X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение.

Около трех четвертей энергии, потребляемой в домашних хозяйствах, расходуется на отопление и горячую воду. При этом энергия добывается главным образом посредством сжигания ископаемых энергоносителей. Все больше повышается значение экономного обращения с природными ресурсами, а связанные этим экономические и экологические преимущества все чаще становятся решающими критериями при выборе подходящей отопительной системы. В связи с этим тема использования тепловых насосов приобретает все большую актуальность не только из-за удорожания энергоносителей, но и по мере изменения климатических условий. Сегодня этот способ отопления, а также охлаждения зданий в летнее время, рассматривают даже как один из методов борьбы с глобальным изменением климата на нашей планете.

Страны, где установка теплонасосов приобрела глобальный характер, уже могут похвастаться улучшением экологической обстановки. Взять хотя бы Швецию, которая таким способом в разы уменьшила загрязнение окружающей среды – там количество выбросов продуктов горения в атмосферу снизилось без малого на 400 тысяч тонн в течение года.

Что такое воздушный тепловой насос.

Простейший тепловой насос был спроектирован еще в 1852 году и получил название «умножитель тепла». Лорд Кельвин открыл основополагающие принципы действия, которые легли в основу всего современного отопительного оборудования.

Согласно законам физики, тепло передается от нагретого тела к тому, что имеет меньшую температуру. Но, возможен обратный процесс, при условии использования для этого дополнительной энергии.

Немного позже был открыт принцип обратного цикла Карно. Вещество, при испарении, поглощает тепло, а после конденсации на поверхности, отдает его. Именно этот закон лежит в основе холодильников и кондиционеров. Низкотемпературный воздушный теплонасос работает как эти бытовые приборы, только в «обратную сторону».

Некоторые производители кондиционеров используют этот принцип, предлагая потребителю кондиционеры, способные работать на обогрев помещения. Но системы кондиционирования имеют низкий КПД при отрицательных температурах, так как основным предназначением техники является охлаждение, а не нагрев.

Низкотемпературные воздушные тепловые насосы для отопления дома, работают, используя этот физический закон. Как отопление осуществляется на практике?

Любое, даже охлажденное тело, имеет высоко или низко потенциальную энергию. Даже при отрицательной температуре, в воздухе содержится определенное количество тепла. При -15°С, теплее, чем при -25°С. При -5°С, еще больше тепла находится в воздухе. Принцип работы воздушного теплового насоса позволяет извлечь то небольшое количество тепловой энергии, которое остается в зимнее время года и передать его в помещение.

В наружном блоке, установленном на улице, расположен змеевик с испарителем. Внутри контура циркулирует фреон – жидкость, которая свободно переходит в газообразное состояние и обратно. Фреон испаряют, при этом поглощается то тепло, которое остается даже при отрицательных температурах.

Газ поступает в компрессор. В компрессоре создается высокое давление и условия для преобразования фреона обратно в жидкость.

Под давлением, фреон разогревается и поступает в конденсатор. В блоке газ окончательно становится жидкостью, отдав при этом все тепло, которое получил во внешнем блоке, установленном на улице.

Фреон, по замкнутому контуру, обратно возвращается в испаритель.

Существует зависимость тепловой мощности воздушно-водяного теплового насоса от температуры наружного воздуха. По этой причине, производители предусматривают подключение к тепловому насосу дополнительного отопительного оборудования, которое компенсирует недостатки тепловой энергии при падении наружной температуры ниже -15°С. Работа в условиях холода продолжается, хотя и с меньшей эффективностью.

Существует несколько типов воздушных теплонасосов, отличающихся по принципу, используемому для обогрева помещений.

Тепловые воздушно-водяные насосы

Бытовые системы теплоснабжения и ГВС, на базе воздушных теплонасосов, очень эффективны для применения в умеренных широтах РФ. Средний СОР (коэффициент преобразования) 3. Получается, что на каждый потраченный 1кВт, приходится 3 кВт продуцируемой тепловой энергии.

Принцип работы такой же, как и в насосах других модификаций, но с определенными отличиями:

Конденсатор располагают внутри бойлера накопителя, соединенного с системой отопления и ГВС.

Тепло, выделяемое при конденсации фреона, используется для косвенного нагрева теплоносителя.

