Что такое высокотемпературный воздушный тепловой насос на CO2?

Высокотемпературный воздушный тепловой насос на CO2 — это агрегат, предназначенный для горячего водоснабжения промышленных предприятий, социальных объектов, медицинских учреждений и т.п. Он нагревает водопроводную или рециркулирующую воду, поступающую из резервуара-энергонакопителя, до установленного пользователем значения, после чего она поступает к местным потребителям. Такие агрегаты являются превосходными заменителями обычных электрических или газовых котлов, которые характеризуются высокими эксплуатационными затратами.

Применение в воздушном тепловом насосе углекислого газа (в холодильной промышленности обозначается как R744) в роли природного хладагента обусловлено тем, что он:

безвреден для окружающей среды. Принят в качестве эталона для определения коэффициента глобального потепления различных веществ (GWP = 1). Потенциал разрушения озонового слоя ODP равен 0;
нетоксичен (в отличие от аммиака);
негорюч (в отличие от пропана);
невзрывоопасен.

Использование диоксида углерода (CO2) в качестве хладагента рекомендовано Программой ООН по окружающей среде (United Nations Environment Programme, UNEP). Как показали результаты исследования, проведенного сотрудниками компании «ТИКА», высокотемпературный воздушный тепловой насос на CO2 выбрасывает в атмосферу на 70% меньше углекислого газа, чем электрокотел, и на 59% — чем угольный котел.

Популярность теплового насоса (воздух-вода) на CO2 объясняется не только экологичностью, но и его высокой энергоэффективностью и низкими эксплуатационными затратами. Согласно результатам экономического анализа, проведенного специалистами TICA на базе предприятия, производящего тушки цыплят-бройлеров, эффективность агрегата на CO₂ более чем в 4 раза превышает аналогичный показатель электрического котла, в 3,1 раза — мазутного, в 1,9 раза — угольного и газового.

Тепловой насос нагревает до 65 или 90 градусов Цельсия 22—47 т воды в сутки. В первом случае производительность агрегата составляет 80 кВт, а его коэффициент энергоэффективности равняется 5, во втором — соответственно 79 кВт и 4,55. По этим показателям воздушный тепловой насос TICA является лучшим среди аналогов, представленных на рынке.

Для сравнения: спиральные чиллеры с воздушным охлаждением (тепловые насосы), использующие синтетические хладагенты, нагревают рабочую жидкость только до 55 °С, причем разница температур на входе и на выходе таких устройств составляет 5—15 градусов. На вход теплового насоса TICA может поступать обычная водопроводная или рециркулирующая вода температурой от 5 до 65 °С.

Транскритический цикл

В основу работы теплового насоса (воздух-вода) положен транскритический цикл. При атмосферном давлении CO₂ существует только в газообразном или твердом («сухой лед») агрегатном состоянии. При давлении в 5,2 бар и температуре -56,6 °C углекислый газ достигает тройной точки и его плотность во всех трех фазах становится одинаковой, а при давлении 73,6 бар и температуре +31,1 °C (критическая точка) выравнивается плотность в жидкостной и паровой фазах. При температуре выше +31,1 °C диоксид углерода не конденсируется. Следовательно, его можно применять в качестве хладагента в диапазоне температур и давлений между тройной и критической точками.

Транскритический цикл CO₂

Теплопроизводительность CO₂

Теплопроизводительность диоксида углерода очень велика. Использующий его высокотемпературный воздушный тепловой насос TICA способен нагревать воду до 90 °C круглый год, причем для этого ему не потребуется дополнительный электронагреватель. В данном режиме коэффициент энергоэффективности теплового насоса достигает 3,1 даже при температуре окружающей среды +5 °C. Это намного выше, чем у аналогичных агрегатов, использующих традиционные синтетические хладагенты.

Требования к воде

Рабочая жидкость может поступать в тепловой насос непосредственно из водопровода либо из теплоизолированного резервуара. Если температура водопроводной или рециркулирующей воды на входе устройства превышает 30 °C, в целях защиты оно автоматически переводится в режим ее нагрева до 90 °C.

Высокотемпературный тепловой насос на CO2 не предъявляет строгих требований к качеству рабочей жидкости: для его нормального функционирования требуется обычная питьевая вода. Ее кислотность (pH) при температуре 25 °С должна находиться в пределах 7—8, а электропроводность — не превышать 30 мСм/м. Это стандартные требования для воды, используемой в системах центрального отопления и кондиционирования воздуха.

Компрессор Mayekawa Japan

Тепловой насос TICA укомплектован инверторным компрессором CO2, выпускаемым Mayekawa Japan — лидером в области производства оборудования, использующего диоксид углерода. Данный агрегат автоматически регулирует свою рабочую частоту исходя из температуры окружающей среды, температуры доливаемой или рециркулирующей жидкости и установленного пользователем режима. Благодаря этому компрессор обеспечивает оптимальную энергоэффективность теплового насоса в зависимости от приходящейся на него нагрузки.

Воздушный теплообменник (газоохладитель)

Высокоэффективный воздушный теплообменник (газоохладитель) также разработан специалистами Mayekawa. Он состоит из скрепленных между собой медных трубок, по которым противотоком подаются CO₂ и вода. Данные трубки плотно прилегают друг к другу для повышения эффективности теплообмена и безопасности эксплуатации.

