Принцип действия, виды и эффективность тепловых насосов
Самым древним способом добычи тепла для обогрева дома было сжигание древесины. Затем для этого использовались торф, уголь, газ. Но все эти источники постепенно истощаются, и постепенно человек стал изобретать более сложные способы добычи тепла и аппаратуру для их реализации. В частности, был разработан тепловой насос. Для функционирования тепловых насосов требуется электричество. Но оно не используется непосредственно для выработки тепла, как в тепловых пушках. Тепловой насос на самом деле не создаёт тепло, а переносит его из окружающей среды в систему отопления дома. Электрическая энергия, потребляемая насосом, расходуется на сжатие и циркуляцию хладагента. Последний является рабочей средой, которая перемещает тепло из ОС в систему отопления и ГВС. В этой статье мы подробно поговорим о принципе действия тепловых насосов, их видах, плюсах и минусах.
Содержание статьи
Экскурс в прошлое
Впервые принцип действия теплового насоса сформулировал ещё Уильям Томсон (более известный как Лорд Кельвин) в 1852 году. В 1855 австриец Петером Риттер фон Риттингер усовершенствовал эту конструкцию и первым спроектировал тепловой насос. Однако реальное применение началось лишь век спустя. В 1940-е годы Роберт Вебер пришёл к разработке теплового насоса во время экспериментов с морозильной камерой. Он стал использовать тепловой насос с бойлером и обеспечил свой дом горячей водой.
Тепловой насос Петера Риттер фон Риттингера
Вебер также сделал усовершенствования, которые позволили нагревать воздух и воду. Он организовал циркуляцию горячей воду через змеевик, который обдувался небольшим вентилятором. В результате получилось некое подобие современной тепловой пушки для обогрева помещения.
В дальнейшем Вебер занялся конструкцией теплового насоса, который позволяет отбирать тепло из грунта, где температура постоянна в течение года. Аппарат предусматривал трубы из меди, уложенные в грунт. По ним циркулировал фреон, исполняющий роль хладагента. При конденсации фреон отдавал тепло в систему отопления и снова попадал в трубы для отбора тепла от грунта. Змеевик с горячим хладагентом обдувался воздухом и расходился по дому.
Реальная потребность в тепловых насосах возникла в 1970-х годах прошлого столетия во времена Арабского нефтяного эмбарго.
Вернуться к содержанию
Принцип работы
Уже давно известно, что тепло передаётся самостоятельно от более горячего предмета к тому, что холоднее. Это было закреплено в одной из формулировок 2 закона термодинамики. Для того чтобы передать тепло в обратном направлении, требуется использовать теплоноситель и провести с ним определённые действия. Для этих целей и служит тепловой насос. Для его работы требуется энергия. Количество затрачиваемой энергии тем больше, чем больше разница температур между средами, которые участвуют в этом процессе.
Конструкция самого простого теплового насоса включает в себя 2 теплообменника. Один из них называется испаритель, а второй ─ конденсатор. В испарителе поддерживается температура ниже той среды, у которой отбирается тепло. В роли такой среды может быть вода, грунт, воздух и т. п. В результате тепло переходит к хладагенту, имеющему более низкую температуру.
Конденсатор имеет температуру выше температуры той среды, которой должно быть передано тепло. Этой средой, а точнее телом, является система отопления. Эта разница температур между испарителем и конденсатором обеспечивается благодаря хладагенту, который циркулирует между ними. Он может изменять своё фазовое состояния, переходить из жидкого состояния в газообразное в зависимости от уровня давления.
Принцип действия теплового насоса
В роли хладагентов используются легкокипящие химические вещества, которые при определённом давлении в компрессоре переходят из жидкого в газообразное состояние и, наоборот. Компрессор в составе теплового насоса является основным потребителем электрической энергии. Если немного углубиться в теорию, то можно сказать следующее. Движение молекул в каком-либо веществе прекращается только при абсолютном нуле. Но если температура отлична от этого значения, то молекулы двигаются и у этой среды можно забрать тепло (кинетическая энергия) и переместить её в другое тело или среду.
Конечно, при этом должна быть совершена определённая работа, для которой требуется некоторая энергия. Если отбор совершается от слишком холодного тела, то вполне может оказаться так, что затраты энергии будут существенно больше количества тепла, которое обирается. Так, что нужно всегда помнить о существовании определённой границы, за которой использование теплового насоса становится нецелесообразным.
Большинство используемых сегодня теплонасосов являются парокомпрессионными. Есть также такие разновидности, как
- Абсорбционные;
- Термоэлектрические;
- Электрохимические.
Работу тепловых насосов, как правило, характеризуют по величине коэффициента трансформации энергии (Ктр), который определяется по формуле:
Ктр = Твых / (Твых — Твх), где
Твых – температура на выходе насоса;
Твх – температура на входе насоса.
