Применение тепловых насосов для отопления зданий

Введение

История существования гидравлических машин насчитывает несколько тысячелетий. Первый насос был поршневым, появился, по-видимому, за несколько веков до нашей эры в странах древней культуры. Изобретение этого насоса связано с созданием водоподъемных устройств. Поршневой насос был хорошо известен в Древней Греции и Риме.

Изобретение центробежного насоса приписывается итальянцу Д. Жордану, давшему первый рисунок такого насоса. Одной из первых удачных конструкций центробежного насоса является насос французского физика Д. Папена, предложенный им в 1689 г. Первой примененной в практике машиной для подачи жидкости действием центробежной силы был насос Ледемура (Франция, 1732 г.). В этой конструкции вода, находящаяся в наклонной трубе, вращающейся вокруг вертикальной оси, перемещалась с нижнего уровня на верхней действием центробежной силы самой воды. Таким образом, достигалась подача воды на некоторую высоту.

Классическая схема и конструкция одноколесного центробежного насоса, применяющегося в различных модификациях и поныне, была осуществлена Андревсом (США) в 1818 г. и существенно улучшена им в 1846 г. Исследования Андеревса привели к созданию многоступенчатого центробежного насоса, однако весьма несовершенной конструкции, запатентованной в 1851 г.

Знаменитый ученый Рейнольдс (Англия), исследуя конструкцию многоступенчатого насоса, ввел в нее прямой и обратный направляющие лопаточные аппараты и в 1875 г. запатентовал насос, в общих чертах аналогичный современным многоступенчатым насосам.

Широкое распространение центробежных насосов стало возможным только на основе применения электрической энергии и, в частности, при использовании электродвигателя трехфазного переменного тока, разработанного инженером В. О. Доливо-Добровольским (Россия, 1888 - 1889 гг.) К этому времени относится изобретение русским инженером В. А. Пушечниковым специального малогабаритного насоса для подъема подземных вод с больших глубин.

В России внедрение насосов в промышленность непосредственно связано с развитием горно-рудного дела. В 18 в. К. Д. Фролов и другие мастера горного дела применяли установки с поршневыми насосами для откачки воды из шахт.

В 18 в. был изобретен паровой двигатель. В 1738 г. Д. Бернулли вывел основополагающее уравнение жидкости, которое носит его имя. В 1750 г. Л. Эйлер впервые сделал математический анализ рабочего процесса, происходящего в центробежном насосе и реактивной турбине, и дал основное уравнение рабочего процесса турбомашин.

Примерно с начала 20-х годов 19-го века изменилось само назначение насосов. Если первоначально они предназначались только для подъема воды, то с этого времени они все шире применяются для перемещения жидкостей с различными вязкостью и концентрацией взвешенных частиц, а также химических жидкостей с различными степенью агрессивности и температурой.

Машины для перемещения воздуха и газов появились значительно позже насосов. Изобретателем воздушного поршневого нагнетателя - прототипа современных компрессоров с одной ступенью сжатия - считается немецкий физик О. Герике(1640г.).

В настоящее время отечественная промышленность выпускает насосы всех типов, необходимые для народного хозяйства страны, начиная от миниатюрных микронасосов для медицинской техники и кончая гигантскими осевыми насосами для ирригационных систем и энергетики.

Модернизация конструкции насосов направлена на снижение металлоемкости при одних и тех же параметрах насосов, обеспечение наибольшей унификации узлов и деталей насосов, что позволяет расширять номенклатуру насосов без существенных дополнительных затрат на их производство. Большое внимание уделяется повышению качества и надежности насосов, что позволяет экономить энергетические ресурсы и снижать трудоемкость их эксплуатации и ремонта.

 

Тепловой насос

Тепловой насос - термодинамическая установка, в которой теплота от низкопотенциального источника передается потребителю при более высокой температуре. При этом затрачивается механическая энергия.

Большую перспективу представляет использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Известно, что в годовом цикле на ГВС расходуется примерно столько же тепла, как и на отопление зданий. Примером здания, в котором тепловые насосы использованы для ГВС, является многоэтажный жилой дом, построенный в Москве в Никулино-2. В этом здании в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используется тепло земли и тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Подробно эта система будет рассмотрена ниже.
Источником низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как естественного, так и искусственного происхождения. В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы:

• тепло земли (тепло грунта);
• подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные);
•наружный воздух.
   В качестве искусственных источников низкопотенциального тепла могут выступать:
• удаляемый вентиляционный воздух;
• канализационные стоки (сточные воды);
• промышленные сбросы;
• тепло технологических процессов;
• бытовые тепловыделения.

