Термопомпени системи Днес, когато конвенционалните източници на енергия поскъпват, а екологичната ситуация става все по-сериозна, често си задаваме въпроса: има ли достъпна и ефективна алтернатива на традиционните начини на отопление, климатизация и получаване на топла вода? Отговорът е положителен и се крие в термопомпената система. Основната разлика между термопомпата и другите генератори на топлинна енергия (електрически, газови, дизелови) е, че при работата й до 80% от доставената на консуматора топлинна енергия се извлича безплатно от природата. Въздухът, водата и земята са неизчерпаем източник на топлина. Използвайки ги, термопомпата ще Ви спести много пари. Да видим как на практика е възможно това.
текст Вела Динкова
Термопомпата представлява компактна, икономична и щадяща околната среда климатична система, която използва постоянната температура на външни източници като вода (от сондаж, море, езеро), земя, въздух и дори сняг. Тя пренася топлина от тези по-нискотемпературни среди чрез топлоприемник (охладител), към консуматор, представляващ по-високотемпературна среда. Служи като автономна система за отопление и охлаждане на жилищни, обществени и промишлени помещения, както и за затопляне на вода. В областта на енергийната ефективност терминът термопомпа означава хладилник с реверсивен вентил (обръщащ посоката на движение), който позволява тя да работи в обратен режим - през лятото да отнема топлината от сградата и да я отвежда навън, а през зимата да отнема топлина от външен източник и да я пренася в сградата. Ако при хладилниците целта е да се постигне охлаждане чрез извличане на топлина от обема с изпарители и изхвърляне на тази топлина в околната среда чрез кондензатори, то при термопомпите нещата стоят точно обратно. При тях кондензаторът играе ролята на топлообменник, отделящ топлина за потребителя, а изпарителят е топлообменник, който улавя топлина от по-нискотемпературна среда. В действителност термопомпите не произвеждат топлина, те само я пренасят от едно място на друго и затова са по-ефективни от останалите начини за отопление, климатизация и подгряване на вода. Използвайки разсеяната в околната среда топлина (в земя, вода, въздух), термопомпата показва поразителна енергийна ефективност – при влагане на 1 киловат електроенергия се получават 3-4, а понякога и 5-6 киловата топлинна енергия. Електроенергия се използва само за задвижване на компресора на термопомпата, за да се осъществи преноса на топлина.
В настоящите условия на постоянно нарастващи цени на електроенергията и на все по-строги изисквания към опазване на околната среда, термопомпените системи дават изключително добра алтернатива да получавате безплатно от природата 60-80% от енергията за отопление и климатизация на сгради с различно предназначение и за битова гореща вода.
Умножаване на топлината - как е възможно това?
Логично е всеки да си зададе въпроса: как става пренос на топлина от нискотемпературна към високотемпературна среда с минимално влагане на енергия? Всъщност това е напълно възможно и се обяснява с основни принципи в термодинамиката – цикълът на Карно, но в обърнат вариант. Тук извършената механична работа не се изразява в движение, а в пренос на топлина. Да видим как на практика се осъществява това.
Всяка термопомпена система е изградена от свързани чрез тръбопроводи изпарител, компресор, кондензатор и дросел. Те образуват затворен контур или верига. Работната течност (охладител), представляваща хладилен агент с много ниска температура на кипене, се подава чрез дросела в спираловиден тръбен изпарител. Топлината от нискотемпературния външен източник служи за изпаряване на хладилния агент в изпарителя топлообменник. В изпарителя се поддържа ниско налягане, което обезпечава кипене на хладилния агент при температура по-ниска от температурата на външния източник на топлина. Така макар и с по-ниска температура от тази на консуматора, външният източник е с по-висока температура от тази на точката на кипене на хладилния агент, и представлява източник на топлина, която поддържа процеса кипене и се влага в процеса изпарение. Парите на хладилния агент от изпарителя се всмукват от компресор и се нагнетяват под високо налягане, при което температурата на кондензация превишава тази на консуматора. Така се предизвиква кондензация на парите в кондензатор топлообменник. Външна енергия се използва само за сгъстяване на парите от компресора. В същото време топлината, получена от нискотемпературния външен източник при фазовия преход (кипене) на хладилния агент в изпарителя, се отдава на консуматора при фазовия преход (кондензация) на парите на хладилния агент в кондензатора. Охладените и втечнени в кондензатора пари се връщат чрез дросела отново в изпарителя и цикълът се повтаря. От всичко казано дотук, накратко можем да обобщим, че в термопомпената система се създават термодинамични условия, при които на входа температурата на работната течност да е по-ниска от тази на нискотемпературния външен източник, а на изхода да е по-висока от тази на консуматора. Така при топлообменните процеси в изпарителя се влага топлина от по-нискотемпературна среда и се отдава на по-високотемпературна среда в кондензатора. По този начин става концентрирането или умножаването на топлина от природата и предаването й на консуматора.
