Home » Misc » Тепловые насосы это что такое

Тепловые насосы это что такое


Принцип действия теплового насоса | Viessmann

Принцип работы теплового насоса очень напоминает по своей сути работу холодильника. В то время как холодильник отводит тепловую энергию и направляет ее наружу, то есть из внутренней части холодильника, тепловой насос делает наоборот: он забирает тепловую энергию от окружающей среды за пределами помещения и преобразует ее в полезную для отопления. Тепловой насос может забирать тепловую энергию как из воздуха внутри помещения или снаружи, так и из грунтовых вод и почвы. И поскольку температура полученного тепла, как правило, не достаточна для того, чтобы отапливать здание или обеспечивать его горячей водой, в дело вступает термодинамический процесс.

В независимости от того, какой тип теплового насоса используется для отопления, в функционал теплового насоса также входит процесс охлаждения, который происходит в четыре этапа.

1. Испарение

Для того, чтобы начать процесс испарения жидкости, необходима энергия. Этот процесс можно наблюдать на примере с водой. Если емкость с водой нагревается до 100 градусов Цельсия (тепловая энергия подается) вода начинает испаряться. При дальнейшем подаче тепловой энергии температура воды не повышается. Вместо этого вода полностью преобразуется в пар.

2. Сжатие газа

При сжатии газа, например воздуха (давление увеличивается), также повышается температура. Вы можете наблюдать это например, если вы придержите отверстие в велосипедном воздушном насосе и начнете процесс "накачки" воздуха, вы почувствуете тепло.

3. Конденсация


Согласно закону сохранения энергии при конденсации водяного пара, высвобождается тепловая энергия, которая ранее использовалась для испарения.

4. Расширение

При резком снижении давления в жидкости, находящейся под давлением, температура снижается в несколько раз. Это можно наблюдать на примере баллона с сжиженным газом для кемпинговой горелки. Открытие клапана может привести к образованию льда на клапане баллона с жидким газом даже летом. (Здесь давление снижается с 30 бар до 1 бар.)

Постоянное повторение процесса


Эти процессы происходят внутри теплового насоса в замкнутом контуре. Для транспортировки тепла используется жидкость (хладагент), которая испаряется при очень низких температурах. Чтобы испарить эту жидкость, используется тепловая энергия из земли или наружного воздуха. Для этого достаточно даже температуры в минус 20 градусов по Цельсию. Холодные пары хладагента затем очень сильно сжимаются компрессором. При этом их температура возрастает до 100 градусов Цельсия. Эти пары хладагента конденсируются и отдают тепло в систему отопления. Затем давление жидкого хладагента на расширительном клапане сильно снижается. При этом температура жидкости снижается до исходного уровня. Процесс может начинаться заново.

Процесс на примере воздушно-водяного теплового насоса


Проще всего объяснить этот процесс на примере воздушно-водяного теплового насоса: тепловой насос "воздух-вода" может состоять из одной или двух составляющих. В обоих случаях встроенный вентилятор активно  направляет  окружающий воздух в теплообменник. Через теплообменник проходит хладагент, который переходит из одного состояния в другое при очень низких температурах. Внутри теплообменника хладагент нагревается воздухом из окружающей среды  и постепенно переходит в газообразное состояние. Для повышения температуры, возникающих при этом паров, используется компрессор. Он сжимает пары хладагента и увеличивает как давление, так и их температуру до требуемого значения.

Другой теплообменник (конденсатор) затем передает тепло от нагретых паров хладагента на отопление (теплые полы, радиаторы, буферная емкость или водонагреватель). Хладагент, находящийся под давлением отдает тепло, его температура падает и он снова переходит в жидкое состояние. Перед тем, как поступить обратно в контур, хладагент сначала расширяется в расширительном клапане. После того, как он достигнет своего исходного состояния, процесс процесс в холодильном контуре может начинаться с самого начала.

Тепловой насос | это... Что такое Тепловой насос?

Воздушный тепловой насос

Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой[1]. Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Содержание

  • 1 Общие сведения
  • 2 История
  • 3 Эффективность
    • 3. 1 Условный КПД тепловых насосов
  • 4 Типы тепловых насосов
  • 5 Типы промышленных моделей
    • 5.1 Отбор тепла от воздуха
    • 5.2 Отбор тепла от горной породы
    • 5.3 Отбор тепла от грунта
    • 5.4 Непосредственный теплообмен DX
    • 5.5 Разное
    • 5.6 Отбор тепла от водоёма
  • 6 Преимущества и недостатки
  • 7 Перспективы
    • 7.1 Ограничения применимости тепловых насосов
  • 8 COP
  • 9 Основные схемы отопления с применением тепловых насосов
    • 9.1 Стандартные объекты обогрева
  • 10 Примечания
  • 11 См. также

Общие сведения

Основу эксплуатируемого сегодня в мире парка теплонасосного оборудования составляют парокомпрессионные тепловые насосы, но применяются также и абсорбционные, электрохимические и термоэлектрические. Эффективность тепловых насосов принято характеризовать величиной безразмерного коэффициента трансформации энергии К тр, определяемого для идеального цикла Карно по следующей формуле:


где  — температуры соответственно на выходе и на входе насоса.