То есть, Ктр – это соотношение тепла, которое идёт в систему теплоснабжения, к энергии, которая тратится на обеспечение функционирования теплового насоса. В реальности коэффициент Ктр отличается от того, что рассчитывается по этой формуле. Разница равна величине коэффициента h, который учитывает энергетические потери и степень термодинамического совершенства. Энергия также расходуется на обеспечение работы запорной арматуры, насосов, управляющих схем и т. п.
На степень термодинамического совершенства влияют много параметров. Среди них можно выделить мощность компрессора, качество исполнения самого теплового насоса. Кроме того, влияние оказывают необратимые энергетические потери. Это энергетические потери на преодоление силы трения, потерь тепла в трубопроводах и соединениях, в механических и электрических двигателях. Стоит также отметить неидеальность процессов, происходящих в конденсаторе и испарителе. Хладагент в таких системах также имеет неидеальных теплофизические характеристики.
Основная часть энергии, потребляемой тепловым насосом, идёт на выполнение термодинамического цикла компрессора. Поэтому коэффициент преобразования, описанный выше, зависит от дельты температур в конденсаторе и испарителе. Уровень температуры на выходе в современных насосах изменяется в интервале 35─55 градусов Цельсия. Так, что их можно использовать в любых системах отопления. Диапазон мощности выпускаемых тепловых насосов находится в диапазоне 5─1000 кВт.
Вернуться к содержанию
Виды тепловых насосов
Наиболее распространённый способ классификации тепловых насосов – это по типу среды, где находится первичный контур, и откуда отбирается тепло.
По этой классификации можно выделить следующие виды тепловых насосов:
- Грунт-вода или геотермальные;
- Вода-вода или гидротермальные;
- Воздух-вода или аэротермальные;
- Воздух-воздух.
У всех этих видов насосов одинаковый принцип работы. Однако среда оказывает влияние на конструкцию и работу агрегата. Давайте, рассмотрим основные отличия этих типов установок.
Грунт-вода
В этом случае первичный контур укладывают в грунт на глубине 5─6 метров. Такая система предусмотрена, если теплообменник горизонтальный. Если контур делается вертикальный, то делают скважину на 100─150 метров.
Тепловой насос Грунт-вода
При вертикальном размещении объем монтажных работ меньше. При горизонтальном теплообменнике требуется большая площадь, по которой распределяются трубы. На 1 тысячу ватт отдачи теплового насоса требуется 50 квадратных метров площади. Теплоносителем здесь является соляной раствор, который не замерзает при минусовых температурах.
Вернуться к содержанию
Вода-вода
Здесь первичный контур устанавливается в естественном или искусственном водоёме. Это может быть даже незамерзающая река или колодец.
Тепловой насос Вода-вода
Труба с теплоносителем должна находиться на глубине примерно двух метров. Это необходимо, чтобы при промерзании поверхностного слоя не был повреждён коллектор. То есть, здесь нужно тщательно подходить к выбору водоёма. Монтаж контура заключается в его «утоплении» на необходимую глубину с помощью грузил. В роли теплоносителя выступает тот же соляной раствор.
В этом случае монтаж гораздо менее трудоёмкий, чем у насосов грунт-вода. Так, что если рядом есть водоем, то установка типа вода-вода будет лучшим выбором.
Вернуться к содержанию
Воздух-вода
Эти системы во многом похожи на кондиционер, но больших размеров, и работающих в более широком температурном диапазоне. Первичный контур находится на улице в специальном коробе. Чтобы система была работоспособной в зимний период, часто систему вентиляции здания объединяют с внешний блоком теплового насоса.
Тепловой насос Воздух-вода
В данном случае преимуществом является простота конструкции и монтажа. Но в северных широтах зимой эти установки неэффективны.
Вернуться к содержанию
Воздух-воздух
Здесь, как и в предыдущем типе насоса, источником тепла является низкопотенциальная энергия воздуха. Принцип действия практически полностью повторяет таковой у кондиционеров. Различие только в специализации. Кондиционер в основном предназначен для охлаждения воздуха, хотя может и нагревать. А тепловой насос специализируется на нагреве воздуха.
Тепловой насос Воздух-воздух
От предыдущего типа насоса он отличается тем, что тепло передается не воде, а воздуху. Эти системы малоэффективны в зимнее время года.
Вернуться к содержанию
Эффективность тепловых насосов и ограничения по использованию
Основная характеристика, по которой оценивается эффективность тепловых насосов, COP. Это расшифровывается, как coefficient of performance, что в переводе на русский означает коэффициентом преобразования теплоты. Для расчёта COP применяется следующая формула:
COP = Qc/A или COP = Qi*k/A, где
COP – оценочный коэффициент без размерности;
A ─ работа насоса, выраженная в Джоулях;
Qi ─ тепло, отбираемое теплоносителем из окружающей среды в Джоулях;
Qc – тепло, отдаваемое в систему отопления и/или ГВС в Джоулях;
K ─ коэффициент полезного действия.