Таким образом, существуют большие потенциальные возможности использования энергии вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализации этого потенциала.

Водогрейные газовые котлы

На сегодняшний день многие объекты жилищной инфраструктуры используют для жизнеобеспечения автономное газовое отопление. Если для городских квартир такая возможность ограничена техническими рамками, то для частного сектора автономное отопление является одним из ключевых аспектов комфортности жилья.

Обеспечить качественный и эффективный обогрев жилых помещений в автономном режиме может газо-нагревательное оборудование. Водогрейные газовые котлы являются именно тем типом отопительной техники, благодаря которой можно создать необходимый комфорт и уют не только в частном доме, но и в мини-отелях, в загородных домах и в коттеджах.

Рис.2. Технические возможности оборудования данного типа способны полностью удовлетворить потребности в отоплении и горячем водоснабжении.

Основная информация

Многие утверждают, что электрические котлы могут быть экономнее, чем другие виды установок. Чтобы выяснить это нужно проанализировать такой показатель, как КПД. Именно он считается основным в вопросе рациональности трансформации энергии. У электрических установок разных типов эти цифры расходятся от 95 до 98%.

 

Классификация

Котлы электрические делятся на три основных типа:

· ТЭНовые;

· электродные;

· индукционные.

Кроме того, между ними есть ряд других различий. Так, например, существуют напольные или настенные модели. Они могут подключаться к 380В или 220В – в зависимости от размеров помещения (используются для частного дома или небольшой квартиры). Также основным показателем является количество контуров, в которых находится горячая вода – один или два.

 

ТЭНовые

Электрокотел работает, основываясь на процессе превращения тока в тепловую энергию за счет использования трубчатых нагревателей, установленных непосредственно в емкости. ТЭН поднимает температуру жидкости внутри трубы. Она, попадая в отопительную систему, прогревает помещение.

Чтобы устройство всегда работало так, как необходимо, предусмотрен блок управления. За отоплением следит комнатный регулятор температуры. Именно он воспринимает понижение этого показателя и сообщает о необходимости увеличения подогрева. Нужное давление появляется в результате подключения насоса. За счет использования современных технологий, после того, как температура в помещении поднимается до установленной отметки, режим отключается. Спустя некоторое время перестает работать и насос, который обеспечивает перемещение теплоносителя.

Рис.7. Схема ТЭНовых котлов

   Основное достоинство такого вида котлов – отсутствие контакта между жидкостью и теплообменником. Это позволяет использовать защитные устройства для автоматического отключения.

Оборудование дает возможность просто реализовать плавное или ступенчатое регулирование.

Как и любые другие устройства, эти обладают своими недостатками. ТЭНовые по сравнению с остальными котлами имеют ограниченный срок службы. Не исключается и преждевременное перегорание из-за неправильного использования. Перед приобретением обязательно нужно обратить внимание на возможность ремонта или замены.

Также на самом трубчатом нагревателе быстро образовывается накипь. Это значительно снижает срок службы устройства. Обязательно нужно искусственно снижать жесткость жидкости.

Такие водонагревательные котлы представляют собой одно- и двухконтурные агрегаты. Последние обеспечивают горячее водоснабжение и отопление.

В большинстве случаев установки вешаются на стену, хотя есть и такие, которые располагаются на ровной твердой поверхности.

Этот вид считается самым популярным среди электрических котлов.

 

Электродные

Нагрев теплоносителя осуществляется путем прямого прохождения через него тока. При этом нет «посредников» в виде ТЭНа. Электролиз не происходит, так как анод и катод постоянно меняются местами.

Важно отметить, что в случае работы без жидкости, электрический котел отопления или горячего водоснабжения не выйдет из строя. Кроме того, накипь не разрушает электроды – иногда наблюдается небольшое снижение мощности.