где: Тоut-температурный потенциал тепла, отводимого в систему отопления или теплоснабжения, К; Тіn -температурный потенциал источника тепла , К. Коэффициент трансформации теплового насоса, или теплонасосной системы теплоснабжения (ТСТ) Ктр представляет собой отношение полезного тепла, отводимого в систему теплоснабжения потребителю, к энергии, затрачиваемой на работу теплонасосной системы теплоснабжения, и численно равен количеству полезного тепла, получаемого при температурах Тоut и Тin, на единицу энергии, затраченной на привод ТН или ТСТ. Реальный коэффициент трансформации отличается от идеального, описанного формулой (1 1), на величину коэффициента h, учитывающего степень термодинамического совершенства ГТСТ и необратимые потери энергии при реализации цикла. В[2] приведены зависимости реального и идеального коэффициентов трансформации (К тр) теплонасосной системы теплоснабжения от температуры источника тепла низкого потенциала Тin и температурного потенциала тепла, отводимого в систему отопления Тоut. При построении зависимостей, степень термодинамического совершенства ТСТ h была принята равной 0,55, а температурный напор (разница температур хладона и теплоносителя) в конденсаторе и в испарителе тепловых насосов был равен 7 °C. Эти значения степени термодинамического совершенства h и температурного напора между хладоном и теплоносителями системы отопления и теплосбора представляются близкими к действительности с точки зрения учета реальных параметров теплообменной аппаратуры (конденсатор и испаритель) тепловых насосов, а также сопутствующих затрат электрической энергии на привод циркуляционных насосов, систем автоматизации, запорной и управляющей арматуры. В общем случае степень термодинамического совершенства теплонасосных систем теплоснабжения h зависит от многих параметров, таких, как: мощность компрессора, качество производства комплектующих теплового насоса и необратимых энергетических потерь, которые, в свою очередь, включают: — потери тепловой энергии в соединительных трубопроводах; — потери на преодоление трения в компрессоре; — потери, связанные с неидеальностью тепловых процессов, протекающих в испарителе и конденсаторе, а также с неидеальностью теплофизических характеристик хладонов; — механические и электрические потери в двигателях и прочее.

В табл.1-1 представлены «средние» значения степени термодинамического совершенства h для некоторых типов компрессоров, используемых в современных теплонасосных системах теплоснабжения.

Таблица 1-1. Эффективность некоторых типов компрессоров, используемых в современных теплонасосных системах теплоснабжения [источник не указан 367 дней]

Мощность, кВт Тип компрессора Эффективность
(степень термодинамического совершенства)
h, доли ед.
300−3000 Открытый центробежный 0,55-0,75
50-500 Открытый поршневой 0,5-0,65
20-50 Полугерметичный 0,45-0,55
2-25 Герметичный, с R-22 0,35-0,5
0,5-3,0 Герметичный, с R-12 0,2-0,35
<0,5 Герметичный <0,25

Как и холодильная машина, тепловой насос потребляет энергию на реализацию термодинамического цикла (привод компрессора). Коэффициент преобразования теплового насоса — отношение теплопроизводительности к электропотреблению — зависит от уровня температур в испарителе и конденсаторе. Температурный уровень теплоснабжения от тепловых насосов в настоящее время может варьироваться от 35 °C до 62 °C . Что позволяет использовать практически любую систему отопления. Экономия энергетических ресурсов достигает 70 %[3]. Промышленность технически развитых стран выпускает широкий ассортимент парокомпрессионных тепловых насосов тепловой мощностью от 5 до 1000 кВт.

История

Концепция тепловых насосов была разработана ещё в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (Лордом Кельвином) и в дальнейшем усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером (Peter Ritter von Rittinger). Петера Риттера фон Риттингера считают изобретателем теплового насоса, ведь именно он спроектировал и установил первый известный тепловой насос в 1855 году[4] . Но практическое применение тепловой насос приобрел значительно позже, а точнее в 40-х годах ХХ столетия, когда изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер (Robert C. Webber) экспериментировал с морозильной камерой[5] . Однажды Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе камеры и понял, что тепло просто выбрасывается наружу. Изобретатель задумался над тем, как использовать это тепло, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В результате Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть тепла от нагретой воды попадала в воздух. Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника тепла можно нагревать и воду, и воздух одновременно, поэтому Вебер усовершенствовал своё изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять тепло по дому с целью его отопления. Со временем именно у Вебера появилась идея «выкачивать» тепло из земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон, который «собирал» тепло земли. Газ конденсировался, отдавал своё тепло в доме, и снова проходил через змеевик, чтобы подобрать следующую порцию тепла. Воздух приводился в движение с помощью вентилятора и распространялся по дому. В следующем году Вебер продал свою старую угольную печь.
В 40-х годах тепловой насос был известен благодаря своей чрезвычайной эффективности, но реальная потребность в нём возникла в период Арабского нефтяного эмбарго в 70-х годах, когда, несмотря на низкие цены на энергоносители, появился интерес к энергосбережению.

