Абсорбционный тепловой насос. АБТН и теплоснабжение

Для отопления помещений или нагрева жидкостей зачастую применяются классические приспособления – тэны, камеры сгорания, нити накаливания и т.д. Но наряду с ними применяются устройства с принципиально иным типом воздействия на теплоноситель. К таким устройствам относится кавитационный теплогенератор, работа которого заключается в формировании пузырьков газа, за счет которых и возникает выделение тепла.

Как работает абсорбционный тепловой насос?

В целом, абсорбционный тепловой насос — это та же АБХМ. Их конструкции абсолютно идентичны и состоят из четырех отсеков с теплообменными поверхностями, которые вместе действуют либо как холодильная машина, либо как тепловой насос. Режим работы аппарата зависит только от внешней обвязки и параметров сред, подключаемых к его контурам. Сам принцип работы остаётся неизменным.

Абсорбционный тепловой насос заполнен водным раствором бромида лития (LiBr) — смесью воды (хладагент) и бромида лития (абсорбент). Хладагент испаряется в вакууме в объеме АБТН и отводит тепло от низкопотенциального источника энергии, которое циркулирует через контур Испарителя. Нагреваемая среда проходит последовательно в теплообменных трубках через Абсорбер и Конденсатор.

Постоянный процесс выпаривания хладагента из раствора LiBr в Генераторе, последующая конденсация в Конденсаторе, повторное испарение в Испарителе и, наконец, поглощение его абсорбентом в Абсорбере поддерживает необходимое низкое давление внутри теплового насоса.

Упрощенно схема работы абсорбционного теплового насоса представлена на рисунке:

Как работает абсорбционный тепловой насос?

Идеальные источники тепла для абсорбционного теплового насоса — это условно «бесплатные» для предприятия потоки избыточного (сбросного) тепла или отработанные дымовые газы. Даже на тех предприятиях (а их сегодня меньшинство), где такие потоки вовлекают во вторичное использование, внутренняя потребность в их тепле часто значительно меньше, чем его располагаемый объем. Сотни и тысячи мегаватт тепловой энергии ежесуточно теряются только на одних водооборотных системах с применением градирен (не важно мокрых или сухих). Дополнительно тратятся мегаватты электрической энергии для обеспечения работоспособности таких систем.

К примеру, если водооборотный цикл с мокрой вентиляторной градирней рассчитан на рециркуляцию в 1000 м3/ч при перепаде ΔT=10 °C (температурный режим системы 36/26 °C), это означает, что в максимально загруженном режиме работы в окружающую среду выбрасывается порядка 11,5 МВт тепловой энергии каждый час вне зависимости от времени года (около 50 000 Гкал в отопительный сезон). Дополнительно каждый отопительный период на привод вентиляторов градирни затрачивается от 50 (если используется ЧРП) до 300 МВт (для односкоростных электроприводов) электрической энергии.

А ведь это энергия, которую можно экономить (электричество), энергия, которую можно и нужно использовать, а не выбрасывать (тепло). Самый простой и распространённый способ — утилизация для нужд отопления (подогрев обратной линии теплосети).

Принцип работы теплового насоса воздух-воздух: особенности работы

Одной из разновидностей тепловых насосов, имеющих простую конструкцию, является тепловой насос воздух-воздух. Принцип работы насоса схож с принципом действия геотермального теплового насоса. Разница заключается в том, что отбор тепла происходит не из грунта или воды, а из наружных воздушных масс. Соответственно, отопление здания происходит путём нагрева воздуха в помещениях.

Можно сказать, что тепловой насос воздух-воздух – это кондиционер наоборот. В этом и заключается основное достоинство теплового насоса воздух-воздух – для его установки и эксплуатации не требуется бурение скважин и прокладка подземного контура.

Если в силу ряда причин нет возможности проложить контур подземного теплообменника для отбора тепла (отсутствует финансовая возможность, не хватает места на участке для горизонтальной укладки, отсутствуют грунтовые воды под участком или нет озера рядом с ним, наличие гранитного пласта на небольших глубинах) – тепловой насос типа воздух-воздух будет наиболее приемлемым вариантом решения экономного и экологически чистого отопления.

