Тепловой насос. Принцип работы, устройство и выбор

Термин «тепловой насос» основан на том факте, что теплота из окружающей среды перекачивается к высокому полезному уровню температуры. Исследования показали, что отопление дома на одну семью с помощью установки для обогрева вместо газового котла даёт экономию выбросов углерода, сравнимую с выбросами от автомобиля средней мощности. Принцип работы теплового насоса и эффективность описаны ниже.

Тепловой насос: принцип работы и схема

Обратный цикл передачи теплоты с низкого термоуровня (отнятие тепла от охлаждаемых тел) на высокий осуществляется в холодильных машинах. С помощью обратного цикла забирают теплоту от окружения (например, от речной воды) и передают среде с высоким термосостоянием для дальнейшего нагревания (например, циркулирующей в отопительных теплообменниках, воде). Установка, в которой осуществляется этот обратный цикл, называется насосом для обогрева.

Идея использования теплонасосов для обогрева предложена В. Томсоном. Цикл холодильной машины отличается от цикла теплонасоса целями применения и интервалами температурных уровней, между которыми цикл выполняется. Эффективность теплонасоса высока, когда требуется достичь невысоких температур (например, отопление, технологические нужды, опреснение морской воды и другое). Прямое применение теплоты при сгорании топлива приводит к большим необратимым потерям.

Теплота и электрическая энергии обесцениваются при переходе с высокого температурного уровня (1000—1500 °С) на низкий (50—150 °С). Эффективнее тратить электроэнергию на работу компрессора в составе теплонасоса, перекачивая теплоту из окружения на полку с высоким термоуровнем.

Принципи­альная схема теплового на­соса

Принципи­альная схема теплового на­соса

Принципиальная схема теплонасоса, используемого для отопления, представлена на рисунке. В испарителе I холодильный агент кипит за счёт теплоты речной воды. После адиабатного сжатия паров хладагента в компрессоре II температура пара (газа) поднимается. В конденсаторе III пары конденсируются, отдавая теплоту воде отопительной системы.

Жидкое рабочее тело далее дросселируется в регулирующем органе IV и влажный насыщенный пар поступает в испаритель. Цикл повторяется. Температуры даны ориентировочные. Баланс по теплоте цикла теплонасоса выглядит так: |g₁| = g_о+|l_ц|, где g₁ — теплота, передаваемая нагреваемому телу (воде), g_о — теплота, отнятая от низкотемпературного источника, l_ц — работа сжатия в компрессоре.

Эффективность цикла насоса определяется отопительным коэффициентом: отоп. коэф-т = g₁ / l_ц.  Его значение больше 1 и до бесконечности. Отопительный коэффициент имеет наибольшее значение в установке с обратным циклом Карно. Выгодно использовать теплоту сбросовых вод производств, воды от охлаждения электрогенераторов, и другие.

Эффективность теплового насоса

Недостатком теплоустановки с компрессором является высокий расход на оборудование. Эффективные испарители (геотермальные зонды, испарители с заглублённой поверхностью) дороги. Инвестиции по сравнению с газовой или печной горелкой выше. Работы по техническому обслуживанию и ремонту ниже, например, нет затрат на очистку дымохода.

Тепло извлекается из отработанного или наружного воздуха, земли, сточных или грунтовых вод с помощью насоса для обогрева. В балансе мощности теплоустройство снабжается электроэнергией для привода компрессора и теплом, извлекаемым из окружающей среды. На выходе теплоустройства часть поставляемой энергии доступна в виде теплоты на высоком уровне. Потери в процессе учитываются в текущем счёте.

КПД тепловой помпы

Показателем эффективности насоса для тепла является годовой коэффициент полезного действия (КПД). КПД описывает отношение полезной энергии в форме теплоты к энергии компрессора, используемой в форме электричества. В системах прямого испарения это значение больше 5. Однако учитывайте то, что при расчёте годовой эффективности не учитываются ни вторичное потребление, ни потери.

При отоплении небольших жилых зданий теплонасосы приводятся в действие электрическим приводом. По сравнению с газовым отоплением с экономической точки зрения годовой КПД обеспечивает показатель для сравнения эксплуатационных расходов между теплоаппаратом и газовым отоплением. Затраты на электроэнергию для теплоаппарата будут выше, чем затраты на сжигание газа. Это также относится к сравнению термоустановки с масляным нагревателем.

Для достижения возможного КПД и высокой энергоэффективности, разность температур между температуркой источника тепла и полезной должна быть как можно меньше. Теплообменник рассчитывают на низкие возможные температурные различия между первичной и вторичной стороной. Таким образом, чем холоднее воздух, тем больше энергии потребуется, чтобы выжать теплоэнергию.

Схема обвязки блоков тепловой установки

Хладагент (рабочие газы)

С 1930 по начало 1990-х годов хлорфторуглероды (ХФУ) были предпочтительными хладагентами. Эти хладагенты конденсируются при комнатной температуре под легко управляемым давлением, нетоксичны, не горючи и не вступают в реакцию с обычными материалами. Однако при выделении ХФУ повреждают озоновый слой в атмосфере и способствуют образованию озоновой дыры.

