Термопомпени инсталации

Първични енергоносители и бивалентни схеми на термопомпени инсталации

Термопомпените инсталации са актуално решение за намаляване на енергийните разходи за първични енергоносители и повишаване ефективността на отоплителните и климатизационните инсталации. Често термопомпените инсталации се включват към конвенционален източник на топлина. Това позволява да се задоволят пълните потребности от топлинна енергия за дадено приложение. Не се препоръчва използването на термопомпа самостоятелно, тъй като тя трудно би осигурила нужните количества топлинна енергия при много ниски външни температури.
Наложило се техническо решение в практиката са три базови схеми, комбиниращи конвенционален източник на топлина и термопомпа - бивалентно-паралелна термопомпена инсталация, бивалентно-алтернативна термопомпена инсталация и бивалентно-комбинирана термопомпена инсталация.

Базови схеми термопомпа - допълнителен източник
Характерно за бивалентно-паралелната термопомпена инсталация е използаването на конвенционален източник. Той се нарича още върхов котел и се използва за покриване недостига от топлина. В случаите при които, поради ниски външни температури, термопомпата не успява да осигури необходимата температура на подавания топлоносител се включва върховият котел. Той се използва единствено за подгряване на идващия от термопомпата топлоносител. За задоволяване на основните потребности от топлина през цялата година се разчита предимно на термопомпената инсталация. При необходимост е възможно двата източника да работят едновременно.
За разлика от разгледаната схема, при бивалентно-алтернативната термопомпена инсталация, в момента на включване на конвенционалния топлинен източник се изключва термопомпата. При нея конвенционалният източник се явява допълнителен. През по-голямата част от отоплителния сезон, за задоволявяне на потребностите на консуматора от топлина, се разчита на термопомпената инсталация.
Третата схема - бивалентно-комбинирана термопомпена инсталация, се характеризира с комбинирана работа на термопомпената инсталацията и конвенционалния източник. В случаите, при които е реализирана тази схема, ако температурата на външния въздух е над определена стойност работи само термопомпата. При падане на температурата под определено ниво работи само конвенционалният източник. Бивалентно-паралелният режим на работа се реализира в границите на средния температурният интервал между двете температури (температурата, над която работи само термопомпата и температурата, под която работи само конвенционалният източник).
Изборът на конкретна схема на работа на термопомпената инсталация се определя, преди всичко, от възможностите за постигане на оптимална ефективност при възможно най-нисък разход на енергия. Добре е да се има предвид, че висока ефективност, т.е. висок коефициент на трансформация, има при минимална разлика между температурите в кондензатора и изпарителя. Общоизвестно е, че в процеса на проектиране на една термопомпена инсталация се цели използването й за задоволяване потребностите на консуматора с топлоносител, имащ относително ниска температура.

Природни и технологични енергоносители
Първичните енергоносители са две основни групи в зависимост от произхода си - природни и технологични. Групата на природните енергоносители включва водата под различните й форми (геотермална, морска, вода от реки и езера); земните пластове; въздухът и слънчевата радиация. Характерна особеност на повечето природни енергоносители е непостоянната им температура през годината. Типичен пример е въздухът, чията температура варира, и то в много широки граници. От друга страна, температурата на земните пластове на определена дълбочина се запазва почти постоянна през цялата година.
Към технологичните енергоносители се отнасят вода, газове и въздух, които се явяват отпаден продукт от високотемпературни производствени процеси.
В случаите, при които се предвижда използването на енергоносител, за който са характерни колебания в дебита и температурата, в подсистемата се включват акумулатори. Ако енергоносителят е с физикохимични свойства, които не позволяват директното му подаване в изпарителя на термопомпата, към схемата на инсталацията се прибавят междинни топлообменници (обикновено пластинчати).

Използваемост на геотермални и минерални води
Геотермалните и минералните води се определят като ефективни източници на енергия за термопомпени инсталации. България е сред държавите, които са богати на геотермални източници. Възможностите за използване на геотермални води в термопомпените инсталации се определя основно от тяхната температура. Най-често срещани са геотермални резервоари с температура на водата в диапазона от 40 до 100 оС, която е подходяща за технологични цели и за отопление. Поради лечебните свойства на минералните води, преди използването им в термопомпени инсталации, те се оползотворяват за балнео-лечебни цели.
Сред основните критерии, определящи приложимостта на геотермалния източник като енергоносител в отоплителни системи, са:
l дебитът и температура на водата, динамиката в изменението им;
l очакваната продължителност на експлоатация;
l физико-химичния състав и свързаната с него агресивност към конструкционни материали,
l минерализация и отлагане на накипи или други замърсявания върху топлообменните повърхности;
l близост до населено място;
l налична инфраструктура и други.
В етапа преди разработването на един геотермален източник е необходимо цитираните параметри да бъдат внимателно проучени и анализирани. Важно е, също така, да се направи екологична оценка на възможностите водата да бъде изпусната в канализационната мрежа, близките водоеми или реежектирана в земните пластове. За да се определят границите на съвместимост между термопомпената инсталация и консуматора на топлина, както, и за да се уточни необходимостта от допълнителни източници, предварително трябва да се сравнят техните технически характеристики.