Устройство и принцип работы теплового насоса воздух-воздух

Тепловой насос типа воздух-воздух состоит из наружного и внутреннего блоков. Наружный, он же испарительный блок, размещается снаружи здания. Именно с его помощью из наружного воздуха извлекается тепло. Это тепло нагревает хладагент, который вскипает, переходя в газообразное состояние.

Затем компрессор сжимает этот газ, значительно повышая его температуру. Тепло сжатого газа передаётся в конденсатор (внутренний блок), который находится внутри помещения. Конденсатор отдаёт тепло воздуху внутри помещения.

Этот процесс происходит непрерывно и контролируется автоматически до тех пор, пока не будет достигнута заданная температура в помещении.

Читайте также:  ПЛЭН-отопление – технические характеристики, цена

Обратите внимание

Если есть необходимость в обогреве нескольких помещений или одного большого, то в этом случае используются различные системы распределения и подачи тёплого воздуха.

В силу того, что тепловые насосы данного типа нагревают лишь воздух в помещениях (происходит прямой нагрев воздуха), то такие теплонасосы можно использовать только для отопления. То есть, для подогрева воды в ванной или кухне необходимо предусмотреть иные решения.

Плюсы использования

Положительным моментом теплового насоса типа воздух-воздух, по сравнению с насосом воздух-вода, является низкая температура воздуха, которая проходит через теплообменник конденсатора.

Принцип работы теплового насоса воздух-воздух: особенности работы

Проще говоря, если для теплонасосов типа воздух-вода для качественного отопления требуется нагрев теплоносителя (воды) до достаточно высоких температур, то в случае использования теплового насоса воздух-воздух требуемая температура нагрева воздуха значительно ниже.

Тем более что коэффициент эффективности теплового насоса тем выше, чем меньше разница между температурой источника тепла и температурой в отопительной системе.

Основные преимущества теплового насоса типа воздух-воздух:

  • простота конструкции, монтажа и эксплуатации – для установки таких теплонасосов нет необходимости в буровых работах, прокладывании сложных коммуникаций, отведении специальных помещений и прочее;
  • возможность установки практически в любой климатической зоне;
  • теплонасосы такого типа можно установить в уже построенном доме с имеющейся традиционной системой отопления, тем самым достигнув значительной экономии средств на отоплении. Установка потребует минимального изменения и вмешательства в существующий дизайн;
  • имеют наименьшую стоимость и наименьший срок окупаемости, по сравнению с другими типами теплонасосов;
  • низкое энергопотребление;
  • автономность, компактность и бесшумность работы;
  • в летнее время тепловые насосы типа воздух-воздух можно переключать на режим охлаждения, а наличие высокоэффективных воздушных фильтров поможет создать в помещениях требуемый микроклимат.

Недостатки теплового насоса воздух-воздух

К сожалению, тепловые насосы типа воздух-воздух имеют и свои недостатки. К одним из них относится зависимость величины производительности от колебаний температуры наружного воздуха.

При температуре наружного воздуха 0°С коэффициент энергоэффективности теплонасоса падает до уровня 2-2,5, то есть на 1 кВт затраченной энергии, будет произведено 2-2,5 кВт тепла.

Для сравнения, при более высокой температуре эти теплонасосы имеют коэффициент энергоэффективности 3-4. А при падении температуры до -20°С коэффициент энергоэффективности падает до 1.

То есть, появляется необходимость производить обогрев помещения другими средствами.

Хотя, на сегодняшний момент есть производители с всемирно известными именами, которые предлагают тепловые насосы воздух-воздух, способные эффективно работать при температуре до -25°С.

Советы по приобретению и установке отопительной системы с тепловым насосом

Исходя из минусов теплового насоса, он идеально подходит для регионов с умеренной зимой и малоэффективен в условиях прохладных и северных климатических зон. Но не стоит огорчаться, если зимой в вашей местности бывают холода ниже -7С. В этой ситуации есть такие выходы:

  1. Включение в систему отопления буферной ёмкости, которая будет аккумулировать полученное тепло. Один бак (небольшого, квартирного размера) при выключенном источнике может равномерно распределять тепло по системе до суток. Это удобный вариант для местности, где сильные морозы обычно непродолжительны по времени.
  2. Установка вспомогательного источника тепла: газового или электрического котла. Когда дешёвый тепловой насос не сможет работать, его заменит менее экономичный «дублёр».
  3. Совмещение двух предыдущих приёмов.