Эффективность

В процессе работы компрессор потребляет электроэнергию. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина.

По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество источника низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом деле, при этом растёт эффективность теплового насоса, поскольку при слабом охлаждении источника тепла не происходит значительного роста разницы температур. По этой причине тепловые насосы делают так, чтобы масса низкотемпературного источника тепла была значительно большей, чем нагреваемая масса. Для этого, также, необходимо увеличивать площади теплообмена, чтобы перепад температур между источником тепла и холодным рабочим телом, а также между горячим рабочим телом и отапливаемой средой был поменьше. Это снижает затраты энергии на отопление, но приводит к росту габаритов и стоимости оборудования.


Проблема привязки теплового насоса к источнику низкопотенциального тепла, имеющего большую массу может быть решена[источник не указан 1318 дней] введением в тепловой насос системы массопереноса, например, системы прокачки воды. Так устроена система центрального отопления Стокгольма.

Условный КПД тепловых насосов

Даже современные парогазотурбинные установки на электростанциях выделяют большое количество тепла, что и используется в когенерации. Тем не менее, при использовании электростанций, которые не генерируют попутное тепло (солнечные батареи, ветряные электростанции, топливные элементы) применение тепловых насосов имеет смысл, так как такое преобразование электрической энергии в тепловую более эффективно, чем использование обычных электронагревательных приборов.

В действительности приходится учитывать накладные расходы по передаче, преобразованию и распределению электроэнергии (то есть услуги электрических сетей). В результате[источник не указан 600 дней] отпускная цена электричества в 3-5 раз превышает его себестоимость, что приводит к финансовой неэффективности использования тепловых насосов по сравнению с газовыми котлами при доступном природном газе. Однако, недоступность углеводородных ресурсов во многих районах приводит к необходимости выбора между обычным преобразованием электрической энергии в тепловую и с помощью теплового насоса, который в данной ситуации имеет свои преимущества.

Типы тепловых насосов

Схема компрессионного теплового насоса.
1) конденсатор, 2) дроссель, 3) испаритель, 4) компрессор.

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива).
В зависимости от источника отбора тепла тепловые насосы подразделяются на[6] :

1) Геотермальные (используют тепло земли, наземных либо подземных грунтовых вод
а) замкнутого типа

Коллектор размещается кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (обычно от 1,20 м и более)[7]. Такой способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур.

  • вертикальные

Коллектор размещается вертикально в скважины глубиной до 200 м[8]. Этот способ применятся в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет разместить контур горизонтально или существует угроза повреждения ландшафта.

  • водные

Коллектор размещается извилисто либо кольцами в водоеме (озере, пруду, реке) ниже глубины промерзания. Это наиболее дешевый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объёму воды в водоеме для конкретного региона.
б) открытого типа
Подобная система использует в качестве теплообменной жидкости воду, циркулирующую непосредственно через систему геотермального теплового насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе возвращается в землю. Этот вариант возможно реализовать на практике лишь при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии, что такой способ использования грунтовых вод не запрещён законодательством.

2) Воздушные (источником отбора тепла является воздух)

3) Использующие производное (вторичное) тепло (например, тепло трубопровода центрального отопления). Подобный вариант является наиболее целесообразным для промышленных объектов, где есть источники паразитного тепла, которое требует утилизации.

По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт—вода», «вода—вода», «воздух—вода», «грунт—воздух», «вода—воздух», «воздух—воздух».

Типы промышленных моделей

Тепловой насос «солевой раствор — вода»[9]

По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на восемь типов: «грунт—вода», «вода—вода», «воздух—вода», «грунт—воздух», «вода—воздух», «воздух—воздух» «фреон—вода», «фреон—воздух» . Почти все вновь выходящие на рынок устройства используют тепло выпускаемого из помещения воздуха. Также фильтруют и увлажняют при необходимости всасываемый извне воздух.

Отбор тепла от воздуха

Эффективность и выбор определённого источника тепловой энергии сильно зависит от климатических условий, особенно, если источником отбора тепла является атмосферный воздух. По сути этот тип более известен в виде кондиционера. В жарких странах таких устройств десятки миллионов. Для северных стран наиболее актуален именно обогрев зимой. Системы «воздух-воздух» используются и зимой при температурах до минус 25 градусов, некоторые модели продолжают работать до −40 градусов. Но их эффективность резко падает. При более сильных морозах нужно дополнительное отопление.

