+7 495 487-27-87
info@frostsystems.ru

Тепловой насос на базе холодильной установки - обслуживание и ремонт под ключ

Содержание:

Что такое тепловой насос на базе холодильной установки
Принцип работы
Коэффициент трансформации тепла
Типы по источнику низкопотенциального тепла
Тепловой насос вода-вода
Тепловой насос воздух-вода
Реверсивный цикл
Состав промышленного теплового насоса
Хладагенты и компрессоры
Температурные диапазоны
Экономайзер
Применение на промышленных объектах
Диагностическая таблица
Типичные ошибки
Реализованные проекты

Что такое тепловой насос на базе холодильной установки

Тепловой насос и холодильная установка работают по одному и тому же термодинамическому циклу — парокомпрессионному. Разница не в конструкции, а в цели использования: холодильная установка отбирает теплоту из охлаждаемого объёма и сбрасывает её в атмосферу через конденсатор; тепловой насос делает то же самое, но теплота конденсатора используется как полезный продукт — для отопления, горячего водоснабжения или технологического нагрева.

Фраза «тепловой насос на базе холодильной установки» в промышленном контексте означает аппарат, спроектированный и собранный из компонентов холодильной техники — компрессоров, теплообменников, расширительных устройств — но настроенный на получение тепловой энергии в конденсаторе.

Применяется для утилизации бросового тепла технологических процессов: вместо того чтобы сбрасывать в атмосферу теплоту охлаждающей воды или вентиляционных выбросов, она «перекачивается» на более высокий температурный уровень и используется в системах отопления или ГВС.

Принцип работы: перенос теплоты против градиента температур

В природе теплота самопроизвольно перетекает от горячего тела к холодному. Тепловой насос совершает обратное: переносит теплоту от холодного источника к горячему потребителю, затрачивая на это электрическую энергию компрессора.

Цикл:

Хладагент испаряется в испарителе при низком давлении и низкой температуре, поглощая теплоту от холодного источника (воды, воздуха, грунта).
Компрессор сжимает пар хладагента, повышая его температуру и давление.
Перегретый пар поступает в конденсатор, где конденсируется, отдавая теплоту в контур горячего теплоносителя — воды для отопления или ГВС.
Жидкий хладагент после конденсатора дросселируется в расширительном устройстве (ТРВ или ЭРВ), давление и температура падают, и цикл повторяется.

Принципиальное отличие от котла: котёл сжигает топливо и преобразует его химическую энергию в тепловую с КПД не выше 90–95%. Тепловой насос потребляет только электрическую энергию компрессора и «добывает» тепловую энергию из окружающей среды. На каждый затраченный кВт·ч электроэнергии тепловой насос производит 3–6 кВт·ч тепловой энергии.

Коэффициент трансформации тепла

Коэффициент трансформации тепла (КТТ, COP — Coefficient of Performance) — отношение производимой тепловой мощности к потребляемой электрической:
КТТ = Qт / Ne
где Qт — теплопроизводительность (кВт), Ne — потребляемая электрическая мощность компрессора (кВт).

Реальный КТТ промышленных тепловых насосов на базе холодильного оборудования — от 2,5 до 6 в зависимости от разности температур между источником холода и потребителем тепла. Чем меньше температурный перепад — тем выше КТТ. При источнике тепла +10 °C и горячем теплоносителе +45 °C достигается КТТ 4–5; при источнике 0 °C и теплоносителе +60 °C — КТТ снижается до 2,5–3.

Для сравнения: электрический котёл имеет КТТ = 1 по определению (преобразует 1 кВт·ч электроэнергии в 1 кВт·ч тепла). Тепловой насос с КТТ = 4 экономит 75% электроэнергии по сравнению с прямым электронагревом при тех же температурных условиях.

Типы по источнику низкопотенциального тепла

Классификация тепловых насосов строится по принципу «источник низкопотенциального тепла — потребитель высокопотенциального тепла».

Вода-вода (water-to-water): источник тепла — вода (охлаждающая вода технологических процессов, сточные воды, грунтовые воды, вода из водоёма). Потребитель — вода системы отопления или ГВС. Наиболее эффективный тип при наличии стабильного водяного источника: КТТ 4–6.
Воздух-вода (air-to-water): источник — наружный воздух; потребитель — вода. КТТ снижается при падении температуры наружного воздуха; при −15…−20 °C большинство компрессорных агрегатов выходят на предел по температуре всасывания. Требует двухступенчатого сжатия или специальных компрессоров для работы при низких температурах.
Грунт-вода (ground-to-water, геотермальный): источник — грунт через горизонтальные коллекторы (на глубине 1,5–2 м, температура грунта +5…+8 °C в Московском регионе) или вертикальные зонды (на глубине 50–150 м, температура +8…+12 °C). Стабильный источник независимо от сезона; КТТ 3,5–5.
Рассол-вода (brine-to-water): в геотермальных системах для предотвращения замерзания в контуре земляного коллектора применяется гликолевый раствор (рассол); испаритель теплового насоса охлаждает рассол, а конденсатор нагревает воду.

