svobodnyj dostup http://solarsoul.net/vodyanoj-teplovoj-nasos
10. Zemlyanye zondy i vodyanye zondy [EHlektronnyj resurs] – svobodnyj dostup http://www.altalgroup.com/ghp.htm
11. Geotherm [EHlektronnyj resurs]: Geotermal'nye teplovye nasosy – svobodnyj dostup http://www.geotherm.com.ua/about/closedloop/heatbasket.html
12. Teplo servis [EHlektronnyj resurs]: Spiral'nye i vertikal'nye geozondy - novejshie tekhnologii sbora tepla grunta dlya teplovyh nasosov – svobodnyj dostup http://teplo-v-dome.net/spiralnye-vertikalnye-geozondy-novejshie-texnologii-sbora-tepla-grunta-dlya-teplovyx-nasosov/