Отбор тепла от горной породы

Скальная порода требует бурения скважины на достаточную глубину (100 −200 метров) или нескольких таких скважин. В скважину опускается U-образный груз с двумя пластиковыми трубками, составляющими контур. Трубки заполняются антифризом. По экологическим соображениям это 30 % раствор этилового спирта. Скважина заполняется грунтовыми водами естественным путём, и вода проводит тепло от камня к теплоносителю. При недостаточной длине скважины или попытке получить от грунта сверхрасчётную мощность, эта вода и даже антифриз могут замёрзнуть что и ограничивает максимальную тепловую мощность таких систем. Именно температура возвращаемого антифриза и служит одним из показателей для схемы автоматики. Ориентировочно на 1 погонный метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой мощности. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной около 170 м. Нецелесообразно бурить глубже 200 метров, дешевле сделать несколько скважин меньшей глубины через 10 — 20 метров друг от друга. Даже для маленького дома в 110—120 кв.м. при небольшом энергопотреблении срок окупаемости 10 — 15 лет.[10] Почти все имеющиеся на рынке установки работают и летом, при этом тепло (по сути солнечная энергия) отбирается из помещения и рассеивается в породе или грунтовых водах. В скандинавских странах со скальным грунтом гранит выполняет роль массивного радиатора, получающего тепло летом/днём и рассеивающего его обратно зимой/ночью. Также тепло постоянно приходит из недр Земли и от грунтовых вод.

Отбор тепла от грунта

Самые эффективные но и самые дорогие схемы предусматривают отбор тепла от грунта, чья температура не меняется в течение года уже на глубине нескольких метров, что делает установку практически независимой от погоды. По данным [источник не указан 659 дней] 2006 года в Швеции полмиллиона установок, в Финляндии 50 000, в Норвегии устанавливалось в год 70 000. При использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на 30-50 см ниже уровня промерзания грунта в данном регионе. На практике 0,7 — 1,2 метра[источник не указан 659 дней]. Минимальное рекомендуемое производителями расстояние между трубами коллектора — 1,5 метра, минимум — 1,2. Здесь не требуется бурение, но требуются более обширные земельные работы на большой площади, и трубопровод более подвержен риску повреждения. Эффективность такая же, как при отборе тепла из скважины. Специальной подготовки почвы не требуется. Но желательно использовать участок с влажным грунтом, если же он сухой, контур надо сделать длиннее. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода: в глине — 50-60 Вт, в песке — 30-40 Вт для умеренных широт, на севере значения меньше.[11] Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350—450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м² (20х20 м). При правильном расчёте контур мало влияет на зелёные насаждения[источник не указан 659 дней].

Непосредственный теплообмен DX

Хладагент подаётся непосредственно к источнику земного тепла по медным трубкам — это обеспечивает высокую эффективность геотермальной отопительной системы.

Файл:DariaWPBody.png

Тепловой насос Daria WP использующий технологию DX непосредственного теплообмена[12]

Испаритель устанавливают в грунт горизонтально ниже глубины промерзания или в скважины диаметром 40-60 мм пробуренные вертикально либо под уклоном (к примеру 45 град) до глубины 15-30 м. Благодаря такому инженерному решению устройство теплообменного контура производится на площади всего несколько квадратных метров, не требует установки промежуточного теплообменника и дополнительных затрат на работу циркуляционного насоса.

Примерная стоимость отопления современного утеплённого дома площадью 120м2 Калининградская область 2012 год. (Годовое энергопотребление 20 000 кВт*ч)

Тип системы отопления Цена (Руб/кВт*ч) Эффективность Годовые затраты
Электрические 3.8 Руб 100 % 76 000 Руб
Природный газ 1,2 80 % 21 000 Руб
Диз. топливо 35 Руб\литр 80 % 72 000 Руб
Пропан 35 Руб\кг 80 % 75 000 Руб
Воздушный тепловой насос 3.8 Руб 260 % 28 000 Руб
Класические геотермальные насосы 3.8 Руб 350 % 21 700 Руб
Геотермальные DX 3. 8 Руб 400 % 19 450 Руб
Геотермальные DX с воздушной системой отопления 3.8 Руб 440 % 17 200 Руб

Разное

устройство беструбного водоподъёма соединённое с погружным скважинным электронасосом ЭЦВ10-63-110

В скважинах диаметром 218—324 мм можно существенно снизить необходимую глубину скважины до 50-70 м, увеличить отбор тепловой энергии минимум до 700 Вт на на 1 пог. м. скважины и обеспечить стабильность круглогодичной эксплуатации(в отличие от схемы Васильева)[13] позволяет применение активного контура первичного преобразователя теплового насоса, размещённого в стволе водозаборной скважины (применяется в скважинах имеющих погружной насос, с устройством беструбного водоподъёма, который создаёт проточность жидкости в стволе скважины, продувая током перекачиваемой жидкости теплообменный контур с хладагентом первичного преобразователя теплового насоса, увеличивая отбор тепла не только от прилегающего массива грунта, но и от перекачиваемой жидкости).

