Тепловой насос

Тепловой насос

Тепловой насос – это специальное устройство, которое совмещает в себе котел, источник горячего водоснабжения и кондиционер для охлаждения.

Главным отличием теплонасоса от других источников тепла является возможность использования возобновляемой низкопотенциальной энергии, взятой с окружающей среды (земли, воды, воздуха, сточных вод) для покрытия нужд в тепле во время отопительного сезона, нагрева воды для горячего водоснабжения и охлаждения дома. Поэтому тепловой насос обеспечивает высокоэффективное энергоснабжение без газа и других углеводородов.

Тепловой насос (далее ТН) – это устройство, которое функционирует по принципу обратной холодильной машины, передавая тепло от низкотемпературного источника к среде с более высокой температурой, например системе отопления вашего дома.

Каждая теплонасосная система имеет следующие основные компоненты:

Бак-аккумулятор – теплоизолированная ёмкость для воды, предназначена для накопления горячей воды, с целью выравнивания тепловых нагрузок системы отопления и горячего водоснабжения, а также увеличивает срок работы ТН;

Первичный грунтовый контур – закрытая циркуляционная система, которая состоит с испарителя, циркуляционного насоса грунтового контура, трубопроводов, и служит для передачи тепла от грунта к ТН;

Вторичный грунтовый контур – закрытая система, которая состоит с конденсатора, циркуляционного насоса, трубопроводов, и служит для передачи тепла от ТН к системе отопления в доме.

Тепловой насос — принцип работы схож с работой обыкновенного холодильника, который есть в наличии у каждой семьи в современном мире, только на оборот:

Если холодильник отбирает тепло от пищевых продуктов, которые лежит внутри и переносит отобранное тепло наружу, то принцип работы ТН заключается в том, чтобы переносить тепло, накопленное (отобранное) в почве земле, водоёме, подземных водах или воздухе в Ваш дом! Таким образом мы отапливаем Ваш дом бесплатным теплом, при этом не воздействуя негативным образом на саму природу.

Тепловой насос переносит тепло, накопленное в почве, земле, водоеме, подземных водах или воздухе, в Ваш дом.

Как и холодильник, этот энергоэффективный теплогенератор имеет следующие основные элементы:

— конденсатор (теплообменник, в котором происходит передача тепла от хладагента к элементам системы отопления помещения: низкотемпературным радиаторам, фанкойлам, теплому полу);

— дроссель (устройство, которое служит для снижения давления, температуры и, как следствие, замыкания теплофикационного цикла в ТН);

Схема теплового насоса

— испаритель (теплообменник, в котором происходит отбор от низкотемпературного источника к ТН);

— компрессор (устройство, в которое повышает давление и температуру паров хладагента).

Он обустроен таким образом, чтобы заставить тепло двигаться в обратном направлении. Например, во время нагрева дома, тепло отбирается от какого-нибудь холодного наружного источника (земли, реки, озера, наружного воздуха) и передается в дом. Для охлаждения (кондиционирования) дома тепло отбирается от более теплого воздуха в доме и передается наружу. В этом отношении тепловой насос похож на обычный гидравлический, который перекачивает жидкость с нижнего уровня на верхний, тогда как в обыкновенных условиях жидкость всегда двигается с верхнего уровня на нижний.

На сегодняшний день наиболее распространенными есть парокомпрессионные тепловые насосы. В основу принципа их действия лежат два явления: во-первых, поглощение и выделение тепла жидкостью при смене агрегатного состояния – испарение и конденсация, соответственно; 2) во-вторых, изменение температуры испарения (и конденсации) при изменении давления.

В испарителе рабочим телом есть — хладагент, который не содержит хлора, — он находится под низким давлением и кипит при низкой температуре, поглощая тепло низкопотенциального источника. Потом рабочее тело сжимается в компрессоре, который приводится в движение с помощью электрического или другого двигателя, и попадает в конденсатор, где при высоком давлении конденсируется при более высокой температуре, отдавая тепло конденсации приемнику тепла, например, теплоносителю системы отопления. С конденсатора рабочее тело через дроссель опять попадает в испаритель, где его давление понижается, и процесс кипения хладагента начинается опять.

