Газовые тепловые насосы – сравнение технологий

Несмотря на то, что при сжигании газа образуются загрязняющие атмосферу выбросы, он считается самым «чистым» ископаемым энергоносителем, обычно называемым голубым топливом.

Решения по использованию газа для отопления очень распространены, и их популярность растет, благодаря доступности топлива и его высокой теплоотдаче.

В случае производства электроэнергии из возобновляемых источников серьезной проблемой является хранение ее излишков. В настоящее время наиболее рекомендуемым способом хранения излишков электроэнергии является преобразование ее в водород, а затем в метан.

Таким образом, технологии тепловых насосов, работающие на газе с высоким содержанием метана, биогазе, или водороде и его смесях, должны сыграть важную роль в процессе преобразования энергии в ближайшие годы.

Растущая роль газа в секторе отопления открывает путь к газовым тепловым насосам в качестве альтернативы или совместимой технологии с тепловыми насосами, работающими на электричестве.

Газовые тепловые насосы сокращают  выбросы CO₂ в атмосферу и снижают затраты на производство энергии.

Виды газовых тепловых насосов

Газовые тепловые насосы бывают двух основных типов – компрессорные с газовым двигателем (ГГП) и абсорбционные с газовой горелкой (ГАГП). Вопреки внешнему виду, это не похожие устройства.

Газовые тепловые насосы (ГТП)

Компрессорные тепловые насосы ГТП используют энергию, вырабатываемую при сжигании газа, для привода компрессора. Для передачи тепла хладагент должен пройти четыре стадии термодинамического цикла:

• компрессия – повышение давления и температуры;
• конденсация – выделение тепла в процессе конденсации (сжижения);
• расширение в расширительном клапане – снижение давления;
• испарение – тепло отбирается в процессе испарения.

В режиме отопления хладагент передает тепло отопительной воде за счет высокого давления. Затем, пройдя через расширительный клапан, жидкая среда испаряется при низком давлении в испарителе, забирая энергию у нижнего источника. Хладагент в виде пара снова сжимается, его температура повышается и цикл повторяется.

В режиме охлаждения хладагент отдает тепло в окружающую среду. Затем сконденсированный хладагент расширяется и направляется в испаритель, который питает устройства кондиционирования воздуха. Там оно поглощает тепло из помещения и испаряется. На более позднем этапе среда сжимается и процесс начинается снова.

В режиме охлаждения при работе газового двигателя выделяется тепло, которое обычно теряется. Для его использования чаще всего предлагают нагревать горячую воду.

При этом важно правильно спроектировать систему, чтобы она могла хранить рекуперированное тепло, которое можно использовать только в периоды, когда устройство работает в целях охлаждения.

Газовые абсорбционные тепловые насосы (ГАГП)

Абсорбционные тепловые насосы ГАГП — это устройства, которые, в отличие от компрессорных насосов, не имеют механического компрессора. Их принцип работы основан на работе абсорбционной системы, выполняющей роль теплового компрессора.

Эта система состоит из генератора, абсорбера и газовой горелки. Газ используется непосредственно для нагрева генератора. Природный хладагент R717 (аммиак), содержащийся в генераторе, испаряется из воды под воздействием подаваемой тепловой энергии. Извлеченное тепло затем передается в первую секцию теплообменника.

На следующем этапе процесса пары аммиака конденсируются и направляются в оребренный теплообменник, где они снова испаряются благодаря теплу наружного воздуха.

Пары аммиака направляются в абсорбер, где в сочетании с распыленной водой подвергаются экзотермическому процессу (процессу, при котором выделяется тепло).

После объединения раствор аммиака и воды направляется во вторую секцию теплообменника, где тепло возвращается в систему отопления. Затем раствор возвращается в генератор с помощью диафрагменного насоса (единственного механического устройства в системе).