Отбор тепла от водоёма

При использовании в качестве источника тепла близлежащего водоёма контур укладывается на дно. Глубина не менее 2 метров. Коэффициент преобразования энергии тепловым насосом такой же как при отборе тепла от грунта. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода — 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 300 м. Чтобы трубопровод не всплывал, на 1 пог. м устанавливается около 5 кг груза. Промышленные образцы: 70 — 80 кВт*ч/м в год.[14]

Если тепла из внешнего контура всё же недостаточно для отопления в сильные морозы, практикуется эксплуатация насоса в паре с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления). Когда уличная температура опускается ниже расчётного уровня (температуры бивалентности), в работу включается второй генератор тепла — чаще всего небольшой электронагреватель.

Преимущества и недостатки

К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с кпд до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Ещё одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы или системы «холодный потолок».

Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.

Важной особенностью системы является её сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.

Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

Хотя идея, высказанная лордом Кельвином в 1852 году, была реализована уже спустя четыре года, практическое применение теплонасосы получили только в 30-х годах прошлого века. В западных странах тепловые насосы применяются давно — и в быту, и в промышленности. Сегодня в Японии, например[источник не указан 444 дня], эксплуатируется около 3 миллионов установок, в Швеции около 500 000 домов обогревается тепловыми насосами различных типов.

К недостаткам тепловых насосов, используемых для отопления, следует отнести большую стоимость установленного оборудования.

Перспективы

Для установки теплового насоса необходимы высокие первоначальные затраты: стоимость насоса и монтажа системы составляет $300-1200 на 1 кВт необходимой мощности отопления. Время окупаемости теплонасосов составляет 4-9 лет, при сроке службы по 15-20 лет до капитального ремонта[источник не указан 862 дня].

Существует и альтернативный взгляд на экономическую целесообразность установки теплонасосов. Так, если установка теплонасоса производится на средства, взятые в кредит, экономия от использования теплонасоса может быть меньше, чем стоимость использования кредита. Поэтому массовое использования теплонасосов в частном секторе можно ожидать, если стоимость теплонасосного оборудования будет сопоставима с затратами на установку газового отопления и подключения к газовой сети.

Ещё более многообещающей является система, комбинирующая в единую систему теплоснабжения геотермальный источник и тепловой насос. При этом геотермальный источник может быть как естественного (выход геотермальных вод), так и искусственного происхождения (скважина с закачкой холодной воды в глубокий слой и выходом на поверхность нагретой воды).

Другим возможным применением теплового насоса может стать его комбинирование с существующими системами централизованного теплоснабжения. К потребителю в этом случае может подаваться относительно холодная вода, тепло которой преобразуется тепловым насосом в тепло с потенциалом, достаточным для отопления. Но при этом вследствие меньшей температуры теплоносителя потери на пути к потребителю (пропорциональные разности температуры теплоносителя и окружающей среды) могут быть значительно уменьшены. Также будет уменьшен износ труб центрального отопления, поскольку холодная вода обладает меньшей коррозионной активностью, чем горячая.

Ограничения применимости тепловых насосов

Основным недостатком теплового насоса является обратная зависимость его эффективности от разницы температур между источником теплоты и потребителем. Это накладывает определённые ограничения на использование систем типа «воздух — вода». Реальные значения эффективности современных тепловых насосов составляют порядка СОР=2.0 при температуре источника −20 °C, и порядка СОР=4.0 при температуре источника +7 °C. Это приводит к тому, что для обеспечения заданного температурного режима потребителя при низких температурах воздуха необходимо использовать оборудование со значительной избыточной мощностью, что сопряжено с нерациональным использованием капиталовложений (впрочем, это касается и любых других источников тепловой энергии). Решением этой проблемы является применение так называемой бивалентной схемы отопления, при которой основную (базовую) нагрузку несет тепловой насос, а пиковые нагрузки покрываются вспомогательным источником (газовый или электрокотел). Оптимальная мощность теплонасосной установки составляет 60…70 % от необходимой установленной мощности, что также влияет на закупочную стоимость установки отопления тепловым насосом. В этом случае тепловой насос обеспечивает не менее 95 % потребности потребителя в тепловой энергии за весь отопительный сезон. При такой схеме среднесезонный коэффициент преобразования энергии для климатических условий Центральной Европы равен порядка СОР=3. Коэффициент использования первичного топлива для такой системы легко определить, исходя из того, что КПД тепловых электростанций составляет от 40 % (тепловые электростанции конденсационного типа) до 55 % (парогазовые электростанции). Соответственно, для рассматриваемой теплонасосной установки коэффициент использования первичного топлива лежит в пределах 120 %…165 %, что в 2…3 раза выше, чем соответствующие эксплуатационные характеристики газовых котлов (65 %) или систем центрального отопления (50…60 %). Понятно, что системы, использующие геотермальный источник теплоты или теплоту грунтовых вод, свободны от этого недостатка. Следствием этого же недостатка является необходимость использования низкотемпературных систем отопления (системы поверхностного нагрева типа «теплый пол», воздушные системы отопления с применением фен-койлов и т. п.). Однако это ограничение касается только устаревших радиаторных систем отопления, практически не находящих применения в современных технологиях строительства.