Морската вода - с относително постоянна температура
Морската вода се възприема като много добър топлинен източник. Доказано е, че на неголямо разстояние от брега, на дълбочина от около 25-30 м, температурата на морската вода се променя в много тесни граници, от 5 до 8 оС. Според направени проучвания по нашето черноморско крайбрежие температурата на морската вода през отоплителния сезон в дълбочина варира в диапазона 6-15 оС. По-високите температури са характерни за началото на отоплителния сезон, както и за южното Черноморие. Обикновено като изчислителна температура на морската вода се приема 8 оС.
Използването на морската вода е свързано с редица предимства. Сред тях е отсъствието на опасност от замръзване на изпарителя. Основен недостатък на морската вода е корозионната й агресивност, както и склонността й към развитие на микроорганизми върху топлообменните повърхности. Това налага включването на междинен топлообменник, непосредствено до изпарителя на термопомпата.

Предпочитат се противотокови топлообменни апарати
Поради специфичните свойства на морската вода използваните топлообменници в термопомпената инсталация, следва да имат конструкция, която да осигурява надеждната им експлоатация, както и лесното им и бързо почистване. Предпочитани са противотоковите топлообменни апарати. За изработването им се използват основно материали, устойчиви на морска вода, например титанови сплави и титанови покрития. Поради малката температурна разлика по морска вода, дебитите както на техническата вода, така и на морската вода са големи. В повечето случаи средната температурна разлика между техническата и морската вода е от порядъка на 2К.
Самите топлообменници се монтират на брега, а морската вода се подвежда от мястото на вземането, с помощта на тръбопровод. За да се избегне опасността от затлачване с пясък, мястото на засмукване трябва да се намира на достатъчно отстояние от морското дъно. Между смукателния и изпускателния отвор за морска вода следва да се предвиди достатъчно разстояние, за да се предотврати къса връзка. И на двата отвора, от страната на морската вода, се монтират филтри. Не се препоръчва използването на потопени в морската вода изпарители с принудителна циркулация на хладилния агент, от екологични съображения, независимо от топлотехническите предимства на подобно техническо решение.

Сладководните източници - силно зависими от сезона
От теоретична гледна точка, речните и езерните води също представляват привлекателен източник на енергия. Ако водата е с подходящи качества, след филтриране, би могла директно да се подаде в изпарителите. Добре е, да се вземе предвид факта, че температурата на водата на тези топлоизточници силно се влияе от годишните сезони. През зимния период тя може да се понижи до много ниски стойности, което създава опасност от замръзване на изпарителя, както и от замръзване на самата вода. Налага се специално внимание както при проектирането на системата, с цел да се предотврати замръзването на изпарителя, така и при организиране на водохващането. Необходимо е водохващането да бъде направено с оглед избягване на опасността от замръзване на водата през зимата. Определени трудности по отношение на конструкционните материали и експлоатацията създават води, с рН<7, съдържащи свободен СО2, манган (над 0,1 mg/l) и железен окис (над 0,15 mg/l).

Подпочвените води
добивани от кладенци с дълбочина до 20 м, също са подходящ източник на енергия за термопомпени инсталации. За разлика от температурата на водата в реките и езерата, тази на водата в кладенците се запазва достатъчно стабилна през цялата година и обикновено е около 10 оС.
Необходимите предварителни проучвания, които следва да се направят преди да се пристъпи към изграждане на термопомпената инсталация, са свързани с определяне на дебита и температурата на подпочвената вода. Важно е да са изследвани и нейният физичен и химичен състав, както и да е уточнен броят и разположението на кладенците за получаване на необходимия дебит. Прави се и екологична оценка за възможностите след термопомпената инсталация водата да се върне отново във водоносния слой, да се изпусне в канализацията или в близките водоеми.
При определяне на температурата на водата в кладенци е добре да се има предвид, че съществените отклонения от обичайната й стойност (10 оС) са показател за наличие на просмукани повърхностни води. Ако има подобни индикации, е възможно през зимата дебитът и температурата на подпочвените води да се окажат недостатъчни за термопомпената инсталация. Преди да се вземе окончателно решение за изграждане на термопомпена инсталация, е препоръчително да се извърши 24 часово пробно изпомпване от кладенците, за да се потвърди проектният дебит.