Внимание! Как и в случае с любой системой отопления, перед монтажом важно тщательно проверить тепловые потери вашего жилища и, по возможности, утеплить его. Чем теплее дом, тем меньшей мощности вам потребуется устройство.

Тепловой насос вода-вода

Более эффективным вариантом считается тепловой насос вода-вода. Он извлекает тепловую энергию из ближайшего водоема, если таковой есть на расстоянии до 100 м от дома. Другой, более распространенный способ – отбор тепла у грунтовых вод через скважину. По сути, скважин нужно 2: одна для выкачивания воды, другая – для ее сброса. Ниже представлены схемы тепловых насосов, действующих по такому принципу:

Здесь есть свои нюансы. Вода из скважины должна проходить очистку перед попаданием теплообменник, а трубы надо прокладывать ниже глубины промерзания грунта. Другое дело – контур на дне водоема, он заполняется незамерзающей жидкостью (пропиленгликолем), что служит посредником между водой и хладагентом.

Важно. Способность обеспечить частный дом тепловой энергией в этом случае зависит от производительности скважины и объема воды в пруде. Также существуют варианты погружения внешнего контура в проточную воду реки или канализационный септик.

Также существуют геотермальные тепловые насосы, чей принцип работы не отличается от предыдущих типов аппаратов, только тепло извлекается из грунта на глубине, где температура всегда одинакова – плюс 7 ºС. Для этого в землю закапывается горизонтальный контур из труб, занимающий большую площадь, либо в скважины глубиной 25 м опускаются геотермальные зонды. В обоих случаях в качестве теплоносителя используется антифриз.

Читайте также:  Как обеспечить эффективное отопление дачи

Считается, что работа теплового насоса, добывающего тепло из грунта, — самая стабильная и эффективная. Но покупка и монтаж подобного оборудования очень дороги, а домашние мастера-умельцы редко прибегают к реализации этого варианта.

Когда можно не использовать насос

Принцип естественной циркуляции нагрева (нажатие для увеличения)

Принцип работы отопительной системы без насоса основан на движении жидкости под гидростатическим давлением. Другими словами, плотность нагретой жидкости ниже плотности охлаждаемой жидкости, так что верхняя часть поднимается вверх и способствует циркуляции охлаждающей жидкости в системе.

Как правило, отопление с естественной циркуляцией устанавливается в загородных домах и кабинах. Это связано с тем, что в таких жилых помещениях очень часто происходят перебои в электроснабжении, а то и вовсе невозможно реализовать отопление с принудительной циркуляцией.

Особенностью этой системы отопления является то, что она очень удобна в эксплуатации, и вы можете выполнять установку собственными руками.

Плюсы и минусы

В сравнении с другими теплогенераторами, кавитационные агрегаты отличаются рядом преимуществ и недостатков.

К плюсам таких устройств следует отнести:

  • Куда более эффективный механизм получения тепловой энергии;
  • Расходует значительно меньше ресурсов, чем топливные генераторы;
  • Может применяться для обогрева как маломощных, так и крупных потребителей;
  • Полностью экологичен – не выделяет в окружающую среду вредных веществ во время работы.

К недостаткам кавитационных теплогенераторов следует отнести:

  • Сравнительно большие габариты – электрические и топливные модели имеют куда меньшие размеры, что немаловажно при установке в уже эксплуатируемом помещении;
  • Большая шумность за счет работы водяного насоса и самого кавитационного элемента, что затрудняет его установку в бытовых помещениях;
  • Неэффективное соотношение мощности и производительности для помещений с малой квадратурой (до 60м2 выгоднее использовать установку на газу, жидком топливе или эквивалентной электрической мощности с нагревательным тэном).\

Тепловой насос своими руками

Использовать тепловые насосы для отопления помещения, очень выгодно. На российском рынке данная продукция представлена следующими фирмами: Vaillant (Германия), Nibe (Швеция), Danfoss (Дания), Mitsubishi Electric (Япония), Mammoth (США), Viessmann (Германия). Неплохого качества, совершенно не уступающего по качеству западным аналогам продукция отечественных фирм SunDue и Henk.