В режим на охлаждане в действие влиза реверсивния вентил, който обръща посоката на движение на работния флуид, при което топлината на консуматора се концентрира и се изхвърля в природния източник, който в случая играе роля на приемник на топлина.
Източници на топлина и схеми на термопомпените системи
Сред възможните източници на топлина за термопомпените системи са атмосферен въздух, повърхностни земни слоеве, водни басейни, води от сондажи, минерални извори, отпадни газови потоци от вентилиране на сгради и съоръжения, отпадни води, отпадна топлина от технологични процеси. Повърхностните земни слоеве са един повсеместен и достъпен източник, който представлява топлинен акумулатор с неограничен капацитет. Топлинният режим на този източник се формира под въздействие на два фактора – слънчева радиация и поток радиогенна топлина, постъпващ от земните недра. Като цяло източниците на топлина могат да се разделят на нискотемпературни и високотемпературни. Към високотемпературните източници можем да отнесем минералните извори, в чиито води при определени геоложки процеси е акумулирана геотермална енергия. Това са подземни резервоари с топла вода и пара, които могат чрез термопомпи да се използват за отопление на сгради. Този източник обаче е ограничен в определени райони със специфични геоложки условия. За разлика от него повърхностите земни слоеве се приемат за нискотемпературен източник, който може да се използва навсякъде. Освен това се прилага за различни типове сгради и съоръжения за отопление, охлаждане, получаване на гореща вода и предотвратяване на заледяване (например на открити части на стадиони, покриви, тротоари и други). В терминологията подобни системи са известни като GHP (geothermal heat pumps) или геотермални термопомпи. Тръбите при тях могат да се разположат като хоризонтално, така и вертикално в земята. Този тип системи спестява над 70% от разходите за отопление, климатизация и гореща вода, в сравнение с конвенционалните източници на енергия и не случайно са един от най-бързо развиващите се сектори в сферата на възобновяемите енергийни източници. Изключително разпространени са в Австрия, Германия, Швеция, Швейцария, Канада и САЩ. Използването на топлинна енергия от земята като величина на глава от населението е най-голямо в Швейцария.
Друг основен източник на топлина за термопомпените системи са водите от сондажи и повърхностните водни басейни. Топлината от водното тяло (външния източник) служи за затопляне на вода (консуматор) – за битова гореща вода, за отопление, а през лятото – за охлаждане в обратен режим. Най-добре е, ако има възможност да се използват дълбоки залежи на подпочвени води, тъй като те са с относително постоянна температура – тя обикновено се движи в границите от +8 до +12°С. Колекторът на топлообменника също така може да се постави на дъното на повърхностен водоем – море, язовир, езеро. Там водата също е с относително постоянна температура – по-висока от тази на въздуха през зимата и по-ниска през лятото. Ето защо ефективността на тези системи е много висока. При липса на възможност да се използват водни или земни източници, като нискотемпературен външен източник може да се използва и атмосферния въздух. На този принцип работят термопомпите чилъри. Сигурно изглежда странно, но е истина, че дори при -20°С въздухът може да е източник на топлина за отоплителна система каквато е термопомпената. Разбира се, трябва да се отчете и това, че ефективността и производителността на термопомпите в режим на отопление намаляват при температури по-ниски от -10°С. Този тип системи обаче имат предимството, че инсталацията им не изисква сондаж или прокопаване и полагане на тръби в земята. Така в зависимост от външния източник и консуматора, между които става преноса на топлина, съществуват следните схеми на термопомпени системи: земя/вода, вода/вода и въздух/вода. Ако системата работи не с флуид, а с въздух, схемите са – земя/въздух, вода/въздух и въздух/въздух. Днес в Япония се експлоатират около 3 милиона термопомпени инсталации от всички типове, а в Швеция 500 000 домакинства се отопляват с такива.