Изчислителни специфики
За определяне на необходимия дебит на подпочвените води се използва формулата: mw = 3,6Q(j - 1)/c.Dt.j, където: Q е отоплителната мощност при изчислителни условия, kW; j - коефициентът на трансформация на термопомпата; c - специфичният топлинен капацитет на водата, kJ/(kgK); Dt - охлаждането на подпочвените води, К, обикновено Dt = 4К.
Необходимо условие е подпочвените води да имат неутрален характер -  рН=7,0 до 7,6. Съдържанието на желязо не трябва да е повече от 0,15 mg/l, а на манган - 0,1 mg/l. При наличие на свободни хлориди, нитрати, въглена киселина и амонии във водите тяхното количество трябва да се съгласува с производителя на термопомпата.
Голям недостатък на термопомпените системи, работещи с подпочвени води, се явява високата стойност на работата по монтажа на водовземането.
Почвата - надежден източник
Повърхностният земен слой е надежден източник на топлина. Той акумулира огромно количество слънчева енергия, а на определена дълбочина температурата на почвата на практика не се влияе от външните атмосферни условия, и се запазва относително постоянна през цялата година. Изграждането на подобни инсталации се ограничава от необходимостта да се използват големи свободни терени. Основна характеристика на повърхностния земен слой е специфичната топлинна мощност, която може да се отнеме от 1m2. Тя зависи от структурата на почвата, от нейната влажност, както и от общите климатични условия в местността. Например силно овлажнената глинеста почва се приема за много подходяща. За разлика от тях, песъчливи почви следва задълбочено да се изследват преди да се вземе решение за изграждане на термопомпена инсталация. При благоприятни условия средното специфично топлоотдаване на почвата през целия отоплителен сезон е qE = 20-30 W/m2.
За определяне на необходимата площ за разполагане на серпентината се използва зависимостта: Ас = Qfe(j - 1)/qE.j, m2. В нея Q е отоплителната мощност при изчислителни условия, W; j е коефициентът на трансформация на термопомпата; fe е коефициентът на покритие на отоплителната мощност. Той се определя в зависимост от местните климатични условия и строителната конструкция на сградата. Стойността му варира в диапазона 0,75 – 1, като за моновалентни термопомпени инсталации fe = 1. При използване на бивалентни схеми на инсталацията, съществуват възможности за значително намаляване на необходимата площ. Самите серпентини обикновено са от пластмасови тръби, в които циркулира воден разтвор на етиленгликол с концентрация, осигуряваща температура на замръзване около -20 оС. Желателно е дължината на отделните серпентини да не надхвърля 100 m. При по-големи дължини се наблюдава значително повишаване на стойностите на хидравличните съпротивления. Препоръчителното разстояние между отделните тръби е 0,5 m, а дълбочината, на която се полагат, е от 1,5 до 2,0 m. С цел постигане на по-добро обезвъздушаване, подаващият и връщащият колектор се поставят по-високо от серпентината.

Въздухът - безплатен и достъпен
В качеството си на съвършенно безплатен и напълно достъпен, при това в неограничени количества, енергоизточник, атмосферният въздух е най-предпочитан. Използването му в термопомпени инсталации се характеризира с ясно изразен сезонен характер. Понижаването на температурата на въздуха е свързано с намаляване на мощността и производителността на термопомпената инсталация. Относително голямата разлика между температурите на кондензация и изпарение в периоди с минимални температури води до цялостно понижаване на ефективността на процеса. От техническа гледна точка, при използване на нискотемпературни отоплителни системи като топловъздушно отопление, например, е възможно да се осигури необходимата топлинна енергия през целия отоплителен сезон. Това обаче често е икономически неефективно. Защо това е така? При използването на самостоятелни (моновалентни) термопомпени инсталации, с понижаването на външната температура се намалява и коефициентът на трансформация. За да се осигури необходимата топлинна мощност, термопомпата се преоразмерява, с което чувствително нараства първоначалната инвестиция. Логично се удължава и срокът на нейното откупуване. Увеличават се и експлоатационните разходи, тъй като термопомпата консумира електроенергия в периоди на пикови натоварвания, и съответно по-високи цени. Повишаване на ефективността на термопомпата е възможно чрез включване на подходящо оразмерен топлинен акумулатор към инсталацията. В този случай, също се налага преоразмеряване на термопомпата.