С помощью циркуляционного насоса, нагретый теплоноситель поступает в систему ГВС и отопление.

Интенсивность нагрева теплоносителя варьируется от +30°С до +60°С. При температуре ниже -15°С, включается комбинированное теплоснабжение с воздушным теплонасосом, что незаменимо в условиях холодного климата. Недостаток тепла компенсирует любой котел (электричество, газ, дрова).

Так как монтаж наружного блока осуществляется на улице, дополнительным преимуществом будет наличие функции антизамерзания или оттаивания.

Тепловые насосы воздушного отопления

Теплонасосы воздушного отопления используются для обогрева отдельных помещений. Принцип работы во многом напоминает тот, что использует тепловентилятор, только функцию греющей спирали играет конденсатор.

Корпус внутреннего блока теплонасоса похож на кондиционер и также может работать на воздушное отопление и охлаждение.

Потребителю предлагаются различные решения вопроса обогрева:

Установка отдельных независимых обогревателей.

Монтаж нескольких теплонасосов, объединенных в единую сеть.

Теплонасосы, отапливающие помещение посредством теплого воздуха, имеют следующие преимущества:

Максимальный КПД – отсутствие необходимости в предварительном нагреве теплоносителя приводит к более экономичному расходу электроэнергии. Воздух нагревается всего до температуры 20-40°С, а это в свою очередь обеспечивает больший коэффициент СОР, равный 4.

Быстрый прогрев здания – теплый воздух начинает поступать в помещение через несколько секунд после включения.

Универсальность – оборудование можно использовать летом как кондиционер. В базовой комплектации предусмотрена функция охлаждения помещения.

При достижении критичной для работы отрицательной температуры, происходит автоматическое включение резервного источника тепла при использовании воздушного ТН. Таким образом, удается компенсировать недостаток тепловой энергии.

Мировой опыт использования воздушных тепловых насосов

Европейская практика установки и использования тепловых насосов опережает другие страны мира. Но так как это удовольствие недешевое, то многие страны решают этот вопрос путем введения соответствующих государственных программ. В некоторых странах масштабы использования теплонасосных установок очень впечатляют. В качестве примеров мы рассмотрим несколько стран, которые в течение многих лет с успехом используют в повседневной жизни тепловые насосы.

	Швеция	Германия	США	Япония
Степень распространености	Большую половину домов в стране отапливаются с помощью тепловых насосов	Множество немецких семей перешли на альтернативное отопление	-	Массовое внедрение тепловых насосов в систему отопления
Какие тепловые насосы приемущественно распространены	Морские и воздушные тепловые насосы	Воздух-вода	Рынок тепловых насосов очень развит	Воздух-воздух
Помощь от государства	Для установки теплонасосов предусмотрены государственные дотации	Правительством оказывается финансовая помощь тем, кто хочет установить тепловой насос	Был принят закон, который обязывает компании - застройщики устанавливать тепловые насосы во всех новых возводимых зданиях	Правительство внедряет программы, которые позволяют получать субсидии при установке тепловых насосов
Дополнительное оборудование	Сочетание системы «теплый пол» и тепловой насос	-	Комбинация солнечных коллекторов с тепловым насосом	-

Опыт Швеции

На первом месте по внедрению тепловых насосов в повседневную жизнь стоит Швеция. Там к вопросам энергоэффективности и экологии уделяется особое внимание. А потому уже большую половину домов в стране обогревают с использованием тепловых насосов. А ведь это грандиозная экономия электроэнергии.

Первым городом, который перевели на отопление тепловыми насосами, стал Стокгольм. Почти вся шведская столица обогревается за счет морских теплонасосов. Бесценным источником тепловой энергии является Балтийское море. Населенные пункты, расположенные на побережье, пользуются этим преимуществом. В других регионах широкое применение нашли воздушные агрегаты. Большую популярность приобрело сочетание системы «теплый пол» с тепловым насосом. Благодаря этому энергия, поставляемая тепловым насосом, используется с максимальной эффективностью.

В правительстве Швеции давно задумались о том, как сделать так, чтобы вопросы энергоэффективности не подрывали государственный бюджет и не били по карманам жителей. Поэтому там в свое время для установки теплонасосов предусмотрели государственную дотацию. Это позволило в короткие сроки значительно сократить затраты на отопление.