По величине A можно оценить работу, совершаемую тепловым насосом для того, чтобы переместить тепло из ОС в систему. Работа зависит от того, насколько различаются температуры в конденсаторе и испарителе. В любом случае температура теплоносителя во внешнем контуре должна быть ниже, чем у среды. Тогда энергия будет свободно перемещаться к теплоносителю (например, циркулирующему соляному раствору).
Коэффициент COP равное трём, говорит о том, что работа теплового насоса в три раза меньше, чем переносимое тепло. Но это только в случае КПД равном 1, что соответствует только идеальному состоянию. В реальности он всегда меньше единицы. Поэтому важно, чтобы использовался более ёмкий источник низкопотенциальной тепловой энергии, который не охлаждается в процессе использования. То есть, запас тепла используемой среды был, как можно больше. Запас тепла рассчитывается по формуле
С*m*T, где
- С ─ теплоёмкость;
- m ─ масса;
- T ─ температура.
Рабочее тело в «горячей» части насоса представляет собой сжатый газ. В дальнейшем проводится его охлаждение до температуры ниже, чем у источника низкопотенциальной энергии. Газ, проходя через этот контур, нагревается и процесс запускается вновь. Так работает система в самом простом варианте. Но, чтобы увеличить эффективность работы тепловых насосов, в качестве переноса тепла используется вещество с большим значением теплоёмкости. В большинстве случаев водные растворы. А вот в компрессоре должно использоваться рабочее тело, которые сжимается при минимальных затратах энергии. В этом случае подходит газ. Чаще всего используется фреон.
КПД тепловых насосов при расчёте по стандартной методике превышает 1, чего не может быть в принципе. Получается, что тепловой насос производит энергии больше, чем потребляет. Но такие расчёты учитывают только электрическую энергию, а тепло грунта, воздуха, воды в расчёт не берётся. Для правильного расчёта должно быть учтено как затраченное электричество, так и тепло из среды, откуда оно отбирается. При этом на практике достаточно сложно оценить количество тепла, переносимого из среды с низкопотенциальной энергией.
Когда тепло из среды учтено, КПД в расчёте всегда будет меньше 1, как это и должно быть. Помимо КПД для оценки эффективности используются степень термодинамического совершенства и коэффициент COP. Чаще всего используется COP, показывающий во сколько раз переданное тепло выше, чем работа, затраченная на перенос этого тепла. В современных моделях тепловых насосов COP находится на уровне 3─5. По степени термодинамического совершенства можно оценить приближённость тепловой цикл в насосе к идеальному варианту.
Вернуться к содержанию
Преимущества и недостатки
Тепловые насосы постепенно совершенствуются и находят применение в частных домах и на промышленных объектах. Постепенно количество используемых тепловых насосов растёт благодаря их экономичности и надёжности. При всех плюсах у них есть и свои минусы.
Сначала преимущества тепловых насосов:
- Работа в полностью автоматическом режиме;
- Экономия на обслуживание системы;
- Не загрязняют окружающую среду (нет продуктов горения) и токсинов;
- Хорошая интегрируемость с традиционными электрическими и газовыми котлами;
- Высокая пожарная безопасность.
Теперь о недостатках тепловых насосов:
- Существенные первоначальные вложения в оборудование и монтаж. Примерно 3─10 тысяч долларов США в зависимости от типа насоса;
- В зимний период (при морозе ниже 15 градусов Цельсия) практически все виды насосов становятся малоэффективными;
- Отопление с помощью тепловых насосов будет эффективным в тех системах, где используется теплоноситель с высокой теплоёмкостью.
Стоит также отметить, что срок окупаемости тепловых насосов составляет от 4 до 9 лет. Служат они до 20 лет, после чего требуется капитальных ремонт. Стоимость оборудования может снизиться только в условиях серьёзного расширения использования тепловых насосов. Самое главное направление развития – это ГВС и обогрев в частном секторе. Существуют системы, в которых совмещён тепловой насос и использование геотермальных источников. Сам геотермальный источник для этих целей может быть естественным или искусственным.
Также перспективным является совмещение тепловых насосов с имеющимися системами централизованного обогрева и ГВС. Например, в дом поступает не сильно нагретая вода, а с помощью теплового насоса она преобразуется до температуры, подходящей для отопления. Благодаря меньшей разнице температур по сравнению с грунтом или водоёмом этот вариант будет иметь более высокую эффективность.
Вернуться к содержанию
Опрос
Загрузка ...
Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Это поможет развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье, а также отзывы об использовании тепловых насосов оставляйте в комментариях.
Вернуться к содержанию
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
