Проблема забезпечення потреби в паливно-енергетичних ресурсах включає комплекс завдань із пошуку і розроблення альтернативних джерел енергії і впровадження раціональних способів зниження їх втрат.
Одним з ефективних способів економії паливних ресурсів, а також захисту навколишнього середовища є широке впровадження теплонасосних установок, в яких низькопотенціальні теплові потоки перетворяться в потоки з вищим температурним рівнем.
Тепловим насосом називається технічна система, що реалізовує підвищуючу термотрансформацію низькопотенціального теплового потоку.
Теплові насоси не є теплогенеруючими пристроями і не виробляють енергію у формі тепла. Навпаки, здійснюваний у теплових насосах теплоперенос можливий лише з витратою енергії, форма якої залежить від принципу, покладеного в основу їх функціонування.
Необхідно відзначити, що в більшості типів теплових насосів підвищується температурний рівень практично потоків анергії, тоді як для цього витрачаються найцінніші потоки енергії-стовідсоткові ексергетичні потоки.
Відомо, що отримання названих енергетичних потоків з викопного палива супроводжується виробленням теплоти, і тому теплові насоси не можуть конкурувати з когенераційними енергетичними системами у загальній концепції енергозабезпечення різних сфер життєдіяльності. Але в рамках використання теплових вторинних енергоресурсів теплові насоси поза сумнівом можуть розглядатися як найбільш прості і оптимальні пристрої.
Термін "тепловий насос", безумовно, не відображає сутності фізичних процесів, а просто символізує абстрактне уявлення про перекачування нематеріального потоку з температурою як параметром інтенсивності.
Теплові насоси дозволяють використовувати поновлювану низькотемпературну енергію навколишнього середовища на потреби більш високотемпературного об’єкта.
Основні сфери застосування теплових насосів: системи гарячого водопостачання, опалювання, цілорічного кондиціонування повітря, а також ряд промислових технологій.
Тепловий насос не є автономно працюючим пристроєм, а є основним компонентом більш загальної системи під назвою теплонасосна установка, в яку, окрім теплового насоса, входять устаткування, прилади і комунікації, що забезпечують експлуатаційні зв'язки теплового насоса з низькопотенціальними джерелами теплоти і об’єктами споживання навантаження.
На рисунку 2.1 наведена спрощена схема теплонасосної установки для опалювання приміщення
Рисунок 2.1 Схема теплонасосної установки:
I - система підведення теплоти на термотрансформацію;
II - система термотрансформації (тепловий насос);
III – система споживача теплового навантаження;
Н – насос; В – випарник; КМ – компресор;
КД – конденсатор;
РВ – регулюючий вентиль; ТМ – теплова мережа
Відповідно до рисунка 2.1 теплонасосна установка наведена у вигляді трьох взаємозв'язаних систем на базі теплового насоса парокомпресійного типу. Система I забезпечує подачу утилізованого середовища у випарник теплового насоса, в даному варіанті воду з природного водоймища. У випарнику за рахунок теплообміну між водою і робочою речовиною (холодоагентом) вода охолоджується і по лінії нагнітання скидається у водоймище.
У системі II тепловий потік, відібраний від води у випарнику, витрачається на кипіння рідкої фази холодоагента. Пара, що виходить з випарника, надходить у компресор, де відбувається підвищення його термічних параметрів до необхідного рівня термотрансформації. Далі пара надходить в конденсатор теплового насоса, де його конденсація забезпечується шляхом передачі теплоти середовищу споживача, циркулюючої через опалювальну мережу системи III.
Принципово теплонасосна установка може працювати в режимі холодильної машини і, таким чином, мати ширше функціональне призначення, наприклад, для цілорічного кондиціонування повітря.