Рис.8. Схема электродных котлов

    Температура теплоносителя возрастает быстро. При этом увеличивается давление, с помощью которого вода и перемещается по сети – нет необходимости в установке насоса. Прекрасно подходит для ванной, так как не занимает много места.

Такой водяной агрегат имеет КПД порядка 96%. При этом он долговечен и надежен в использовании.

Такое устройство невозможно подсоединить через элемент защиты. В качестве теплоносителя используются только специальные антифризы.

 

Индукционные

Подобные установки имеют конструкцию, схожую с трансформатором, состоящим из двух контуров. Первичным выступает магнитная система, а вторичным – устройство теплообмена. Посредством переменного поля в нем электроэнергия позволяет нагреть теплоноситель.

Рис.9. Схема индукционных котлов

 

Главными достоинствами можно назвать безопасность, а также взаимодействие с различными жидкостями для обогрева. Как и прошлый вариант, хорошо подходит для ванной.

Но тут есть и недостатки. Главными считаются первичная цена, а также стоимость последующей эксплуатации.

 

Бойлеры

Отдельно стоит вспомнить электрические накопительные установки. По факту они представляют собой ТЭНовое оборудование, устанавливаемое параллельно. При этом могут предназначаться как отдельно для ГВС или отопления, так и для обоих направлений. Для последнего применяются системы косвенного нагрева. Такие накопительные электрические установки позволяют поднимать температуру воды для хозяйственных нужд теплоносителем, предназначенным для отопления.

Рис.10. Схема бойлеров

 

Такой бойлер идеально подходит для использования в загородных домах. Он в основном устанавливается вместе с котлами, использующими любой энергоноситель. При этом снаружи он еле теплый, так как обычно подобные установки имеют качественную защиту, позволяющую сохранять энергию внутри долгое время.

 

Общие положительные стороны

Если рассматривать в общем, то все электрические котлы, независимо от вида, обладают рядом достоинств:

1. простота исполнения;

2. нет необходимости отдельно создавать место для установки оборудования;

3. не нужно думать о покупке, доставке и хранении энергоносителя;

4. нет необходимости выводить дымоход;

5. безопасность, ведь нет возможности утечки ядовитых веществ;

6. экологичность – нет вредных выбросов.

Если устанавливать электрические водогрейные двухконтурные агрегаты, подключая все его функции, потребитель не будет испытывать каких-либо проблем с отоплением помещения или подачей воды нужной температуры для хозяйственных нужд.

 

Экономия

Конечно же, по сравнению с другими, этот вид установки для горячей воды и отопления нельзя назвать самым экономным, так как данного ресурса поглощается много. И при этом стоимость энергоносителя немаленькая. Например, твердотопливные и газовые установки считаются более экономными. Но при этом их обязательно нужно хорошо настроить. В противном случае затраты на энергию могут быть большими.

Этот вид нагрева воды может стать выходом для владельцев загородных домов, когда начинается отопительный сезон, где нет других ресурсов, кроме электричества. Такие аппараты просты в установке и эксплуатации. Они прекрасно подходят для временного использования. Но при постоянном включении требуют немалых финансовых затрат.

 

Введение

История существования гидравлических машин насчитывает несколько тысячелетий. Первый насос был поршневым, появился, по-видимому, за несколько веков до нашей эры в странах древней культуры. Изобретение этого насоса связано с созданием водоподъемных устройств. Поршневой насос был хорошо известен в Древней Греции и Риме.

Изобретение центробежного насоса приписывается итальянцу Д. Жордану, давшему первый рисунок такого насоса. Одной из первых удачных конструкций центробежного насоса является насос французского физика Д. Папена, предложенный им в 1689 г. Первой примененной в практике машиной для подачи жидкости действием центробежной силы был насос Ледемура (Франция, 1732 г.). В этой конструкции вода, находящаяся в наклонной трубе, вращающейся вокруг вертикальной оси, перемещалась с нижнего уровня на верхней действием центробежной силы самой воды. Таким образом, достигалась подача воды на некоторую высоту.

Классическая схема и конструкция одноколесного центробежного насоса, применяющегося в различных модификациях и поныне, была осуществлена Андревсом (США) в 1818 г. и существенно улучшена им в 1846 г. Исследования Андеревса привели к созданию многоступенчатого центробежного насоса, однако весьма несовершенной конструкции, запатентованной в 1851 г.