COP

COP — от английского (Coefficient of performance) Коэффициент полезного действия теплового насоса. Представляет собой отношение тепла на выходе «теплового резервуара» к потребляемой мощности. COP был создан для сравнения тепловых насосов по энергоэффективности. Для вычисления COP используется следующая формула:
где

 — тепловая энергия резервуара
- потребляемая мощность в Ваттах.

Основные схемы отопления с применением тепловых насосов

Стандартные объекты обогрева

  • Бассейны
  • Дачи, коттеджи
  • Квартиры
  • Гостиницы, рестораны
  • Коттеджные городки
  • Офисно-торговые центры
  • Производственные помещения
  • Аквапарки
  • Школы

Примечания

  1. ↑ Тепловой насос — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)
  2. ↑ Васильев Г.  П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоёв Земли (Монография). Издательский дом «Граница». М., «Красная звезда» — 2006. — 220 °C.
  3. ↑ Васильев Г. П., Хрустачев Л. В., Розин А. Г., Абуев И. М. и др. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии // Правительство Москвы Москомархитектура, ГУП «НИАЦ», 2001. — 66 °C.
  4. ↑ Burg Rabenstein
  5. ↑ About Us | What is IGSHPA?
  6. ↑ http://www.wseas.us/e-library/conferences/2007portoroz/papers/555-237.pdf
  7. ↑ Energy Savers: Types of Geothermal Heat Pump Systems
  8. ↑ Bedrock heat pump
  9. ↑ Тепловые насосы фирмы Stiebel Eltron
  10. ↑ http://www.sulpu.fi/index.php?option=com_content&task=view&id=20&Itemid=114 Данные по Финляндии
  11. ↑ http://www.sulpu.fi/index. php?option=com_content&task=view&id=20&Itemid=114 Данные по широте Финляндии-Карелии
  12. ↑ Тепловые насосы фирмы Daria WP
  13. ↑ Васильев Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоёв Земли (Монография). Издательский дом «Граница». М., «Красная звезда» — 2006. — 220c.
  14. ↑ http://www.sulpu.fi/index.php?option=com_content&task=view&id=20&Itemid=114 Водоём — обогреватель

См. также

  • Пассивный дом

Системы тепловых насосов | Министерство энергетики

Энергосбережение

Изображение

Тепловые насосы представляют собой энергоэффективную альтернативу печам и кондиционерам для всех климатических условий. Как и ваш холодильник, тепловые насосы используют электричество для передачи тепла из прохладного помещения в теплое, делая прохладное помещение более прохладным, а теплое – теплее. Во время отопительного сезона тепловые насосы переносят тепло из прохладной улицы в ваш теплый дом. В сезон охлаждения тепловые насосы переносят тепло из вашего дома на улицу. Поскольку они передают тепло, а не производят тепло, тепловые насосы могут эффективно обеспечивать комфортную температуру для вашего дома.

Канальные воздушные тепловые насосы

Существует три основных типа тепловых насосов, соединенных воздуховодами: воздух-воздух, водяной и геотермальный. Они собирают тепло из воздуха, воды или земли за пределами вашего дома и концентрируют его для использования внутри.

Изображение

Наиболее распространенным типом теплового насоса является воздушный тепловой насос, который передает тепло между вашим домом и наружным воздухом. Современный тепловой насос может снизить потребление электроэнергии для отопления примерно на 50% по сравнению с электрическим нагревом сопротивления, таким как печи и плинтусные обогреватели. Кроме того, высокоэффективные тепловые насосы осушают воздух лучше, чем стандартные центральные кондиционеры, что приводит к меньшему потреблению энергии и более комфортному охлаждению в летние месяцы. Воздушные тепловые насосы использовались в течение многих лет почти во всех частях Соединенных Штатов, но до недавнего времени они не использовались в районах, где длительные периоды отрицательных температур. Однако в последние годы технология теплового насоса с воздушным источником продвинулась настолько, что теперь она предлагает законную альтернативу отоплению помещений в более холодных регионах.

Бесканальные воздушные тепловые насосы

Изображение

Для домов без воздуховодов воздушные тепловые насосы также доступны в версии без воздуховодов, называемой мини-сплит-тепловым насосом. Кроме того, специальный тип воздушного теплового насоса, называемый «чиллером с обратным циклом», генерирует горячую и холодную воду, а не воздух, что позволяет использовать его с системами лучистого обогрева пола в режиме обогрева.

    Геотермальные тепловые насосы

    Изображение

    Геотермальные (наземные или водные) тепловые насосы обеспечивают более высокую эффективность за счет передачи тепла между вашим домом и землей или ближайшим источником воды. Несмотря на то, что установка геотермальных тепловых насосов стоит дороже, они имеют низкие эксплуатационные расходы, поскольку они используют преимущества относительно постоянной температуры грунта или воды. Геотермальные (или геотермальные) тепловые насосы имеют ряд существенных преимуществ. Они могут снизить потребление энергии на 30-60%, контролировать влажность, прочны и надежны и подходят для самых разных домов. Подойдет ли вам геотермальный тепловой насос, будет зависеть от размера вашего участка, грунта и ландшафта. Геотермальные или водяные тепловые насосы могут использоваться в более суровых климатических условиях, чем воздушные тепловые насосы, и клиенты очень довольны этими системами.