Средняя цена под ключ теплонасоса составляет примерно 450-500 тысяч рублей. Наиболее бюджетной является система «воздух-вода», так как данная система не требует проведения дорогостоящих земляных работ.

Но цена самого оборудования, да и монтажные работы доступны далеко не каждому. Дома, чья площадь составляет более 400 м2 , достаточно быстро окупают деньги вложенные в оборудование данной системы. Но если дом намного меньше, деньги сэкономить на отоплении, таким образом, не получится. В этом случае такую систему можно сделать самостоятельно.

Для начала необходимо приобрести компрессор. Для этой цели подойдет агрегат, которым оборудуется обычный кондиционер. Он крепится на стену. Конденсатор можно сделать своими руками. Для этого необходимо создать из медных трубок змеевик, который помещается в корпус, выполненный из пластика.

Испаритель также монтируется на стену. Пайка, заправка фреоном и прочие подобные работы должны выполняться только человеком, обладающим соответствующими навыками. Неумелые действия не только могут повлечь за собой отрицательный результат, но и в процессе их можно получить серьезные травмы.

Классификация

Абсорбционный агрегат

Устройство насоса для отопления позволяет использовать его в разных условиях. Оптимальные температуры бесперебойной работы составляют от -30С до +35С.

Насосы классифицируются на несколько видов:

Классификация
  • компрессионные агрегаты получают тепло от механической и электрической энергии;
  • абсорбционные модели непосредственно используют сам источник тепловой энергии и передают тепло, экономя электроэнергию и топливо;
  • геотермальный тепловой насос получает тепловую энергию от воды и грунта;
  • воздушный тип потребляет тепло воздуха;
  • агрегат вторичного тепла собирает тепловую энергию с канализации, отопления и др.

Типы геотермальных моделей

Геотермальный насос

Агрегаты геотермального класса открытого типа нагревают проходящую сквозь них воду.

После охлаждения в системе вода сливается в открытый грунт.

Классификация

Бесперебойно открытая система работает с большим объемом воды.

Насосы с системой замкнутого типа подразделяются на такие классы:

  • с горизонтальной установкой коллектора. Его укладывают кольцами в вырытом котловане ниже уровня промерзания грунта;
  • с вертикальной установкой коллектора на глубине до 200 м;
  • с водным размещением коллектора в водоеме ниже уровня замерзания воды.

Разделение по теплоносителю

Классификация

Система грунт-вода

В зависимости от места установки входных и выходных контуров, теплонасосы для отопления классифицируют по видам:

  • в системе грунт-вода теплоносителем служит вода. Внешний контур укладывают горизонтально или вертикально в грунт. Возможно его размещение в водоеме;
  • наружный контур в системе вода-вода устанавливают в водоем или скважину. Для наполнения внутреннего контура используют воду;
  • система воздух-вода работает от тепловой энергии воздуха;
  • система воздух-воздух напоминает работу кондиционера. Во внешний контур поступает воздух из окружающей среды и после подогрева попадает в воздушную систему отопления.
Читайте также:  Как выбрать накопительный водонагреватель правильно?

Полезная информация: тепловой насос воздух-воздух может поддерживать необходимый микроклимат в доме.

Нюансы монтажа и эксплуатации

Перед сборкой и запуском системы будет полезно изучить советы тех, кто уже на практике осуществил монтаж устройства и начал его использовать по назначению.

Где брать тепло

На начальном этапе проектирования отопления с использованием ТН вода-вода надо выбрать первичный источник тепла.

Лучший вариант — открытый водоем (пруд, река, озеро, море) достаточной площади и глубины на расстоянии до 100 метров от дома.

Если такой возможности нет, то бурят скважины до глубины залегания водоносного слоя грунта.