Переход с хладагента на греющую воду в ГТП за счет использования теплообменника существенно снижает максимальную температуру отопительной воды и КПД всей системы (до нескольких процентов). По этой причине установки очень часто работают с ресиверами, приспособленными к прямому испарению среды.

Такие решения требуют распределения фреоновой установки по всему зданию. Большое количество фреона повышает требования по безопасности, контролю герметичности и т.п., с другой стороны, работа с хладагентом обеспечивает безопасность и отсутствие риска замерзания внешней части установки.

Подогрев воды

Еще одно отличие проявляется при сравнении рабочих параметров устройств. Газоабсорбционный тепловой насос (ГАТП) способен производить отопительную воду с температурой 65°С, тогда как газовый тепловой насос (ГТН) при переключении на водяную систему будет достигать температуры максимум 50°С. Причем ГАТП способен добиться этого уровня независимо от температуры наружного воздуха.

Эффективность

Следует также учитывать эффективность устройств. В водопроводных установках ГАТП достигает КПД 1,4 при температуре -15 °C и температуре подачи 35 °C. ГХП, работающие в тех же условиях, достигают КПД 0,8. ГХП достигает гораздо лучших параметров в системах с прямым испарением, где тепло или холод передаются непосредственно в воздух, минуя водную систему.

Монтаж

И ГАТП, и ГХП дают пользователю возможность внешнего монтажа. Минимальная внешняя рабочая температура для ГАТП и ГХП (в зависимости от модели, производителя и т. д.) может составлять -30 °C для ГАТП и -20 °C для ГХП соответственно.

Охлаждающая способность

Газовые тепловые насосы ГХП являются хорошим выбором, когда речь идет о производстве холода с использованием газа. Установки ГХП имеют одинаковую мощность нагрева и охлаждения. В случае реверсивных насосов ГАТП мощность нагрева в два раза превышает мощность охлаждения.

Как видите, эти, казалось бы, похожие устройства различаются не только конструкцией, но прежде всего принципом работы и применения. Какой тип устройства лучше подойдет для данной системы, будет зависеть от потребности в тепле и охлаждении, рабочих параметров и способа передачи энергии в помещениях здания.

Системы, в которых тепло будет передаваться воде (например, центральное отопление с ресиверами в виде радиаторов, фанкойлы, агрегаты с водно-гликолевым теплообменником), будут функционировать гораздо эффективнее в сотрудничестве с ГАТП, что обеспечит соответствующие высокие температуры подачи, стабильная работа и высокая эффективность, а значит, низкие эксплуатационные расходы.

Однако это не означает, что нельзя использовать абсорбционные устройства для производства холода. Места, где приоритетом является обеспечение тепла и уменьшение производства холода, являются идеальными местами для использования абсорбционных устройств.

ГХП будет очень интересным решением в зданиях, где существует высокая потребность в охлаждении и используются системы с прямым испарением хладагента.

Системы, требующие охлаждения большого количества вентиляционного воздуха в приточно-вытяжных установках с теплообменниками прямого испарения, также будут очень хорошим вариантом использования устройств ГХП.

Когда использовать газовый тепловой насос (ГХП), а когда — газоабсорбционный тепловой насос (ГАТП)?

Подводя итог, можно сказать, что ГАТП определенно является лучшим решением, когда мы имеем дело с водными системами, и их целью является главным образом обеспечение теплом. Примерами таких зданий могут быть школы или многоквартирные дома.

Использование ГАТП позволит системе работать с высокой эффективностью, что позволит снизить эксплуатационные расходы, обеспечить долю возобновляемой энергии и  низкие первичные энергетические коэффициенты для объекта.

С другой стороны, ГХП найдет свое применение в зданиях с  высокой потребностью в охлаждении и системах VRF или в тех, которые взаимодействуют с вентиляционными установками и другими воздушными системами прямого испарения.

Примерами таких зданий являются производственные и складские помещения, где требуется поддерживать достаточно низкую температуру, а также офисные здания.