Предимства на термопомпите
Основно предимство на термопомпените системи е, че извличат безплатна енергия от околната среда, концентрират я и доставят на консуматора повече енергия отколкото използват за работата си. Те са изключително икономични – за предаването на 1 киловат час топлинна енергия използват 0.2-0.35 киловат часа електроенергия. Много са ефективни - коефициентът им на трансформация (COP – Coefficient of Performance), който е отношение на получената топлина към изразходваната електроенергия, е от 2,5 до 6, което позволява намаляване разходите за отопление, климатизация и топла вода. Всички системи работят в затворени вериги и практически нямат експлоатационни разходи освен електроенергия за работа на компресора. Друго предимство на термопомпите е комплексното им действие, благодарение на възможността за превключване от режим на отопление през зимата на режим на охлаждане през лятото. Те всъщност обединяват три уреда (климатик, ел.бойлер и отоплителен котел) в един. Освен това те са надеждни, безопасни и работата им се управлява автоматично. По време на експлоатация на системата не е нужна специална поддръжка, а възможните манипулации не изискват специални умения и са описани в инструкциите. Важна характеристика на системата е нейния силно индивидуален характер. Това означава, че за всеки конкретен потребител се прави оптимален избор на нискотемпературен природен източник, на тип система, на мощност на системата, изчислява се коефициента на преобразуване, периода на изплащане и други важни фактори. В допълнение термопомпата е компактна (размерът є е не по-голям от този на хладилник), а работата є е почти безшумна. Може да Ви служи повече от 20 години, без да се наложи ремонт. Освен това термопомпите са с универсално приложение – могат да се използват за обслужване на всякакъв тип сгради и съоръжения с различни възможности за подово, стенно и таванно отопление и охлаждане. Да не забравяме и екологичния профил на системата. Той е много добър. Работата на такива системи води до намаляване на емисиите от парникови газове.
Използват се възобновяеми и на практика неизчерпаеми природни ресурси (температурата на въздуха, водата и земята), без да бъдат замърсявани. Прилаганите в системите фреони са сред разрешените от ЕС.
Оптимизиране на системите
В съвременните системи за отопление за намаляване на разходите за отопление (т.е. да се намали номиналната мощност на термопомпите, тъй като те не работят с еднакво натоварване през цялата година), се препоръчва паралелно с термопомпата да се включи допълнителен източник на енергия. Това е бивалентна система, при която допълнителният източник се включва само при пикови натоварвания, например при рязък спад на температурата през зимата. Така системата е едновременно по-икономична и по-сигурна, в сравнение с едновалентните системи, от които е съставена. Освен това всяка система трябва да има бойлер-акумулатор, който да натрупва излишната, не консумирана топлина и да я отдава при пикови натоварвания. Това също води до оптимизиране на системата и до намаляване на разходите.
Трябва да се има предвид и това, че ефективността на термопомпената система и необходимата енергия за работата є са пряко свързани с температурния интервал – разликата на температурата на входа и изхода, т.е. от двете страни на контура. В терминологията на термопомпите тази разлика се нарича лифт. С нарастване на лифта пропорционално расте и необходимата мощност за термопомпата. Това означава, че за да се оптимизира системата и за да може да работи при по-малка мощност температурната разлика между източника и консуматора трябва да е по-малка. Това обикновено се постига при източници с по-постоянна температура – почва, подземна вода и повърхностни водоеми. Те са относително топли през зимата и относително хладни през лятото, така че лифта между тях и консуматора е по-малък в режим отопление и охлаждане, в сравнение с този при източник въздух. Когато се използва въздуха, през зимата той е с по-ниска температура от земята, подпочвените и повърхностните води, а през лятото е по-топъл от тях. Тогава ще е необходима по-голяма мощност, за да се концентрира топлина от по-студен източник през зимата и да се пренесе топлина на по-топъл приемник през лятото. Така че ефективността на термопомпената система е толкова по-висока, колкото по-висока е температурата на източника и колкото по-нисък температурен режим на работа позволява консуматора. Ефективността на термопомпените системи се изразява с коефициент на трансформация, като за неговата стойност значение имат описаните по-горе фактори. Така в зависимост от схемата на работа коефициента на трансформация е от 2,6 до З,З за термопомпа въздух/вода, от 4,4 до 5,6 за термопомпа вода/вода и от 4,3 до 4,4 за термопомпа земя/вода.05/04/2010 |