      Абсорбционные тепловые насосы

      Изображение

      Относительно новым типом теплового насоса для жилых систем является абсорбционный тепловой насос (АТН), также называемый газовым тепловым насосом. Абсорбционные тепловые насосы используют тепло или тепловую энергию в качестве источника энергии и могут приводиться в действие с помощью самых разных источников тепла, таких как сжигание природного газа, пар, нагретая вода, воздух или вода, нагретая геотермальной энергией, и поэтому отличаются от компрессионных. тепловые насосы, приводимые в действие механической энергией. AHP более сложны и требуют более крупных агрегатов по сравнению с компрессионными тепловыми насосами. Меньшее потребление электроэнергии такими тепловыми насосами связано только с перекачкой жидкости.

        Дополнительные функции, которые следует искать в тепловом насосе

        Ряд инноваций повышает производительность тепловых насосов.

        В отличие от стандартных компрессоров, которые могут работать только на полную мощность, двухскоростные компрессоры позволяют тепловым насосам работать с производительностью, близкой к мощности нагрева или охлаждения, необходимой при любой конкретной температуре наружного воздуха, экономя энергию за счет сокращения операций включения/выключения и износа компрессора. Двухскоростные тепловые насосы также хорошо работают с системами зонального контроля. В системах зонального контроля, часто встречающихся в больших домах, используются автоматические заслонки, позволяющие тепловому насосу поддерживать разные температуры в разных комнатах.

        Некоторые модели тепловых насосов оснащены двигателями с регулируемой скоростью или двухскоростными двигателями на внутренних вентиляторах (воздуходувках), наружных вентиляторах или на обоих. Регулятор скорости вращения этих вентиляторов поддерживает комфортную скорость движения воздуха, сводя к минимуму холодные сквозняки и максимально экономя электроэнергию. Это также сводит к минимуму шум от вентилятора, работающего на полной скорости.

        Некоторые высокоэффективные тепловые насосы оснащены пароохладителем , который восстанавливает отработанное тепло из режима охлаждения теплового насоса и использует его для нагрева воды. Тепловой насос с пароохладителем может нагревать воду в 2-3 раза эффективнее, чем обычный электрический водонагреватель.

        Еще одним достижением в технологии тепловых насосов является спиральный компрессор , состоящий из двух спиралевидных спиралей. Один остается неподвижным, а другой вращается вокруг него, сжимая хладагент, нагнетая его во все более мелкие области. По сравнению с типичными поршневыми компрессорами спиральные компрессоры имеют более длительный срок службы и работают тише. По некоторым данным, тепловые насосы со спиральными компрессорами обеспечивают на 10–15 °F (5,6–8,3 °C) более теплый воздух в режиме обогрева по сравнению с существующими тепловыми насосами с поршневыми компрессорами.

        Хотя большинство тепловых насосов используют электрические нагреватели сопротивления в качестве резерва в холодную погоду, тепловые насосы также могут быть оснащены газовой печью, иногда называемой двухтопливной или гибридной системой, в дополнение к тепловому насосу. Это помогает решить проблему менее эффективной работы теплового насоса при низких температурах и сократить потребление электроэнергии. Есть несколько производителей тепловых насосов, которые объединяют оба типа тепла в одной коробке, поэтому эти конфигурации часто представляют собой две меньшие, расположенные рядом стандартные системы, использующие один и тот же воздуховод.

        По сравнению с печью, работающей на топливе, или стандартным тепловым насосом, этот тип системы также может быть более экономичным. Фактическая экономия энергии зависит от относительной стоимости топлива для сжигания по отношению к электроэнергии.

        Несмотря на впечатляющие характеристики тепловых насосов, Министерство энергетики США (DOE) все еще исследует способы сделать тепловые насосы более доступными и эффективными. С этой целью в 2001 году Министерство энергетики запустило проект «Вызов технологии тепловых насосов для холодного климата для жилых помещений», чтобы ускорить внедрение технологий тепловых насосов для холодного климата.

        • Учить больше
        • Ссылки

        Системы тепловых насосов

        Воздушные тепловые насосы Узнать больше

        Бесканальные мини-сплит-тепловые насосы Узнать больше

        Геотермальные тепловые насосы Узнать больше

        Газоабсорбционный тепловой насос Узнать больше

        Эксплуатация и техническое обслуживание теплового насоса Узнать больше

        Программируемые термостаты Узнать больше

        • Отопление и охлаждение ENERGY STAR

        Воздушные тепловые насосы | Министерство энергетики

        Энергосбережение

        Изображение

        Воздушный тепловой насос может обеспечить эффективное отопление и охлаждение вашего дома. При правильной установке воздушный тепловой насос может доставлять в дом в три раза больше тепловой энергии, чем потребляемой им электроэнергии. Это возможно, потому что тепловой насос передает тепло, а не преобразовывает его из топлива, как в системах отопления внутреннего сгорания.