Знаменитый ученый Рейнольдс (Англия), исследуя конструкцию многоступенчатого насоса, ввел в нее прямой и обратный направляющие лопаточные аппараты и в 1875 г. запатентовал насос, в общих чертах аналогичный современным многоступенчатым насосам.

Широкое распространение центробежных насосов стало возможным только на основе применения электрической энергии и, в частности, при использовании электродвигателя трехфазного переменного тока, разработанного инженером В. О. Доливо-Добровольским (Россия, 1888 - 1889 гг.) К этому времени относится изобретение русским инженером В. А. Пушечниковым специального малогабаритного насоса для подъема подземных вод с больших глубин.

В России внедрение насосов в промышленность непосредственно связано с развитием горно-рудного дела. В 18 в. К. Д. Фролов и другие мастера горного дела применяли установки с поршневыми насосами для откачки воды из шахт.

В 18 в. был изобретен паровой двигатель. В 1738 г. Д. Бернулли вывел основополагающее уравнение жидкости, которое носит его имя. В 1750 г. Л. Эйлер впервые сделал математический анализ рабочего процесса, происходящего в центробежном насосе и реактивной турбине, и дал основное уравнение рабочего процесса турбомашин.

Примерно с начала 20-х годов 19-го века изменилось само назначение насосов. Если первоначально они предназначались только для подъема воды, то с этого времени они все шире применяются для перемещения жидкостей с различными вязкостью и концентрацией взвешенных частиц, а также химических жидкостей с различными степенью агрессивности и температурой.

Машины для перемещения воздуха и газов появились значительно позже насосов. Изобретателем воздушного поршневого нагнетателя - прототипа современных компрессоров с одной ступенью сжатия - считается немецкий физик О. Герике(1640г.).

В настоящее время отечественная промышленность выпускает насосы всех типов, необходимые для народного хозяйства страны, начиная от миниатюрных микронасосов для медицинской техники и кончая гигантскими осевыми насосами для ирригационных систем и энергетики.

Модернизация конструкции насосов направлена на снижение металлоемкости при одних и тех же параметрах насосов, обеспечение наибольшей унификации узлов и деталей насосов, что позволяет расширять номенклатуру насосов без существенных дополнительных затрат на их производство. Большое внимание уделяется повышению качества и надежности насосов, что позволяет экономить энергетические ресурсы и снижать трудоемкость их эксплуатации и ремонта.

 

Тепловой насос

Тепловой насос - термодинамическая установка, в которой теплота от низкопотенциального источника передается потребителю при более высокой температуре. При этом затрачивается механическая энергия.

Большую перспективу представляет использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Известно, что в годовом цикле на ГВС расходуется примерно столько же тепла, как и на отопление зданий. Примером здания, в котором тепловые насосы использованы для ГВС, является многоэтажный жилой дом, построенный в Москве в Никулино-2. В этом здании в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используется тепло земли и тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Подробно эта система будет рассмотрена ниже.
Источником низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как естественного, так и искусственного происхождения. В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы:

• тепло земли (тепло грунта);
• подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные);
•наружный воздух.
   В качестве искусственных источников низкопотенциального тепла могут выступать:
• удаляемый вентиляционный воздух;
• канализационные стоки (сточные воды);
• промышленные сбросы;
• тепло технологических процессов;
• бытовые тепловыделения.

Таким образом, существуют большие потенциальные возможности использования энергии вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализации этого потенциала.

Применение тепловых насосов для отопления зданий

Ситуация такова, что самым популярным на данный момент способом отапливать жилище является использование котлов отопления – газовых, твердотопливных, дизельных и намного реже – электрических. А вот такие простые и в тоже время высокотехнологичные системы, как тепловые насосы, не получили повсеместного распространения, и очень зря. Для тех, кто любит и умеет просчитывать все наперед, их преимущества очевидны. Тепловые насосы для отопления не сжигают невосполнимых запасов природных ресурсов, что крайне важно не только с точки зрения охраны окружающей среды, но и позволяет экономить на энергоносителях, так как они дорожают с каждым годом. К тому же, с помощью тепловых насосов можно не только отапливать помещение, но и подогревать горячую воду для хозяйственных нужд, и кондиционировать помещение в летний зной.