Print this page

Тепловые насосы

Тепловые насосы в системе отопления

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 – это устройство, которое работает 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 теплового насоса.

- первичный грунтовый контур – закрытая циркуляционная система, которая состоит с испарителя (теплового насоса), циркуляционного насоса грунтового контура, трубопроводов, и служит для передачи тепла от грунта к тепловому насосу.

- вторичный грунтовый контур – закрытая система, которая состоит с конденсатора (теплового насоса), циркуляционного насоса, трубопроводов, и служит для передачи тепла от теплового насоса к системе отопления в доме. 

Принцип работы теплового насоса похож к работе обыкновенного холодильника, только наоборот. Холодильник отбирает тепло от пищевых продуктов и переносит его наружу. 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 тепловом насосе);

- испаритель (теплообменник, в котором происходит отбор тепла от низкотемпературного источника к тепловому насосу);

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

Конструкция и основные элементы парокомпрессионного теплового насоса показана на рисунке ниже.

Схема теплового насоса

Тепловой насос 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 насос, 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 распостраненными 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 теплового насоса 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 тепловых насосов 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 теплового насоса 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 комплектируются высокоэффективными скролл компрессорами). Коэффициент преобразования (коэффициент трансформации или эффективности) теплового насоса – это соотношение количества тепловой энергии которую производит тепловой насос 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 тепловой насос 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 тепловые насосы производят тепло, используя минимальное количество дорогой электрической энергии.

Температурный уровень теплоснабжения от тепловых насосов — 35-60°С. Экономия дорогих энергетических ресурсов при таком температурном режиме достигает 75 %.

Теоретический коэффициент преобразования идеального теплового насоса рассчитывается по формуле Карно:

ε = Т2/( Т2- Т1),

где Т2 – температура конденсации, а Т1 – температура кипения холодильного агента, которая измеряется в градусах Кельвина. Если бы тепловой насос работал по идеальному циклу, то при температуре кипения +5°С (Т1 = 278К) и при температуре конденсации 55°С (Т2=328К) он мог бы работать 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 тепла 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 тепловой насос 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 теплового насоса в Украине приживается плохо, хотя и имеет свои преимущества (например, в США продажа воздушных тепловых насосов 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 теплового насоса, собирая из нее же крохи тепла – 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  теплового насоса  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 теплового насоса с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления).

Количество часов работы теплового насоса при температуре бивалентности -5°С

В доме со значительными тепловыми потерями ставить тепловой насос большой мощности не выгодно. Потому что он будет работать 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 теплонасоса выбирают ровной 70-80% от расчетной отапливаемой нагрузки, при этом он будет покрывать все потребности дома в тепле до тех пор, пока внешняя температура воздуха не опустится ниже определенного расчетного уровня (температура бивалентности), например минус 10-15°С. С этого момента в работу включается второй генератор тепла. Есть много вариантов использования теплового насоса 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 теплового насоса

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 теплових насосов. Попадание жидкости вместе с паром на вход компрессора может повредить его клапаны, а поступление большого количества жидкого хладоагента в компресор теплонасоса может вообще вывести его из строя (если не приняты предупредительные меры).

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

 

Термодинамический цикл теплового насоса 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 тепла при расширении рабочего тела.

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

Термодинамический цикл теплового насоса 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 температуре (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 тепла. 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.

Реальный парокомпрессионный цикл теплового насоса

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.

Главным компонентом теплового насоса 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 температуры на выходе из компрессо­ра, которая ограничивается стойкостью выхлопных клапанов.

Другое существенное отклонение от идеализированного цикла теплового насоса 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 температуру. 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 теплового насоса является отдача тепла 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.

Парокомпрессионный цикл теплового насоса с использованием хладагента R–134а в диаграмме

Рассчитаем СОР для теплового насоса, в котором используется хладагент R-134a.

Во-первых, необходимо выбрать температуры испарения и конденсации хладагента. Они зависят от размеров теплообменников.

Примем температуры испарения и конденсации равными – Тисп=8°С и Тконд=40°С.

Изображение цикла всегда начинается со сжатия. Примем, что перегрев пара на входе в компрессор (т.А на рисунке выше) составляет 5°С, тогда температура перед компрессором будет составлять ТА=13°С.

В точке А удельная энтальпия равна

 .

Проведя по изоэнтропе линию до пересечения с изобарой 1,5 МПа, соответствующей температуре конденсации 40°С, получим условия на выходе из компрессора в точке В с удельной энтальпией

.

Реальные условия на выходе из компрессора в точке С рассчитываются при помощи изоэнтропийного КПД:

,

откуда следует, что при (для поршневого компрессора)

 

энтальпия в точке С составляет 

.

