Тепловые насосы в системах отопления: обзор технологий и перспектив

Введение

На отопление и горячее водоснабжение ежегодно расходуется огромная часть ископаемого топлива, что приводит к значительным выбросам углекислого газа. В связи с целями устойчивого развития и сокращением загрязняющих окружающую среду выбросов актуальной задачей является поиск и внедрение энергоэффективных и экологически чистых технологий.

Тепловой насос (рис. 1) – техническое устройство, которое реализует процесс переноса низкотемпературной теплоты на более высокотемпературный уровень. Тепловые насосы трансформируют теплоту, в них рабочие тела совершают обратный термодинамический цикл [1].

Принцип работы и классификация

Принцип работы теплового насоса основывается на обратном термодинамическом цикле (рис. 2).

Рис. 1. Схема парокомпрессионного теплового насоса [1]: И – испаритель, КМ – компрессор, ДВ – дроссельный вентиль, К – Конденсатор

Теплонасосная установка (рис. 1) состоит из: испарителя И, конденсатора К, компрессора КМ и дросселирующего устройства ДВ или расширительного цилиндра. В испарителе низкотемпературный теплоноситель подается в межтрубное пространство, где происходит его охлаждение за счёт кипения в трубном пространстве испарителя хладона. Компрессор отсасывает пары хладона из испарителя, сжимая до давления конденсации и отправляет их в межтрубное пространство конденсатора (процесс 1-2). В конденсаторе в трубное пространство подаётся нагреваемый теплоноситель, а на наружной поверхности труб в межтрубном пространстве пары хладона охлаждаются и конденсируются, превращаясь в жидкость (процесс 2-3). Затем жидкий хладон дросселируется в регулирующем устройстве, понижая свое давление и температуру до давления и температуры в испарителе (процесс 3-4). В испарителе парожидкостная смесь, которая образовалась вследствие процесса дросселирования, кипит, получая тепло через стенки труб от низкотемпературного теплоносителя (процесс 4–1). Образующиеся пары хладона отсасываются компрессором, цикл замыкается [1].

Рис. 2. Термодинамический цикл парокомпрессионного теплового насоса в T-S координатах [1]

Основной показатель эффективности теплового насоса – коэффициент преобразования (COP), который численно равен отношению полученному в конденсаторе высокопотенциальным теплоносителем тепловому потоку Q (кВт) к потребляемой компрессоре электрической мощности W (кВт). Ниже представлена формула расчета данного коэффициента [2, с. 29-31]:

, (1)

Тепловые насосы разделяются на два основных типа: с открытым и закрытым контурами. Насос с открытым контуром характеризуется тем, что источник низкопотенциальной теплоты (вода из скважины или водоема) поступает в испаритель, что сказывается на себестоимости монтажа и эксплуатации. Отличие теплового насоса с закрытым контуром объясняется тем, что контур насоса укладывается на дно водоема, по нему циркулирует теплоноситель (антифриз) [3].

По типу источника низкопотенциального тепла и теплоносителя в системе отопления тепловые насосы классифицируют следующим образом:

1. «Воздух-Воздух»: наиболее распространенный и простой в монтаже тип. Зимой забирает тепло из наружного воздуха и передает его воздуху внутри помещения. Летом работает в режиме кондиционера [4].
2. «Воздух-Вода»: забирает тепло из наружного воздуха и передает его воде в системе водяного отопления или системе ГВС.
3. «Грунт-Вода»: использует тепло грунта, температура которого стабильная в течение всего года. Имеет высокий и стабильный COP, но требует значительных капиталовложений.
4. «Вода-Вода»: использует тепло грунтовых вод, озер или рек [5].

Преимущества и ограничения

Тепловые насосы позволяют забирать тепло из наружного воздуха, имея при этом высокий коэффициент COP. При работе теплового насоса отсутствуют прямые выбросы оксида углерода. При использовании возобновляемых источников энергии углеродный след стремится к нулю. Также стоит отметить, что современные тепловые насосы работают как на отопление, так и на охлаждение. Размер теплового насоса достаточно небольшой [6].

Ограничения, связанные с использованием теплового насоса в системе отопления, основываются на множестве факторов. К ним можно отнести: высокие первоначальные инвестиции, зависимость COP от температуры источника, экологические аспекты хладагентов.

При эксплуатации тепловых насосов, использующих тепло грунтов в регионах с холодным климатом, есть риск замораживания этих грунтов, что, в конечном итоге, приводит к снижению COP [7, с. 125-137].

Современные тенденции и перспективы развития

Для обеспечения большое тепловой мощности объединяют несколько тепловых насосов в единую каскадную систему, что позволяет покрывать потребности крупных зданий [8, с. 18].

На 2016 год в Германии в эксплуатации находятся около 1 млн тепловых насосов. В 2025 году ожидается, что количество установленных тепловых насосов превысит 3 млн единиц [9].

В настоящее время прогнозируется рост российского рынка с 613 миллионов долларов в 2022 году до 5,39 миллиарда долларов к 2032 году, что свидетельствует об устойчивом развитии отрасли тепловых насосов. В США активизировали продажу тепловых насосов через «Закон о снижении инфляции», который дал стимул роста продаж оборудования на 15% в ноябре 2024 года. Великобритания предоставляет гранты до 7500 фунтов стерлингов через Boiler Upgrade Scheme, что привело к росту заявок на 78% в декабре 2024 года [10].

Такие государственные меры поддержки способны значительно помочь развитию рынка теплонасосного оборудования.

Заключение

Тепловой насос является высокоэффективной и экологичной технологией, которую можно использовать в системах отопления и горячего водоснабжения при сравнительно небольших расходах электроэнергии на привод компрессора насоса.