Сегодня шведы могут делиться своим опытом с другими державами, ведь они все больше отказываются от традиционных видов отопления.

Опыт Германии

Германию можно смело назвать самой продвинутой страной по использованию тепловых насосов.

Чтобы поддержать население в переходе на более удобное и выгодное отопление, правительством оказывается финансовая помощь тем, кто хочет установить тепловой насос.

После пережитого экономического кризиса развитие этой отрасли быстро вышло на первый план. Потребители быстро поняли всю выгоду при использовании этого экономичного и эффективного отопительного оборудования. Особым спросом в Германии пользуются насосы «Воздух-вода».

Сегодня уже множество немецких семей перешли на это альтернативное отопление и совершенно об этом не жалеют. Ведь расходы на его установку окупаются довольно быстро и существенную помощь приносят государственные дотации. А потому тепловые насосы стали доступны для большинства семей Германии.

Немцы отмечают пользу этого отопления: автоматика работает исправно, атмосфера не загрязняется, в доме тепло. За потребленную электроэнергию платить приходится совсем немного, не говоря уже о том, что тепло для дома они получают фактически бесплатно.

Опыт США

Для популяризации тепловых насосов и для удешевления используемых энергоносителей правительство США пошло немного иным путем. Там был принят закон, который обязывает компании-застройщики устанавливать это отопительное оборудование во всех новых возводимых зданиях.

В течение года в Соединенных Штатах выпускается больше одного миллиона тепловых насосов. Поэтому этот рынок там также очень развит.

К тому же американцы широко используют энергию солнца для отопления, подогрева воды для бытовых нужд и для бассейнов. Комбинация солнечных коллекторов с тепловым насосом повышает эффективность системы отопления в разы.

Использование солнечных коллекторов очень эффективно. Они улавливают солнечные лучи круглый год и даже в пасмурную погоду. Применение коллекторов для теплового насоса позволяет обеспечить его необходимыми 25% электроэнергии, которая нужна для его 100%-й производительности.

На практике работа двух систем, теплонасоса и коллекторов, дает ни с чем не сравнимые преимущества. Ведь потребители абсолютно не испытывают недостатка в электроэнергии и тепле. К тому же затрат на тепло они абсолютно не несут.

Опыт Японии

Японцы выступают новаторами во многих областях, в том числе и в применении тепловых насосов. Они очень ценят не только практичность и технологичность данного оборудования, но и его высокую энергоэффективность и получаемые в результате удобства. Возможность пользоваться горячей водой в любое время суток для них является важным условием комфортной жизни.

Воду в Японии принято подогревать в ночное время, когда тариф на электричество более дешевый, чем дневной. К тому же электросеть не перегружается, а это очень важно в целях безопасности. А если учесть, что японцы – известные любители горячих ванн и в сутки один человек может израсходовать до 420 литров воды, то необходимость дешевой энергии становится очевидна и понятна.

Для начала правительство страны инициировало программу по изучению последствий применения тепловых насосов. Не было выявлено ни единого отрицательного фактора воздействия на окружающую среду и на безопасность для человека. Это и стало причиной массового внедрения тепловых насосов в систему отопления. И сегодня Япония может служить ярким примером для других стран.

Для обеспечения максимальной эффективности в этой области бизнес и власть работают вместе. В середине 80-х годов минувшего столетия там был создан фонд «Тепловые насосы», который показал результативность своей работы.

Катастрофа на Фукусиме еще больше стимулировала развитие программ, которые уменьшают зависимость от атомной энергетики и газа, а также программ, которые позволяют внедрять энергосберегающие технологии.

Сегодня в Японии наибольшую популярность получили насосы «Воздух-вода». К этому подтолкнули климатические условия в этом регионе. А правительство внедряет программы, которые позволяют получать субсидии при установке тепловых насосов.

Как видим, в странах с развитой экономикой с умом подходят к разработке новых программ по внедрению зеленых технологий, а также к различным энергетическим проектам. Такая перспектива имеет все шансы на создание в будущем умных домов, которые обеспечат людей фактически бесплатным теплом и электричеством.

Библиографический список:

[Электронный ресурс] http://avtonomnoeteplo.ru/altenergiya/

[Электронный ресурс] http://santeh1.ru/

[Электронный ресурс] http://www.nkfmgei.ru/

Код для цитирования: Скопировать