По-добри резултати с бивалентна инсталация
Натрупаният до момента опит свидетелства, че значително по-добри резултати се постигат при използване на бивалентна термопомпена инсталация. В този случай, термопомпата се оразмерява за 50% от необходимата мощност, осигурява около 2/3 от необходимата за отопление топлинна енергия и работи през 80% от отоплителния сезон. През останалите 20%, необходимата топлинна енергия би могла да се осигури от конвенционална система с котел.
За съвременните термопомпи заскрежаването на изпарителя при ниски температури на външния въздух не е проблем, тъй като обикновено се предвижда автоматично обезскрежаване. Енергията, която се изразходва, е около 5 - 6% от общата енергия, консумирана от термопомпата. Необходимо условие за нормалната работа на агрегата е да се осигури надеждно отвеждане на кондензата при ниски температура на въздуха.
Като добре решение, от икономическа и техническа гледна точка, се приема използването на термопомпа с реверсиране на работния цикъл. В този случай, термопомпата работи целогодишно - като през лятото функционира като хладилна машина, и произвежда студ, а през зимния период - като термопомпа, и произвежда топлина.

Технологични енергоносители
Редица технологични процеси в индустрията протичат с отделянето на отпадна топлина, която би могла да се използва успешно като първичен енергоносител в термопомпени инсталации. За тази цел е необходимо предварително да се направи оценка на източника. Обикновено се правят графици за изменението на дебита и температурата за ден, седмица, месец и т.н.
Препоръчва се оползотворяване на технологичните енергоносители за топло- и студопроизводство, тъй като това води до повишаване на ефективността на термопомпените инсталации. При съставяне на схемата на инсталацията се определя приоритетът за студо- или топлопроизводство.

Ефективност на термопомпена инсталация
Основна цел на инвестицията в термопомпена инсталация е реализиране на определена икономия на първични енергийни източници. В противен случай, решението за изграждането й може да се окаже нерентабилно и не само да не доведе до възстановяване на вложените средства и експлоатационни разходи, но и до допълнително енергийно натоварване.
За да се избегне подобна ситуация, специалистите съветват предварително да се направи точна оценка на потреблението на топлина. Добре е да се построи график на работата и потреблението на топлина от отделните консуматори, за да се определи годишното топлопроизводство. Задължително се оценява степента на едновременна консумация.
При извършване на технико-икономическата оценка на термопомпените инсталации и при построяване на графика на потребление на топлина се отчита и влиянието на външните фактори, на базата на средни статистически данни. На основата на графика за потреблението на топлина се определя средният коефициент на преобразуване на термопомпата (нарича се още среден топлинен коефициент). Той е основен показател за оценка на термопомпените инсталации. Например средногодишният коефициент на преобразуване на компресорна термопомпена инсталация се пресмята по зависимостта:
z = (Qk/N)(N/QB) = jh,
където
Qк e полезното годишно производство на термопомпената инсталация, MWh;
N - годишната консумация на електроенергия от електродвигателя, MWh;
QB - топлинният еквивалент на годишно изразходвания първичен енергиен източник, MWh;
j - средногодишният коефицент на преобразуване и
h - общият коефициент на полезно действие на системата за добиване и доставяне на електроенергия до клемите на електродвигателя.
Ефективна от икономическа гледна точка е тази термопомпена инсталация, за която прецизен анализ е показал еднозначно, че е налице икономия на налични първични енергийни източници в сравнение с други отоплителни системи.
Друг подход за оценка рентабилността на инвестицията в термопомпена инсталация е да се изчисли икономическата
ефективност на направените капитални вложения
Тя се пресмята на базата на срока за тяхното откупуване, като се отчете постигнатия икономически ефект. Съвсем логично колкото по-кратък е този срок в сравнение с амортизационния период на инсталацията, толкова по-голяма ще бъде икономическата ефективност на направените капитални вложения.
За пресмятане на икономическата ефективност на една термопомпена инсталация може да се използва формулата: Е = (Рк/Га + Рп)/И, където Рк/Га, лв./год. са годишни амортизационни отчисления; Рп, лв./год. - годишни производствени разходи, И, лв./год. се дефинира като годишен икономически ефект от използването на термопомпена инсталация. От своя страна, И представлява произведение от параметрите DВ.Ц, лв./год. Във формулата с DВ, t/год. е посочена годишната икономия на първичен енергиен източник от използване на термопомпена инсталация. Тя се получава като от разходите за първичен енергиен източник при конвенционална система се приспаднат разходите, характерни за термопомпена инсталация. С Ц,
лв./t е означена цената на единица първичен енергиен източник.