Поэтому использование хлорфторуглеродов было запрещено. Фторуглероды (ГФУ), используемые в качестве заменителей, не повреждают озоновый слой, но способствуют парниковому эффекту и включены в Киотский протокол, зарегистрированы как экологически опасные. Чистые углеводороды, такие как пропан или пропилен, считаются природными хладагентами, а воспламеняемость требует специальных мер безопасности.

Неорганические, негорючие альтернативы, такие как аммиак, диоксид углерода или вода, также использовались для теплонасосов. Из-за конкретных недостатков эти хладагенты не применяются в широком техническом масштабе. Аммиак (NH₃) и диоксид углерода (CO₂) используются в промышленных системах охлаждения, таких как холодильные камеры и пивоваренные заводы. CO₂ предназначен вместо фторуглеродов для кондиционирования в транспортных средствах и используется первыми производителями.

Виды тепловых насосов

Центральный воздушный тепловой насос

Тепломашины с компрессором используются для нагрева водички, отопления зданий и для подачи воды горячей. Геотермальная энергия при высоком уровне температуры используется с помощью подходящего геотермального коллектора.

Применяются следующие комбинации тепловых насосов:

• «Вода-вода». С отводом тепла из подземных вод через скважины, из поверхностных или сточных вод.
• «Вода-рассол». Источники теплоэнергии: геотермальные зонды и коллекторы (спиральные коллекторы, траншейные коллекторы, геотермальные корзины и т.д.), солнечная энергия через солнечные коллекторы и буферное хранилище, площадь через твёрдые поглотители, энергетический забор и т.д.
• «Воздух-вода». С отводом тепла от вытяжного воздуха или наружного воздуха, реже с предварительным нагревом геотермальными теплообменниками, фасадными коллекторами и т.п. Недорогой и часто используемый вид.
• «Воздух-воздух». Используются только в больших зданиях для обогрева или охлаждения приточного воздуха в системах кондиционирования воздуха и вентиляции.

Абсорбционный теплонасос

Использует физический эффект тепловой реакции при смешивании двух жидких сред или газов. Имеет контуры хладагента и растворителя. Растворитель много раз растворяется или удаляется в рабочем веществе.

Адсорбционный тепловой насос

Работает с твёрдым «адсорбентом», на котором рабочее вещество десорбируется или адсорбируется. Тепло добавляется при десорбции и отводится при адсорбции. Адсорбент не циркулирует в контуре, процесс проходит прерывисто, чередуя адсорбцию и десорбцию.

Компрессионный теплонасос

Устройство и принцип работы теплового насоса

Компрессионный теплонасос использует теплоту испарения. В устройстве циркулирует хладагент, приводимый в действие компрессором, попеременно принимает физические состояния жидкости и газа. Теплоустановка с компрессором применяется часто. Хладагент подаётся по замкнутому кольцу, всасывается компрессором, сжимается и подаётся в конденсатор.

Конденсатор представляет собой теплообменник, в котором тепло после конденсации передаётся жидкости, например, контуру горячей водички или воздуху в помещении. Сжиженный хладагент подаётся в расширительный клапан или капиллярную трубку. Хладагент охлаждается адиабатическим расширением. Давление всасывания устанавливается расширительным устройством в сочетании со скоростью нагнетания компрессора в теплонасосе.

Температура насыщенного пара хладагента ниже температуры окружения. Теплота передаётся от окружающей среды к хладагенту в испарителе и приводит к испарению хладагента. Источником тепла служит окружающий воздух или контур рассола, который поглощает грунтовую тепломощность. Испарённый хладагент всасывается компрессором.

Из описанного выше примера видно, что при использовании теплонасоса с электрическим приводом при требуемом уровне температуры невозможно достичь высокого КПД по сравнению с прямым нагревом. Соотношение улучшается в пользу тепломашины с электрическим приводом, если отработанное тепло при высокой температурке используется в качестве низкого термоисточника. В качестве источника теплоты используют также окружающий воздух или контур рассола, который забирает полезную теплоэнергию грунта.

Тепловой насос: принцип работы с грунтовым источником против воздушного источника

Тепловой насос с грунтовым источником

Геотермальные системы используют тепло непосредственно из природных источников (горячие и вулканические источники, гейзеры). Наземные теплоустройства или насосы GSHP — это кондиционеры, которые используют грунтовые воды или грунт для охлаждения конденсатора вместо наружного теплообменника с вентилятором. Тепловые устройства с воздушным источником обозначается ASHP.

GSHP использует электричество для перекачки теплоты. Запустите помпу в обратном направлении и нагнетайте тепло эффективно, чем прямое использование электричества. При испытаниях оба тепловых аппарата как автономные агрегаты, не включая циркуляционные насосы или воздуходувки, имели коэффициенты производительности (КПД) выше 5 в сезон охлаждения и выше 3 в отопительный сезон.