Тут есть два варианта:

Нюансы монтажа и эксплуатации
  1. Для открытого типа внешнего коллектора понадобится только две скважины на расстоянии друг от друга 20 метров. Из одной вода перекачивается на обогрев испарителя конденсаторного контура. Затем сбрасывается во вторую. При этом дебет скважины должен быть достаточным. Это определяется выкачиванием воды погружаемым насосом. Перед продолжением проектных работ надо сделать лабораторный анализ воды на содержание солей жесткости и взвешенных частиц.
  2. Если получен негативный результат анализа или дебета, понадобится пробурить больше. Нужно будет разместить в скважинах примерно такую же длину труб, как в открытом водоеме.

Эксплуатация и обслуживание

После окончания пусконаладочных работ владелец управляет только двумя кнопками: включить/выключить и зимний/летний режим (отопление или охлаждение), а также регулирует температуру в разных комнатах.

Ежегодный осмотр, обслуживание делают специалисты сервисной службы — контроль:

  • отсутствия утечек фреона;
  • смазки;
  • теплоносителей во внешнем и внутреннем контурах;
  • работы автоматики.

Что важно знать о дебетовой скважине?

Дебетовая – это скважина, из которой забирается вода и поступает в теплообменник теплового насоса, где происходит отбор тепла от этой воды. Перед тем, как использовать такую скважину для теплового насоса, необходимо выяснить сколько она дает воды, т.е. её дебет. Давайте разберемся, зачем нам необходима эта информация.

Вода из скважины идет в теплообменник теплового насоса. С одной стороны пластин, который проходит вода из нашей скважины, с другой фреон, который забирает тепло от нее. Допустим пришло в теплообменник теплового насоса 10С, а выходит 6С. Т.е. фреон забрал 4С.

Прокачивая 1м3 воды через теплообменник, мы получим 4,65 кВт тепла.

Произведем расчет дебета скважины. Для примера возьмем тепловой насос производительностью 12 кВт и потребление 2,7 кВт. Для того чтобы определить количество воды, прокачиваемой через теплообменник, необходимо рассчитать холодопроизводительность теплового насоса. Это разность между тепловой мощностью и потребляемой мощностью. 12-2,7=9,3 кВт

Теперь рассчитываем объем прокачиваемой воды. 9,3/4,65=2 м3. Т.е. дебет нашей скважины должен быть больше процентов на 20-30. Например, в Краснодаре, температура воды из скважины почти круглогодично идет 13-14С. Охлаждать воду в теплообменнике, без риска для его размораживания, мы можем до +3С. Соответственно производим расчет.

13-3=10С

10*1,163=11,63

9,3/11,63=0,8 м3/ч

Из расчетов видно, как температура воды влияет на необходимый дебет из скважины. Еще один пример. Московская область. Зимой вода из скважины может опускаться до 8С. Считаем:

8-3=5

5*1,163=5,81

9,3/5,83=1,6 м3/ч

Постоянно ли должен быть такой дебет? Нет, но обеспечить его нужно не менее расчетного.

Когда тепловой насос потребует расчетного дебета? Тогда, когда будет целый час работать без остановки, а такой момент наступит, если теплопотери дома будут равны или больше, чем та тепловая мощность, которую дает насос. Происходит следующий процесс. Допустим у нас есть «умный контроллер», который управляет тепловым насосом или человек, который выставил определенную температуру подачи в систему отопления. Пусть это будет 40С. Когда наступает момент, что теплопотери выше, чем мощность теплового насоса, то вода, приходящая в теплообменник отопительного контура (обратка), сильно холодная и мощности теплового насоса не хватает, чтобы нагреть воду до установленной температуры подачи и остановиться на «перекур». Если насос будет работать сутки, то и вода из скважины будет забираться такое же время с расчетным дебетом или больше. Если дебет будет недостаточный, уровень в скважине упадет и погружной насос не сможет забирать воду. Отсутствие ее в скважине приведет к остановке теплового насоса. Сработает защита. Когда теплопотери ниже, чем мощность насоса, то он будет включаться на несколько минут, нагревать воду до определенной температуры и выключаться до того момента, пока температура не упадет на 1-2С или на другое значение, выставленное оператором.