Описание работы теплового насоса.

• Технология.

• Компрессионный цикл.

• Область применения тепловых насосов.

ТЕПЛОВОЙ НАСОС

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 = +8°С и tотоп= +65°С 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 1°С 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 = +40°С равен 7,8.

Тепловой насос имеет следующие основные элементы : 

1. Компрессор - всасывает парообразный хладагент, поступающий от испарителя при низкой температуре и низком давлении, производит его сжатие, повышая давление и температуру, и направляет затем к конденсатору. В зависимости от условий работы теплового насоса, давление паров хладагента на выходе компрессора может составлять 15-25 атм, а температура 70-90 0C.

2. Конденсатор представляет собой теплообменный аппарат, который передает тепловую энергию от хладагента окружающей среде. Чаще всего воде или воздуху. Тепловая энергия, передаваемая хладагентом через конденсатор, складывается из: " тепла, поглощенного испарителем холодильного контура, " тепла, вырабатываемого компрессором при сжатии хладагента. Второй рабочей средой конденсатора, помимо хладагента, может служить окружающий воздух (конденсаторы с воздушным охлаждением) или жидкость (конденсаторы с водяным охлаждением).

3. Испаритель служит для охлаждения рабочей среды - воздуха или воды, т.е. забирает энергию у низкопотенциального источника. Соответственно эти теплообменники подразделяются на испарители для охлаждения воды или жидкостей, содержащих антифриз, и для охлаждения воздуха.

4. Вентилятор обеспечивает обдув воздухом конденсатора и испарителя.

5. Регулятор потока служит для дозированной подачи жидкого хладагента из области высокого давления (от конденсатора) в область низкого давления (к испарителю).

6. Четырехходовый (реверсивный) клапан переключает направление потоков хладагента для изменения работы машины с режима обогрева на охлаждение и обратно.

КОМПРЕССИОННЫЙ ЦИКЛ

Принципиальная схема обогрева и охлаждения показана на рисунке

Рисунок - Схема компрессионного цикла теплового насоса

Начнем рассмотрение работы цикла с выхода испарителя (участок 1)- Здесь хладагент находится в парообразном состоянии, с низким давлением и температурой. Парообразный хладагент всасывается компрессором, который повышает его давление до 15-25 атм. и температуру до 70-900С (участок 2-2).

Далее в конденсаторе горячий парообразный хладагент охлаждается и конденсируется, т.е. переходит в жидкую фазу. При этом тепло передается в воду или воздух и идет на обогрев помещений.

На выходе из конденсатора (точка 3) хладагент находится в жидком состоянии при высоком давлении. Затем хладагент в жидкой фазе при высокой температуре и давлении поступает в регулятор потока, где давление смеси резко уменьшается, часть жидкости при этом может испариться, переходя в парообразную фазу.

Таким образом, в испаритель попадает смесь пара и жидкости. (точка 4). Жидкость кипит в испарителе, отбирая тепло от окружающей среды (источника тепла), и вновь переходит в парообразное состояние. Перегретый пар выходит из испарителя (точка 1) и цикл возобновляется.

Таким образом, хладагент постоянно циркулирует по замкнутому кругу, меняя свое агрегатное состояние с жидкого на парообразное и наоборот. В испарителе происходит отбор низкопотенциальной энергии у источника с относительно низкой температурой, а в конденсаторе - выделение "концентрированной" энергии в систему распределения тепла здания.

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.

1 Систему с ТН наиболее экономично устанавливать в новом здании. Т.к. технологию относительно легко внедрять, также можно экономично заменить существующую систему при ее износе.

2 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.

3 В климатах с высокими перепадами дневных температур, ТН  показывает превосходную эффективность.

4 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.

5 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.

6 На территориях с невысокими расходами на бурение могут быть особенно привлекательными геотермальные системы с вертикальным грунтовым теплообменником.

7 В местах с высокой влажностью почвы и высоким уровнем грунтовых вод, размер подземной соединенной системы уменьшен, что приводит к общей экономии.