Тепловой насос вода-вода: рекуперация бросового тепла

Наиболее экономически эффективное применение в промышленности — утилизация бросового тепла технологических процессов. На предприятиях пищевой, перерабатывающей, химической и фармацевтической промышленности существуют обязательные процессы охлаждения: охлаждение продуктов производства, охлаждение технологической воды, охлаждение компрессоров и оборудования.

В стандартной схеме теплота, снятая с технологического процесса, сбрасывается в атмосферу через воздушный конденсатор или градирню. Тепловой насос вода-вода перехватывает эту теплоту и повышает её до уровня, пригодного для отопления (45–60 °C) или горячего водоснабжения (55–65 °C).

Пример: мясокомбинат охлаждает технологическую воду с +20 до +8 °C в чиллере; теплота конденсатора сбрасывается в воздух. Тепловой насос вода-вода забирает воду с температурой +15 °C из возврата чиллера и подаёт её в испаритель теплового насоса, охлаждая до +8 °C. Конденсатор теплового насоса нагревает воду контура ГВС с +40 до +55 °C. КТТ при таких условиях — 4,5–5,0: на 100 кВт электроэнергии компрессора производится 450–500 кВт тепловой мощности в системе ГВС.

Тепловой насос воздух-вода

Тепловой насос воздух-вода использует наружный воздух как источник низкопотенциальной теплоты. При наружной температуре +10 °C тепловой насос типично обеспечивает КТТ 3,5–4,5; при 0 °C — 2,5–3,5; при −10 °C — 2,0–2,5.

Ограничение по минимальной температуре наружного воздуха определяется типом компрессора и хладагентом:

Спиральный компрессор Copeland ZF на R404A — минимум испарения −35 °C, что соответствует наружному воздуху около −20…−25 °C
Поршневой двухступенчатый компрессор Bitzer — до −30 °C наружного воздуха и ниже
Специальные низкотемпературные агрегаты на R32 или R454B — до −25…−30 °C

При наружной температуре ниже −15…−20 °C КТТ воздушного теплового насоса падает ниже 2, и экономия по сравнению с электрическим нагревом становится минимальной. Для Московского региона это около 15–20% зимних дней. Решение — пиковый электронагреватель (биметаллический или ТЭН) в буферной ёмкости, покрывающий разрыв в производительности при сильных морозах.

Оттайка испарителя — обязательный технологический процесс при воздух-вода конфигурации. При температуре испарения ниже 0 °C на поверхности воздушного испарителя образуется иней; при значительном нарастании инея теплопередача снижается. Оттайка — горячим газом (реверсирование части цикла) или электронагревателями.

Реверсивный цикл: одновременное охлаждение и нагрев

Промышленный тепловой насос на базе холодильной установки может работать в реверсивном режиме — одновременно производить холод и тепло. Это наиболее энергоэффективная конфигурация: затраченная электроэнергия компрессора даёт одновременно полезный холод и полезное тепло.

В четырёхходовом реверсивном цикле испаритель охлаждает технологическую воду, а конденсатор нагревает воду ГВС или отопления. Нет потребности в сбросе теплоты конденсатора в атмосферу. Суммарный КПД такой системы (холод + тепло) / электроэнергия может достигать 7–10.

Реверсивные установки применяются в молочном производстве (охлаждение молока + нагрев воды для пастеризации), пивоварнях (охлаждение сусла + нагрев воды для мойки), гостиничных комплексах (охлаждение в летний период + нагрев воды в бассейн и ГВС).

Четырёхходовой клапан (реверсивный клапан) — ключевой элемент реверсивного цикла. При переключении клапана меняется направление потока хладагента: бывший испаритель становится конденсатором, и наоборот. Клапаны производства Saginomiya, Parker, Sanhua рассчитаны на полное переключение цикла.