Независимо от стоимости установки, электрическое отопление (нагреватели плинтуса, бойлеры, тостеры, фены и т.д.) имеет КПД=1, т.е. одна единица электроэнергии производит одну единицу тепла. Получаете в 3 раза больше тепла на каждый доллар, потраченный на теплоагрегат, нежели на электрический нагреватель. Кондиционеры имеют КПД от 2 до 3. Если КПД теплового устройства в режиме охлаждения превышает 5, то можно разумно ожидать, что эксплуатационные расходы сократятся вдвое по сравнению с блоком кондиционирования.

Температуры воздуха изменяются намного больше, чем температурные уровни грунта во время года, поэтому геотермальные системы у наземных источников имеют явное преимущество в виде предсказуемых и последовательных условий эксплуатации. Это было проиллюстрировано во время испытаний, так как на работу ASHP отрицательные зимние температуры оказали негативное влияние, чем на GSHP. Тем не менее ASHP поддерживал комфорт в помещении при температурке наружной среды -24 °C без дополнительного нагрева.

Температура земли не опускается ниже рабочей температуры наземного теплонасоса, поэтому не нужна дополнительная система. При температуре -25 °C и ниже с воздушным ASHP возникают проблемы, так как может не обеспечить теплом. Раньше такие помпы работали только до -10 °C.

Установка теплового насоса «Воздух-вода» в этом видео:

Выбор теплового насоса

На первый взгляд покажется нелогичным использовать холодный зимний воздух для обогрева дома, но пока температура выше абсолютного нуля (-273 °C), присутствует некоторое количество теплоэнергии. С ASHP не происходит обмена воздухом изнутри наружу. Тепло забирается снаружи и рассеивается внутри, поскольку внутренний воздух циркулирует через нагретые теплообменники. Летом система реверсирует, чтобы охладить дом.

Наземный теплонасос (GSHP) работает по тому же принципу: отбирает тепло у земли и передаёт для отопления домов. Такова концепция геотермального отопления в двух словах. GSHP работают также и в обратном порядке, чтобы охладить дом, что является важным фактором эффективности системы. При охлаждении дома летом прогреваете почву для следующего отопительного сезона.

В холодных условиях наземный тепловой насос работает эффективнее, чем воздушный, но земля не так легко доступна, как воздух. Либо понадобятся пробурённые скважины, либо, если большой кусок земли, то ройте глубокую траншею и установите горизонтальную петлю. Однако оба варианта дороги. Таким образом, в климатических условиях, когда любой тип системы обеспечивает обогрев и охлаждение в течение года, ASHP имеет явное ценовое преимущество.

Размер дома — ещё одна важная переменная, особенно для наземного источника. Первоначальная стоимость GSHP становится рентабельной при обслуживании большего кондиционированного помещения, так как эта стоимость становится меньшим процентом от бюджета. Увеличение расходов на изоляцию приводит к необходимости тратить меньше средств на инфраструктуру отопления, не говоря уже об экономии средств на эксплуатацию.

Грунтовый тепловой насос. Бурение зондов. (видео)

Выводы

Нет единого правильного ответа при принятии решения, какая система является экономически эффективной для потребителей. При принятии решения взвешивайте переменные величины.

Экономически целесообразно использовать одну и ту же установку для отопления зимой и для охлаждения летом (например, кондиционирование воздуха). При выборе хладагента учитывают низкое давление в конденсаторе и безопасность.

Тепловой насос с грунтовым источником (GSHP) лучше подходят для больших домов и домов с холодным климатом. Воздушный тепловой насос (ASHP) экономически эффективен в небольших и среднего размера домах в умеренном климате.

У ASHP низкие капитальные затраты, но здесь есть и другие соображения, которые не отражаются в анализе окупаемости. Например, производители заявляют, что заземляющий контур GSHP прослужит свыше 50 или даже 100 лет, и в течение срока службы имеете лучший источник и поглотитель теплоэнергии.

Кроме того, в городских условиях ASHP отводят теплоту в окружающий воздух во время сезона охлаждения, что ухудшает городской тепловой остров, в то время как GSHP отбрасывают теплоту в землю для хранения и использования в следующем отопительном сезоне.

Первоначальная стоимость установки ASHP немного выше, чем у электрических или газовых котлов, но окупаются дополнительные инвестиции ежемесячно. Срок окупаемости будет зависеть от тарифов на электроэнергию. В установках для нагрева с воздушным или земляным источником конденсация и перемещение теплоэнергии из одного места в другое гораздо эффективнее, чем выработка тепла. Поэтому тепловые установки являются горячей темой в обсуждениях по созданию рабочих характеристик.

Работа теплового насоса для отопления

В 2015 году впервые представлен холодильник с магнитокалорическим эффектом. В дополнение к бесшумной работе этот холодильник обеспечивает экономию энергии на 35% по сравнению с обычными холодильниками и тепловыми насосами с компрессором.

Желаю сделать правильный выбор!

Автор: Королёв Сергей