Тепловой насос способен отбирать тепло от нескольких источников, например, воздуха, воды или земли. Таким же путем он может сбрасывать тепло в воздух, воду или землю. Более теплая среда, которая воспринимает тепло, называется теплоприемником. В зависимости от типа источника и приемника тепла, испаритель и конденсатор могут быть выполнены как теплообменники типа “воздух-жидкость”, так и “жидкость-жидкость”.

Регулирование работы системы отопления с использованием ТН в большинстве случаях осуществляется с помощью его включения и выключения по сигналу датчика температуры, который установлен в приемнике (при нагревании) или источнике (при охлаждении) тепла. Настройка ТН обычно осуществляется сменой сечения дросселя (терморегулирующего вентиля).

Как и холодильная машина, тепловой насос использует механическую (электрическую или другую) энергию для реализации термодинамического цикла. Эта энергия используется на привод компрессора (современные тепловые насосы мощностью до 100 кВт комплектуются высокоэффективными скролл компрессорами). Коэффициент преобразования (коэффициент трансформации или эффективности) теплового насоса – это соотношение количества тепловой энергии которую производит до количества электрической энергии, которую он потребляет. Коэффициент преобразования зависит от уровня температур в испарителе и конденсаторе теплонасоса. Это значение колеблется для различных теплонасосных систем в диапазоне от 2,5 до 7, то есть на 1 кВт затраченной электрической энергии ТН вырабатывает от 2,5 до 7 кВт тепловой энергии, что не под силу ни конденсационному газовому котлу, ни любому другому генератору тепла. Поэтому можно утверждать, что парокомпрессионные ТН производят тепло, используя минимальное количество дорогой электрической энергии.

Температурный уровень теплоснабжения от ТН — 35-60°С.

Экономия дорогих энергетических ресурсов при таком температурном режиме достигает 75 %.

Теоретический коэффициент преобразования идеального ТН рассчитывается по формуле Карно:

ε = Т2/( Т2- Т1),

где Т2 – температура конденсации, а Т1 – кипения холодильного агента, которая измеряется в градусах Кельвина.

Если бы ТН работал по идеальному циклу, то при температуре кипения +5°С (Т1 = 278К) и при конденсации 55°С (Т2=328К) он мог бы функционировать с коэффициентом преобразования, равным 6,56. На самом деле коэффициент преобразования будет меньше, так как полностью идеальных тепловых машин не бывает.

Обычно внутри теплового насоса, как и в холодильнике, циркулирует хладагент (фреон) – с той же лишь разницей, что современное производство ведется с использованием хладагента, который не содержит хлоруглеводородов и других, вредных для здоровья человека и окружающей среды, компонентов.

Эффективное сбережение энергии при отоплении домов с использованием теплового насоса достигается благодаря тому, что теплонасосная установка больше чем две трети выработанной тепловой энергии берет с окружающей среды: почвы, водоема, воздуха, подземных вод, сточных вод или другого источника.

Внешний контур (грунтовый коллектор) — геотермального теплового насоса представляет собой уложенный в почву или в воду полиэтиленовый трубопровод, в котором циркулирует незамерзающая жидкость (в основном на основе пропиленгликоля). Однако источником может быть почва, каменная порода, озеро, река, море, сточные воды, а также внешний и вентиляционный воздух.

Энергосбережение и эффективность использования теплонасоса в первую очередь зависит от того, откуда вы решите черпать низкотемпературное тепло, во вторую – от способа отопления вашего дома (водой или воздухом). Дело в том, что ТН работает как перевалочная база между двумя тепловыми контурами: одним, греющим на входе (на стороне испарителя) и вторым, отапливаемым, на выходе (конденсатор). За видом теплоносителя во входном и выходном контурах тепловые насосы делятся на шесть типов: грунт-вода, вода-вода, воздух-вода, воздух-воздух, грунт-воздух, вода-воздух.

В отечественных условиях, пока еще, применяются лишь первые три и последний. Воздушное отопление с использованием ТН в Украине приживается плохо, хотя и имеет свои преимущества (например, в США продажа воздушных ТН является наибольшей). Но для всех типов теплонасосов характерен ряд особенностей, о которых нужно помнить при выборе модели. Во-первых, тепловой насос оправдывает себя лишь в хорошо утепленном доме, то есть с теплопотерями не больше 65 Вт/м2. Чем более теплый дом, тем больше выгода при использовании данного устройства. Как вы понимаете, отапливать улицу с помощью ТН, собирая из нее же крохи теплоты – не совсем разумно. Во-вторых, чем больше разница температур теплоносителей во входном и выходном контурах, тем меньший коэффициент преобразования тепла (СОР), то есть меньшая экономия электрической энергии. Именно поэтому более выгодное подключение если тепловой насос подключают к низкотемпературным системам отопления. Прежде всего, речь идет об отоплении водным полом или теплым воздухом с использованием фанкойлов, так как в этих случаях теплоноситель (например вода) по медицинским требованиям не должен быть горячее 35-40°С. А вот чем более горячую воду тепловой насос готовит для выходного контура (радиаторов или душа), тем меньшую мощность он развивает и тем больше потребляет электричества. В-третьих, для достижения большей выгоды практикуется эксплуатация с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления).

Количество часов работы ТН при температуре бивалентности -5°С

В доме со значительными тепловыми потерями ставить тепловой насос большой мощности не выгодно. Потому что он будет функционировать в полную силу лишь около месяца, а капитальные расходы в теплонасосную систему, особенно типа грунт-вода, будут значительными если тепловую мощность системы увеличить даже на несколько кВт. Ведь количество действительно холодных дней не превышает 10-15% от длительности отапливаемого периода. Поэтому часто мощность ТН выбирают ровной 70-80% от расчетной отапливаемой нагрузки, при этом он будет покрывать все потребности дома в тепле до тех пор, пока внешняя t ° воздуха не опустится ниже определенного расчетного уровня (t ° бивалентности), например минус 10-15°С. С этого момента в работу включается второй генератор тепла. Есть много вариантов использования с дополнительным источником тепла. Чаще таким помощником служит небольшой электрический нагреватель, но можно поставить и газовый, твёрдотопливный или жидкотопливный котел.

Парокомпрессионный цикл теплового насоса.

Расчет коэффициента преобразования (трансформации) COP ТН.

С целью приближения к простому циклу Карно, а фактически – с целью создания максимально эффективного в работе теплового насоса, необходимо стремиться к подводу тепла при условиях, близких к изотермичным. Для этого подбираются рабочие тела, изменяющие агрегатное состояние при необходимых температурах и давлениях. Они поглощают тепло при испарении и отдают при конденсации. Эти процессы образуют изотермы цикла. Сжатие пара хладоагента, как правило, требует чтобы пар был сухим, что обусловлено особенностями механики большинства компрессоров ТН. Попадание жидкости вместе с паром на вход компрессора может повредить его клапаны, а поступление большого количества жидкого хладоагента в компрессор теплонасоса может вообще вывести его из строя (если не приняты предупредительные меры).

Цикл ТН с механической компрессией пара и его изображение в p-V (давление — удельный объем) диаграмме показаны на рисунке ниже.

Термодинамический цикл ТН в p-V диаграмме

1-2 – отбор теплоты от низкотемпературного источника, хладагент закипает; 2-3 – процесс сжатия хладагента в компрессоре; 3-4 – передача теплоты в систему отопления и конденсация хладагента в конденсаторе; 4-1 – процесс дросселирования жидкого хладагента к начальным условиям.

Рассмотрим цикл теплонасоса только с сухой компрессией пара и расширением в дроссельном клапане. Этот клапан представляет собой регулируемое сопло или капиллярную трубку. Отсутствие расширительной машины в цикле означает, что некоторое количество полезной работы теряется и СОР теплового насоса уменьшается. Как правило, это оправдано тем, что стоимость расширительной машины не окупается полученной на ней работой. Процесс расширения в сопле необратим. Обычно он рассматривается как адиабатический, т. е. проходит без подвода или отвода теплоты при расширении рабочего тела.

Теперь продемонстрируем цикл ТН иным способом, с помощью широко применяемой на практике для парокомпрессионих циклов диаграммы «давление – удельная энтальпия» (ln p-h), представленной на рисунке ниже.

Термодинамический цикл (период) ТН в ln p-h диаграмме

Сжатое рабочее тело под высоким давлением покидает компрессор в точке 1. Поскольку на вход в компрессор поступал только сухой пар и благодаря наклону линий постоянной энтропии, в точке 1 пар перегрет. Прежде чем пар начнет конденсироваться в точке 2, его следует охладить при постоянном давлении. Между точками 2 и 3 происходит конденсация при постоянной t ° (если нет утечек пара). Отсюда видно, что теплообменный аппарат, в котором происходит конденсация (конденсатор), всегда должен быть рассчитан на прием перегретого пара. Адиабатическое расширение изображается в р—h диаграмме вертикальной прямой 3–4, и в этом одна из причин удобства такой диаграммы. Для расчета цикла необходимо знать состояния рабочего тела только на входе в компрессор теплового насоса и выходе из него. Остальное изображается прямыми линиями. Испарение происходит при постоянном давлении и температуре между точками 4 и 5. Следует отметить, что расширение происходит фактически в смеси жидкости и пара. Входящая в испаритель смесь содержит значительную долю пара, иногда до 50% по массе, и эта доля рабочего тела, естественно, уже не участвует в процессе испарения и поглощения теплоты. Между точками 5 и 1 происходит изоэнтропийное сжатие сухого пара. На практике его реализовать нельзя, но здесь рассмотрен идеализированный цикл. Его эффективность меньше, чем у цикла Карно, из-за необратимости процесса расширения.

Рассмотрим еще одно важное преимущество р—h диаграммы. Поскольку на горизонтальной оси откладывается энтальпия, она допускает прямой отсчет Q1, Q2 и W. Поэтому из диаграммы очевидно простое соотношение Q1=Q2+W. В то же время данная диаграмма позволяет сразу оценить значение СОР. Очевидно, что оно будет тем выше, чем меньше интервал давлений 3-4 (или, что то же самое, чем меньше интервал температур).

Для получения высокого СОР значение Q1 должно быть велико, а W (работа сжатия) должна быть мала. Также при взгляде на р—h диаграмму любого из хладагентов можно быстро оценить его пригодность к работе.

Тепловые насосы — реальный парокомпрессионный цикл

Рабочие циклы теплового насоса, рассмотренные выше, несколько идеализированы. Хотя в них и учитывались практические ограничения, связанные с необходимостью сжатия только сухого пара, а также отсутствие расширительной машины, однако предполагалось, что КПД всех элементов равен 100%. Рассмотрим теперь, чем реальный тепловой насос отличается от идеального.

Тепловой насос, где главным компонентом является компрессор, как уже было сказано, компрессор должен сжимать только сухой пар и рабочее тело до входа в компрессор должно быть несколько перегрето. Перегрев создает зону безопасности для уменьшения попадания капель жидкости в компрессор. Это достигается ценой некоторого увеличения компрессора, поскольку он должен сжимать более разреженный пар при том же массовом расходе. Более серьезная проблема состоит в повышении t ° на выходе из компрессора, которая ограничивается стойкостью выхлопных клапанов.

Другое существенное отклонение от идеализированного периода ТН определяется КПД компрессора. Из-за теплообмена между рабочим телом и компрессором и необратимости течения внутри компрессора повышение энтальпии в нем больше, чем в идеализированном цикле, что также повышает выходную t °. Повышение энтальпии оценивается изоэнтропическим КПД компрессора. На практике поршневые компрессоры имеют изоэнтропический КПД около 70%. Отметим, что изоэнтропическое сжатие требует минимальной работы при неохлаждаемом компрессоре. Работу можно снизить путем его охлаждения, но поскольку задачей ТН является отдача теплоты при высокой температуре, такое охлаждение невыгодно или фактически невозможно.

Существуют еще два показателя эффективности компрессора в тепловом насосе: механический КПД (показывает, какая доля работы, подведенной к валу компрессора, отдана рабочему телу – обычно он равен 95%) и объемный КПД, который влияет не на СОР, а на капиталовложения в оборудование, так как определяет размеры компрессора (его значение также в районе 95%).

Потери имеются и в других элементах рабочего цикла, а не только в компрессоре. Когда рабочее тело проходит через теплообменник, давление несколько падает, следствием чего является отклонение от изотермических условий при теплообмене. Фактически отклонение обычно не превосходит 1 градуса. Оно проявляется как в испарителе, так и в конденсаторе.

Рассмотрим на примере реальный парокомпрессионный цикл теплового насоса, в котором в качестве хладагента используется фреон R–134а.

Comments are closed