Наведений на рисунку 2.1 технічний комплекс, який ми називаємо теплонасосною установкою, при реверсуванні напряму потоку холодоагента перетворюється в холодильну установку, призначенням якої буде охолоджування приміщення шляхом перенесення теплоприпливів з приміщення до води водоймища, тобто скидання в навколишнє середовище. Для реалізації подібного реверсування режиму роботи в теплонасосній установці передбачається досить простий пристрій перемикання комунікацій, що забезпечує незалежність роботи компресора і взаємозаміну функцій між конденсатором і випарником.
Теплові насоси, як і будь-які інші термомеханічні системи, можуть бути класифіковані за рядом ознак, головною з яких, поза сумнівом, є принцип дії. За цією ознакою розрізняють:
-парокомпресійні (ПКТН);
-абсорбційні (АТН);
-струминні (СТН);
-термоелектричні (ТЕТН).
Оптимізація енергоефективності при застосуванні теплових насосів і установок привела до виділення ще однієї важливої ознаки - валентності режиму теплового насоса в загальній схемі теплопостачання (теплогенерації);
-моновалентні - тільки тепловий насос;
-бівалентні - з додатковим джерелом теплоти.
Різновидом бівалентного режиму роботи є моноенергетичний режим. Для подібного режиму тепловий насос і додатковий теплогенератор використовують один і той самий вид енергоносія, як правило, електроенергію.
При використанні як утилізованого середовища природних джерел, а середовищем споживача є вода або атмосферне повітря, теплові насоси позначають у вигляді:
- повітря - повітря, повітря - вода;
- ґрунт - повітря, ґрунт - вода;
- вода-повітря, вода-вода.
У деяких випадках теплові насоси класифікують за типом привода:
- електропривід;
- двигуни внутрішнього згорання;
- турбопривід.
Реалізація проектів теплопостачання із застосуванням теплонасосних систем вимагає технологічного ув'язування об’єкта споживання теплового навантаження і джерела низькопотенціальної теплоти. Техніко-економічні показники подібного проекту багато в чому залежатимуть від двох температурних рівнів:
- температури утилізованого середовища на вході в
тепловий насос, Т 1y;
-кінцевої температури нагріву середовища споживача Т2п.
У таблицях 2.1 і 2.2 наведені орієнтовні дані за названими температурами.
Таблиця 2.2 - Характеристика рівня нагріву середовища споживача теплоти
Вид теплотехнології
Середовище
t2п, 0С
Опалювання підлогове
Опалювання нагрітим повітрям
Опалювання з фенкойлами (конвекторами)
Опалювання батарейне
Гаряче водопостачання виробниче
Гаряче водопостачання побутове
Тепломасообмінні процеси (сушіння)
вода
повітря
вода
вода
вода
вода
робочі
речовини
25…35
25…30
40…55
70…100
50…80
45
80…120
Можливості і економічна доцільність застосування теплонасосних установок залежать від кліматичних і географічних особливостей, рівня розвитку економіки, паливно-енергетичного балансу, співвідношення цін на основні види палива і електроенергії та інших чинників [27, 37, 60, 48, 24, 13].
Згідно із прогнозами Світового енергетичного комітету до 2020 р. 75% комунального і виробничого теплопостачань у розвинених країнах здійснюватиметься за допомогою теплових насосів. У даний час у світі працює близько 20 млн теплових насосів різної потужності – від декількох кіловат до сотень мегават.
Найбільшого поширення у країнах з помірним кліматом набули повітряно-повітряні реверсивні теплонасосні установки, призначені для опалювання і літнього кондиціонування повітря. Для країн з дешевою електроенергією характерне застосування великих теплонасосних установок у системах центрального теплопостачання. У зв'язку з тенденцією зростання цін на енергоресурси починає інтенсивно розвиватися використання для теплових насосів привода від газового двигуна.
Основні зарубіжні виробники теплонасосного устаткування - фірми GENERAL ELECTRIC, LENOX (США); CARRIER (Франція); SULZER, VIESSMANN (Німеччина), METRO, DANFOS (Данія), BUDERUS (Швейцарія). В Україні теплові насоси випускає ВАТ "РЕФМА", м. Мелітополь.
