Тепловые насосы

Альтернативой солнечному теплоснабжению могут служить теплонасосные установки, превращающие низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды (воды, грунта, воздуха), а также "тепловые отходы" коммунальных служб в тепловую энергию требуемого потенциала. Теплонасосные установки - это компактные отопительные установки для автономного обогрева, охлаждения и горячего водоснабжения. Такие системы работают без использования топлива и не производят вредных выбросов в атмосферу, кроме того, они позволяют значительно снижать эксплуатационные расходы, экономя до 75-80% энергии направляемой на отопление и подготовку горячей воды. Применение теплонасосных установок кардинально улучшает условия теплоснабжения: в 2 раза может быть сокращено потребление первичной энергии (органического топлива); система теплоснабжения становится децентрализованной, не требующей протяженных тепловых сетей; производство электроэнергии и связанный с ним выброс продуктов сгорания органического топлива могут быть вынесены за пределы населенных пунктов.

Эффективность использования теплонасосных установок во многом связана с наличием (выбором) источника низкопотенциальной теплоты. Источник низкопотенциальной теплоты может быть выбран для широкого применения однотипных теплонасосных установок в регионе: теплота фунта, грунтовых вод, воды естественных водоемов (в том числе морской воды) и т.п. Однако во многих случаях применение теплонасосных установок определяется локальными условиями конкретного потребителя: наличием местного источника низкопотенциальной теплоты, особенностями использования произведенного тепла, особенностями местного энергоснабжения и др. В этом случае теплоснабжение с помощью теплонасосных установок вполне может вписаться в имеющуюся централизованную систему города или поселка.

Источником тепла может быть воздух, скалистая порода, грунт (земля) или вода. Охлажденный теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному в землю (воду) нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса.

Внешний контур (откуда тепловой насос берет энергию)	Внутренний контур (чем обогревается/охлаждается дом)
Грунт	Вода

Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ. Это происходит при низком давлении и низкой температуре. Из испарителя газообразный хладагент попадает, в компрессор, где он сжимается, его температура повышается. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник (конденсатор). В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.

Грунт - это, пожалуй, наиболее универсальный источник рассеянного тепла. Он аккумулирует солнечную энергию и круглый год подогревается изнутри, от ядра земли. При этом он всегда "под ногами" и способен отдавать тепло вне зависимости от погоды. Ведь на глубине уже 5-7 м температура практически постоянна в течение всего года. Необходимая энергия собирается теплообменником, заглубленным в землю, и аккумулируется в носителе, который затем насосом подается в испаритель и возвращается обратно за новой порцией тепла. В качестве такого переносчика энергии используют незамерзающую жидкость на основе этиленгликоля или пропиленгликоля.

Внедрение таких экономичных и экологически чистых технологий теплоснабжения необходимо в первую очередь во вновь строящихся районах городов и в населенных пунктах при полном исключении применения электрокотельных, потребление энергии которыми в 3-4 раза превышает потребление ее теплонасосными установками.

Важнейшая особенность теплонасосных установок - универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической, тепловой). Еще одно преимущество теплонасосных установок - широкий диапазон мощности (от долей до десятков тысяч киловатт), перекрывающий мощности любых существующих теплоисточников, в том числе малых и средних ТЭЦ.

Использование теплонасосных установок перспективно в комбинированных схемах в сочетании с другими технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергии), так как позволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наиболее высоких экономических показателей. Применение теплонасосных установок вносит наибольший вклад в экономию невозобновляемых энергоресурсов с помощью технологий нетрадиционной энергетики.

Перечисленные преимущества теплонасосных установок обусловили их широкое и всевозрастающее распространение в развитых странах и во всем мире.

Так среди курортно-оздоровительных и спортивных комплексов прежде всего выделим здравницы на морском побережье. В районах их расположения (Крым и др.) действуют повышенные требования к чистоте воздушного бассейна. Вместе с тем используются децентрализованные системы теплоснабжения с применением мелких котельных на органическом топливе (обычно на мазуте). Один из потребителей теплоты - плавательные бассейны. В современных условиях на таких объектах обязательно летнее кондиционирование воздуха. Требованиям экологически чистого теплоснабжения и летнего кондиционирования воздуха в полной мере отвечают комбинированные теплонасосные системы тепловой насос - холодильная машина. Источником низкопотенциальной теплоты для теплонасосной установки служит морская вода, а также сбросная вода бассейнов. В летнее время морская же вода является приёмником теплоты конденсации холодильной машины.

По аналогичной схеме работают комбинированные теплонасосные системы спортивных комплексов - спортивных залов, плавательных бассейнов и аквапарков. В качестве источника низкой теплоты при отсутствии вблизи объекта водоема (моря, реки, озера) используется теплота подземных вод или грунта.

В сельскохозяйственном производстве основные области применения тепловых насосов - первичная обработка молока и теплоснабжение стойловых помещений. На молочных фермах значительная доля энергозатрат (до 50 %) приходится на привод компрессоров холодильных машин, предназначенных для охлаждения свежевыдоенного молока и нагрева воды для санитарно-технологических нужд. Такое сочетание потребности в тепле и холоде создает благоприятные условия для применения тепловых насосов. С вентилируемым воздухом стойловых помещений отводится значительное количество теплоты, которое успешно может быть использовано в качестве низкопотенциального источника для малых тепловых насосов. На животноводческих фермах теплонасосная установка обеспечивает одновременное кондиционирование воздуха в стойловых помещениях и теплоснабжение производственных помещений.