Состав промышленного теплового насоса

Компрессор — основной элемент. Для теплового насоса мощностью 100–500 кВт применяются полугерметичные поршневые (Bitzer серий 4VC, 4PTC) и полугерметичные винтовые (Bitzer CSH, Fusheng серии HSK, GEA Bock). Винтовые компрессоры предпочтительны за счёт плавного регулирования производительности в диапазоне 25–100% через золотник или ВЧП.
Испаритель — кожухотрубный или пластинчатый; охлаждает источник низкопотенциального тепла (воду, рассол или воздух). Теплоизоляция испарителя обязательна при температуре хладоносителя ниже +10 °C.
Конденсатор — кожухотрубный или пластинчатый из нержавеющей стали AISI 316; нагревает воду системы отопления или ГВС. Теплоизоляция конденсатора не обязательна, но снижает потери тепла в окружающую среду.
Жидкостная магистраль — фильтр-осушитель, смотровые стёкла с индикатором влажности, соленоидный вентиль, ТРВ или ЭРВ. Конструктивно аналогична стандартной холодильной системе.
Шкаф управления — микропроцессорный контроллер (Carel pCO5+, Danfoss AK-CC 55 или аналог) с уставками температуры горячего и холодного теплоносителей, защитами по давлению и температуре, управлением насосами контуров. Исполнение IP65 при установке в помещениях с высокой влажностью.
Гидромодуль — насосная группа с расширительным баком, манометрами и воздухоотводчиками для циркуляции хладоносителя в контурах испарителя и конденсатора. Поставляется совместно с тепловым насосом или как отдельный агрегат.

Хладагенты и компрессоры

Выбор хладагента определяется температурным диапазоном источника тепла и требуемой температурой горячего теплоносителя.

R134a — для умеренных температур источника (+5…+20 °C) и горячего теплоносителя до +60…+65 °C. Давление конденсации при +55 °C — около 14,6 бар. Применяется в большинстве промышленных тепловых насосов вода-вода.
R513A — современная альтернатива R134a с GWP=573 против GWP=1430 у R134a. Давления практически идентичны R134a; совместим с теми же компрессорами и теплообменниками.
R407C — смесь на основе R32/R125/R134a; хорошее давление при средних температурах конденсации (+45…+55 °C). Имеет температурный глайд ~6 °C, что учитывается при проектировании теплообменников.
R410A и R32 — для воздух-вода тепловых насосов; высокое давление обеспечивает компактные компрессоры при большой теплопроизводительности; ограничение — максимальная температура конденсации +65…+70 °C для R410A.
R744 (CO₂) — транскритические тепловые насосы на CO₂ позволяют нагревать воду до +80…+90 °C за один проход через газоохладитель; уникальная характеристика CO₂ в транскритическом цикле. Применяется в тепловых насосах ГВС с высокой температурой подачи.
R290 (пропан) — нашёл применение в небольших тепловых насосах воздух-вода мощностью до 15–20 кВт нового поколения; GWP=3, высокая энергоэффективность, ограничение заправки 150–500 г.

Температурные диапазоны и ограничения

Тепловой насос на базе стандартной холодильной установки работает в определённом диапазоне температур, выход за который требует специальных конструктивных решений.

Максимальная температура горячего теплоносителя:

Для спиральных компрессоров Copeland ZB на R407C — не выше +55…+60 °C
Для полугерметичных поршневых на R134a — до +60…+65 °C
Для винтовых на R134a с впрыском жидкости в компрессор — до +65…+70 °C
Для CO₂ транскритических — до +90 °C

При температуре горячего теплоносителя выше 65 °C температура нагнетания хладагента на R134a превышает 120–130 °C, что ведёт к деградации масла POE.

Минимальная температура источника:

Вода: не ниже +3…+4 °C без этиленгликолевой защиты; ниже — обязательно применение гликоля (этиленгликоль пищевой концентрации 25–35%) с соответствующей настройкой защиты от замерзания испарителя
Наружный воздух: до −20 °C для двухступенчатых компрессоров; до −15 °C для одноступенчатых

Экономайзер в контуре теплового насоса

Экономайзер (ECO-контур) существенно повышает КТТ теплового насоса при больших разностях температур между источником и потребителем. Принцип: часть жидкого хладагента после конденсатора дросселируется до промежуточного давления и испаряется в пластинчатом теплообменнике-экономайзере, охлаждая основной поток жидкого хладагента (переохлаждение). Пар промежуточного давления подаётся в ECO-порт винтового или поршневого двухступенчатого компрессора.

Эффект экономайзера — прирост теплопроизводительности на 10–20% без увеличения установленной мощности компрессора, и рост КТТ на 8–15% при тех же граничных условиях. Особенно значим при температуре горячего теплоносителя выше +50 °C.

Компрессоры с ECO-портом:

Bitzer серий CSH, CSVH — встроенный ECO-порт для промежуточного впрыска
Fusheng серия HSK — ECO-порт в верхней части корпуса
Copeland Scroll ZF-EVI — встроенный ECO-порт, специально для тепловых насосов

Применение на промышленных объектах

Пищевое производство: молочные заводы — одновременное охлаждение молока в испарителе (+4 °C) и нагрев воды для пастеризации (+80 °C, схема с CO₂); мясокомбинаты — рекуперация тепла от охлаждения продукта в систему ГВС цехов.
Химическая и нефтегазовая промышленность: охлаждение реакторов и технологического оборудования с рекуперацией теплоты в систему отопления корпусов.
Металлургия и машиностроение: охлаждение станков и закалочных ванн с рекуперацией тепла в ГВС или отопление производственного здания.
Гостиничные и торговые комплексы: реверсивные установки вода-вода; летом — кондиционирование, зимой — отопление; круглогодично — нагрев воды в бассейн и ГВС.
ЦОД и серверные: охлаждение серверного оборудования с рекуперацией тепла в административной части здания; тепловой насос позволяет использовать «отработанное» тепло ЦОД для отопления прилегающих офисов.
Тепличные комплексы: геотермальные тепловые насосы вода-вода с использованием грунтовых вод как источника тепла; обеспечивают отопление теплиц в зимний период с КТТ 4–5.

Диагностическая таблица

Тепловой насос не достигает расчётной температуры горячего теплоносителя на выходе;Давление конденсации ниже расчётного из-за недостаточного расхода в горячем контуре;Проверить расход насосов горячего контура и уставки ЭРВ или ТРВ Срабатывает реле высокого давления;Недостаточный расход горячего теплоносителя или температура на входе в конденсатор выше расчётной;Проверить расход и температуру на входе в конденсатор, настроить уставку РВД Срабатывает реле низкого давления;Температура источника тепла опустилась ниже расчётной или недостаточный расход в холодном контуре;Проверить расход насосов холодного контура и температуру источника Испаритель обмёрз при работе с водой;Температура источника опустилась ниже +3 °C без гликолевой защиты;Ввести этиленгликоль в контур источника и настроить защиту по температуре испарителя Компрессор работает непрерывно без отключения;Тепловая нагрузка превышает расчётную производительность теплового насоса;Проверить соответствие нагрузки расчётной теплопроизводительности, рассмотреть пиковый догреватель COP теплового насоса снизился при неизменных условиях;Загрязнение испарителя или конденсатора — снижение теплопередачи;Промывка теплообменников, замер перепада давления хладоносителя на каждом теплообменнике Тепловой насос не запускается после длительного простоя;Хладагент сконденсировался в картере компрессора без нагревателя картера;Включить нагреватель картера, выдержать 8-12 ч перед первым пуском Давление нагнетания нестабильно и скачет при постоянной нагрузке;Нестабильная подача хладоносителя — воздух в контуре или нарушена работа насоса горячего контура;Проверить воздухоотводчик буферной ёмкости и стабильность работы насоса

Типичные ошибки

Используют тепловой насос для нагрева воды выше паспортной максимальной температуры. «Нам нужно 70 °C, а на паспорте 65 °C — немного превысим». Температура нагнетания хладагента при этом превышает 130–140 °C; масло POE коксуется на клапанных пластинах, кислотное число растёт. Через 2–3 месяца — выгорание обмоток компрессора. Максимальная температура горячего теплоносителя определяется паспортом и не корректируется уставками.
Не устанавливают нагреватель картера при длительных простоях. Тепловой насос отключается на выходные. Хладагент конденсируется в картере; при пуске в понедельник — жидкий удар в спиральном компрессоре. Нагреватель картера — обязательный элемент теплового насоса, работает непрерывно при остановленном компрессоре.
Не учитывают концентрацию гликоля при сезонном изменении температуры источника. В начале сезона проверяют КТТ, но не проверяют концентрацию этиленгликоля в контуре земляного коллектора. При недостаточной концентрации при −15 °C гликоль замерзает в коллекторе; трубы рвутся. Концентрацию гликоля проверяют рефрактометром ежегодно перед зимним сезоном; минимальная концентрация должна обеспечивать защиту на 5 °C ниже минимальной расчётной температуры грунта или воздуха.

Frostsystems проектирует и монтирует тепловые насосы на базе холодильного оборудования — вода-вода и воздух-вода — для промышленных объектов Москвы и Московской области: рекуперация бросового тепла, системы ГВС и отопления с пуско-наладочными работами.

Почему стоит обратиться к профессионалам?

Квалифицированный монтаж и сервис в перспективе значительно снижают эксплуатационные затраты на содержание холодильной техники

Оригинальные комплектующие

Предоставляем запчасти, которые поставляются напрямую от производителей. Подберем качественные аналоги. Ваша экономия до 30% за счет дилерских цен. Сокращенные сроки поставки.
Бесплатная диагностика

Точная причина неисправности определяется во время визита. На основе полученной информации предлагается наиболее подходящий способ решения проблемы.
Выезд на объект в течение 4 часов

Техническое обслуживание холодильного оборудования в Москве и Московской области. Оформление вызова по телефону за 2 минуты. Гарантия на выполненные работы.