Электронный расширительный клапан высокого давления

Электронный расширительный клапан высокого давления (High Pressure Expansion Valve, HPEV) специально разработан для отопительного оборудования и систем центрального кондиционирования воздуха, использующих диоксид углерода. В отличие от терморегулирующего вентиля, управляемый контроллером клапан отслеживает не температуру перегрева на линии всасывания, а давление CO₂ на выходе из газоохладителя. Исходя из этого параметра, контроллер автоматически выдает соответствующий сигнал моторизованному приводу, который приоткрывает или закрывает сечение клапана для увеличения/уменьшения объема впрыскиваемого хладагента. Управляемый электроникой привод максимально быстро реагирует на изменяющиеся условия эксплуатации и обеспечивает высокую энергоэффективность теплового насоса.

Резервуар для сжиженного диоксида углерода

Потребность в хладагенте изменяется в зависимости от нагрузки на тепловой насос. Для балансировки CO₂ в системе предназначен встроенный резервуар. Он обеспечивает исправную циркуляцию диоксида углерода, автоматически добавляя или уменьшая его количество в режиме реального времени. Благодаря этому система получает ровно столько хладагента, сколько необходимо для эффективного нагрева воды. В результате КПД и стабильность работы теплового насоса возрастают.

Вентиляторы

Два осевых вентилятора оснащены инверторными двигателями. Каждый из них бесступенчато регулирует скорость вращения рабочего колеса и его лопастей усовершенствованной формы. Благодаря этому тепловой насос автоматически варьирует расход воздуха для обеспечения наилучшего теплообмена, сокращения энергопотребления и снижения уровня шума. В холодное время года максимальный уровень шума при эксплуатации устройства составляет 66 дБ(А), в теплое — 62 дБ(А).

Интеллектуальная технология размораживания + газовый байпасный клапан

Тепловой насос самостоятельно определяет время для проведения автоматического размораживания. Его периодичность зависит от температуры окружающей среды, температуры испарения хладагента, времени наработки агрегата и других предустановленных параметров. В результате система управления запускает цикл размораживания только при температуре окружающей среды ниже 0 °C. В остальных случаях тепловой насос продолжает стабильно нагревать воду и не переключается на разморозку. Благодаря этому КПД агрегата в режиме нагрева рабочей жидкости превышает 90%.

Для размораживания оборудования используется газ высокой температуры, поступающий через байпасный клапан непосредственно из компрессора. Как следствие, тепловая энергия воды не расходуется, и ее температура не понижается.

Интеллектуальная система управления

Интеллектуальная система управления регулирует рабочую частоту компрессора, количество подаваемой воды, ее температуру и другие параметры в соответствии с заданными пользователем настройками. Это позволяет обеспечить оптимальную энергоэффективность теплового насоса. Он автоматически переключается в один из трех режимов (стандартный; режим энергосбережения; режим сильного нагрева), чтобы минимизировать энергопотребление при условии достаточного водоснабжения.

Система управления и связанные с ней многочисленные датчики (термометры, манометры, реле протока воды и др.) гарантируют надежную и стабильную работу теплового насоса на протяжении 20 лет и более. Во избежание повреждения силового электрооборудования прибор оснащен защитным автоматом, отключающим агрегат от источника питания в случае избыточного или недостаточного напряжения, перегрузки по току и т.п. (см. таблицу ниже).

Помимо того, интеллектуальная система управления следит за состоянием компрессора, вентиляторов, теплообменника. Как только с одного либо нескольких датчиков поступают электронные импульсы, свидетельствующие о перегрузке тех или иных компонентов, контроллер автоматически формирует аварийный сигнал и в целях безопасности отключает тепловой насос.

Для предотвращения доступа к системе посторонних лиц в изделии предусмотрено многоуровневое управление паролями пользователей.

Тепловой насос на CO2: преимущества

Воздушный тепловой насос на CO2 характеризуется не только прекрасной энергоэффективностью и экологичностью, но и высоким уровнем безопасности во время эксплуатации. В отличие от газовых, мазутных и угольных котлов, он невзрывоопасен. Даже утечка углекислого газа (ее вероятность крайне мала!) не приведет к каким-либо негативным последствиям для экологии.

Агрегат не нуждается в особом техническом обслуживании: соответствующие работы раз в квартал может выполнять даже сотрудник без специальной подготовки. Все настройки регулируются автоматически в зависимости от температуры окружающей среды и температуры воды, подаваемой на вход теплового насоса. А вот управлять работой угольного, мазутного или газового котлов значительно труднее. Для этого нужен высококвалифицированный технический специалист, который будет непрерывно следить за показателями системы центрального отопления и оперативно вносить коррективы.

Для размещения теплового насоса TICA, характеризующегося довольно компактными размерами (длина — 1,9 м, ширина — 1,25 м, высота — 2,08 м), не нужно машинное отделение: устройство устанавливается на крыше либо на придомовой площадке. Разумеется, нет необходимости и в монтаже дополнительного оборудования для удаления углеродных остатков, хранения мазута и т.п., требуемого для полноценной работы соответствующих котлов.

Высокотемпературный воздушный тепловой насос на CO2 имеет модульную конструкцию и при необходимости может подключаться к аналогичным устройствам, работающим параллельно. Благодаря этому производительность системы центрального отопления на базе таких агрегатов можно довести до 360—480 кВт и более.

Вас также может заинтересовать: