Тепловые насосы

Тепловой насос - это машина, которая способна перенести тепло из более холодной среды (воздух, земля, вода из подземных пластов, вода из открытых водоемов, вода из общей сети, промышленные стоки) в более горячую (вода, воздух и прочие) с целью отопления или охлаждения.

Тепловые насосы переносят, а не вырабатывают энергию. Этим и обусловлена их существенные преимущества по сравнению с традиционными источниками тепла. Тепловые насосы представляют собой устройство для перевода низкотемпературной энергии в высокотемпературную энергию и обратно.

Передача тепла производится рабочим телом -хладагентом (фреоном) также, как в обычном холодильнике. Электроэнергия, потребляемая тепловым насосом, тратится лишь на перемещение хладагента по системе с помощью компрессора.

Тепловые насосы (ТН) работают, перемещая тепловую энергию, в отличие от печи в которой происходит преобразование химической энергии в процессе горения. Принцип работы теплового насоса основывается на термодинамическом цикле Карно. По такому же принципу работают холодильники и кондиционеры (воздушные тепловые насосы). Охлаждение и обогрев в тепловом насосе обеспечивается компрессионным циклом, т.е. непрерывной циркуляцией, кипением и конденсацией хладагента в замкнутой системе. Кипение хладагента происходит при низком давлении и низкой температуре, а конденсация - при высоком давлении и температуре. В испарителе происходит отбор низкопотенциальной энергии у источника с относительно низкой температурой, а в конденсаторе - выделение концентрированной энергии в систему распределения тепла здания.

Эффективность работы ТН определяется соотношением полученной потребителем тепловой энергии к затраченной электрической и носит название коэффициент преобразования (КОП). Основными параметрами, определяющими величину КОП, являются температуры низкопотенциального источника (НИТ) и системы отопления или горячего водоснабжения (ГВС). Так, при tнит = +8С и tотоп= +65С КОП = 3, т. е. на один киловатт затраченной электроэнергии потребитель получит 3 кВт тепла, т. е. две единицы тепла получены от НИТ. Необходимо помнить, что при охлаждении воды на 1С выделяется 1.163 кВт тепла. В качестве НИТ могут использоваться: грунтовые воды, речная, морская вода, вода очистных сооружений, технологические воды промышленности, а также непосредственно воздух и тепло земли.

При повышении температуры НИТ возрастает КОП, который при tнит = +40С равен 7,8.

Как работает тепловой насос.

Отбор тепла от источника осуществляется через специальный теплообменник (грунтовый зонд, грунтовый коллектор или водный коллектор) (рисунок 1) в результате циркуляции теплоносителя. Теплоноситель с температурой от – 5 до +25 поступает в теплообменник испаритель теплового насоса, в котором происходит передача тепла хладагенту (фреону). В испарителе хладагент закипает и переходит из жидкой фазы в газообразную.

Далее пары фреона поступают в компрессор, где давление и температура резко возрастают Горячий газ поступает во второй теплообменник, конденсатор, в котором происходит нагрев системы отопления. При этом, охлаждаясь фреон переходит в жидкое состояние. Далее по схеме фреон поступает на редукционный клапан, в котором происходит падение давления и одновременно резкое снижение температуры. Теперь фреон с низкой температурой поступает в испаритель для отбора тепла из среды (источника). На этом цикл работы замыкается и снова повторяется. В результате мы затрачиваем около 25 % электрической энергии на работу компрессора, а 75% забираем из окружающей среды.

Типовая схема устройства теплового насоса

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Системы на базе тепловых насосов (ТН) главным образом применяются для систем отопления и воздушного кондиционирования, но также могут использоваться для любого охлаждения.

Решение о применении ТН основано на принципе экономии. Большинство систем обогрева и кондиционирования могут быть спроектированы с использованием ТН.

Системы с тепловыми насосами могут устанавливаться: в коттеджах, административных и промышленных зданиях и т.п.

Данные системы работают в любых климатических зонах, включая даже вечную мерзлоту.

Ниже обозначены лучшие условия применения ТН.

  • Систему с ТН наиболее экономично устанавливать в новом здании. Т.к. технологию относительно легко внедрять, также можно экономично заменить существующую систему при ее износе.
  • В климатах с холодными зимами или жаркими сезонами ТН на водном источнике может работать намного эффективнее, чем воздушные тепловые насосы или другие системы воздушного кондиционирования. ТН также значительно эффективнее других электрических тепловых систем, и в зависимости от стоимости топлива, могут быть экономичнее других систем обогрева.
  • В климатах с высокими перепадами дневных температур, ТН показывает превосходную эффективность.
  • На территориях, где натуральный газ недоступен или где его стоимость или другого топлива приближается к стоимости электричества, ТН экономически выгодны. Они функционируют с коэффициентом выработки от 3 до 4,5 по сравнению с традиционными - 80 - 90%. Поэтому, когда стоимость электричества (за кВт) менее, чем в 3,5 раза превосходит стоимость традиционного теплового топлива (за кВт), то система с ТН имеет более низкую энергетическую стоимость.
  • В зданиях с многочисленными контролируемыми температурными зонами или при выгодности индивидуальной регулируемой нагрузки, ТН предлагают значительные возможности для индивидуального температурного контроля, т.к. они удачно спроектированы для использования многочисленных унитарных систем.
  • На территориях с невысокими расходами на бурение могут быть особенно привлекательными геотермальные системы с вертикальным грунтовым теплообменником.
  • В местах с высокой влажностью почвы и высоким уровнем грунтовых вод, размер подземной соединенной системы уменьшен, что приводит к общей экономии.

Дополнительная документация по тепловым насосам