Изменение энтальпии в конденсаторе и соответствующую точку D при

,

находим по пересечению изобары конденсации с левой пограничной кривой, пренебрегая при этом падением давления при теплообмене.

В точку Е придем путем дросселирования (при постоянной энтальпии) жидкого хладагента к начальным параметрам.

Таким образом, для реального цикла коэффициент преобразования (трансформации) COP теплового насоса определяется по зависимости

Кроме того, следует помнить о механическом КПД компрессора, который требует затраты дополнительной работы. Итак, полный коэффициент преобразования (трансформации) COP теплового насоса составляет

 

Поскольку тепловой насос достаточно сложное устройство, обладающее современной автоматикой,  не пытайтесь сделать его своими руками! Кроме того, вы должны понимать, что не достаточно просто купить тепловой насос, система нуждается в правильном расчете, квалифицированных проектировщиках и качественном монтаже.

по материалам http://progress21.com.ua

Типы тепловых насосов. 

Существует несколько типов тепловых насосов. Отличие заключается в источнике низкопотенциального тепла и в системе отопления.

Основные типы тепловых насосов:

Вода-вода
Грунт-вода (рассол-вода)
Воздух-вода

Системы с источником "вода".

     Если на приемлемой глубине доступны грунтовые воды, то используется тепловой насос «вода-вода» или «вода-воздух». При этом благодаря высокой теплоемкости воды, эффективность системы будет очень высока. Постоянная температура грунтовых вод около +8°C - +12°C гарантирует оптимальный источник низкопотенциального тепла. Грунтовые воды перекачиваются из одной скважины в тепловой насос, отдают там тепло, а оттуда переливаются в другую скважину (сливную), удаленную на определенное расстояние.
 Тепловой насос с источником
 
     Коллектор, использующий теплоту поверхностных вод. Озера, моря и реки подходят для получения тепла при размещении на их дне теплообменника.
 Тепловой насос с водяным коллектором
 

Системы с источником "грунт".

     Грунтовые системы делятся на вертикальные и горизонтальные.
     Горизонтальные земляные коллекторы используют солнечную энергию, накопленную в верхних слоях грунта. Температура почвы остается на довольно высоком уровне даже в холодные зимние дни. По трубам коллектора, погруженного на определенную глубину, течет незамерзающая жидкость, соответствующая экологическим требованиям, которая передает полученное тепло к испарителю теплового насоса. Существуют различные способы использования энергии почвы:
  1) Горизонтальный коллектор располагается на глубине около 1,2м. Горизонтальный коллектор применяется, если есть достаточно территории.
  2) Траншейный коллектор требует немного меньшего пространства. Потребуется приблизительно в 1-1,5 раза больше территории, чем отапливаемое пространство.
 тепловой насос с горизонтальным коллектором
 
  3) Гораздо меньше места требуют вертикальные геотермальные зонды, которые вводятся буровым инструментом на глубину до 100м. Геотермальные зонды состоят из замкнутых труб. Геотермальный зонд отбирает тепло так же, как почвенный коллектор. Количество тепла, которое отбирает зонд, составляет от 30 до 100 Вт на метр зонда, что зависит от теплофизических свойств грунта.
 Тепловой насос с вертикальным коллектором
 

Системы с источником "воздух".

     Нагретый воздух имеется в наличии всюду. Тепловые насосы даже при -20°C наружного воздуха дают достаточно тепла. Однако воздух как источник тепла имеет существенный недостаток: при низких температурах от -10°C производительность и коэффициент трансформации теплового насоса значительно снижаются. Преимуществом воздушного теплового насоса является отсутствие дополнительных грунтовых работ.
 Тепловой насос, использующий теплоту воздуха
 


Преимущества теплонасосных технологий:

  1. Экономичность - позволяют значительно сократить расходы на отопление, горячее водоснабжение, кондиционирование.

  2. Безопасность - нет открытого пламени, нет выхлопа, нет сажи, нет запаха солярки, исключена утечка газа, разлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута или солярки.

  3. Надежность - практически не требует обслуживания. Срок службы теплового насоса составляет до 50 лет.

  4. Экология - экологически чистый метод отопления и кондиционирования, т.к. не выбрасываются вредные CO2, NOХ, приводящие к нарушению озонового слоя и кислотным дождям. Нет сжигаемого топлива и не используются запрещенные хладагенты. 

  5. Комфорт - тепловой насос работает устойчиво, практически бесшумно и полностью в автоматическом режиме.

  6. Высокая эффективность системы при нагреве воды для бассейнов.

по материалам ecothermo.com.ua

Read 2586 times