        Воздушные тепловые насосы уже много лет используются почти во всех частях Соединенных Штатов, за исключением районов, в которых длительные периоды отрицательных температур. Однако в последние годы технология теплового насоса с воздушным источником продвинулась настолько, что теперь она предлагает законную альтернативу отоплению помещений в более холодных регионах.

        Например, исследование, проведенное Northeast Energy Efficiency Partnerships, показало, что когда блоки, разработанные специально для более холодных регионов, были установлены в северо-восточных и среднеатлантических регионах, ежегодная экономия составляет около 3000 кВтч (или 459 долларов США).) по сравнению с электрическими нагревателями сопротивления и 6 200 кВтч (или 948 долларов США) по сравнению с масляными системами. При замещении масла (т. е. маслосистема остается, но работает реже) среднегодовая экономия составляет около 3000 кВтч (или около 300 долларов).

        Типы воздушных тепловых насосов

        Ниже описаны различные типы воздушных тепловых насосов.

        Бесканальные, канальные и короткоходные, канальные

        Для бесканальных систем требуется минимальная конструкция, так как для соединения наружного конденсатора и внутренних головок требуется всего трехдюймовое отверстие в стене. Бесканальные системы часто устанавливаются в пристройках.

        Канальные системы просто используют воздуховоды. Если в вашем доме уже есть система вентиляции или дом будет новой постройкой, вы можете рассмотреть эту систему.

        Короткие воздуховоды — это традиционные большие воздуховоды, которые проходят только через небольшую часть дома. Краткосрочные воздуховоды часто дополняются другими агрегатами без воздуховодов для остальной части дома.

        Сплит против упакованного

        Большинство тепловых насосов представляют собой сплит-системы, т. е. у них один змеевик внутри и один снаружи. Подающий и обратный воздуховоды подключаются к внутреннему центральному вентилятору.

        Комплектные системы обычно имеют как змеевики, так и вентилятор на открытом воздухе. Нагретый или охлажденный воздух подается внутрь из воздуховодов, проходящих через стену или крышу.

        Многозонный против однозонного

        Однозональные системы предназначены для одного помещения с одним наружным конденсатором, согласованным с одной внутренней головкой.

        Многозональные установки могут иметь два или более внутренних змеевика, подключенных к одному наружному конденсатору. Многозональные внутренние теплообменники различаются по размеру и стилю, и каждый создает свою «зону» комфорта, позволяя обогревать или охлаждать отдельные комнаты, коридоры и открытые пространства. Это различие может также упоминаться как «многоголовый против одноголовочного» и «многопортовый против однопортового».

        Как они работают

        Изображение

        Система охлаждения теплового насоса состоит из компрессора и двух медных или алюминиевых змеевиков (один внутренний и один внешний), которые имеют алюминиевые ребра для облегчения теплопередачи. В режиме обогрева жидкий хладагент во внешнем змеевике отбирает тепло у воздуха и испаряется в газообразное состояние. Внутренний змеевик выделяет тепло из хладагента, когда он снова конденсируется в жидкость. Реверсивный клапан рядом с компрессором может изменить направление потока хладагента для режима охлаждения, а также для оттаивания наружного змеевика зимой.

        Эффективность и производительность современных тепловых насосов с воздушным источником являются результатом технических достижений, таких как:

        • Термостатические расширительные клапаны для более точного управления потоком хладагента во внутреннем змеевике
        • Вентиляторы с регулируемой скоростью, которые более эффективны и могут компенсировать некоторые неблагоприятные последствия суженных воздуховодов, грязных фильтров и грязных змеевиков
        • Улучшенная конструкция катушки
        • Усовершенствованный электродвигатель и двухскоростной компрессор
        • Медная трубка с канавками внутри для увеличения площади поверхности.

        Выбор теплового насоса

        Каждый бытовой тепловой насос, продаваемый в этой стране, имеет этикетку EnergyGuide, на которой указан рейтинг эффективности обогрева и охлаждения теплового насоса в сравнении с другими доступными производителями и моделями.

        Тепловая эффективность электрических тепловых насосов с воздушным источником определяется коэффициентом полезного действия отопительного сезона (HSPF), который представляет собой меру за средний отопительный сезон общего количества тепла, подаваемого в кондиционируемое помещение, выраженное в БТЕ, деленное на общее электрическая энергия, потребляемая системой теплового насоса, выраженная в ватт-часах.

        Эффективность охлаждения определяется сезонным коэффициентом энергоэффективности (SEER), который представляет собой меру за средний сезон охлаждения общего количества тепла, отводимого из кондиционируемого помещения, выраженного в БТЕ, деленного на общую электрическую энергию, потребляемую тепловым насосом. , выраженное в ватт-часах.

        Как правило, чем выше HSPF и SEER, тем выше стоимость устройства. Тем не менее, экономия энергии может окупить более высокие первоначальные инвестиции несколько раз в течение срока службы теплового насоса. Новый центральный тепловой насос, заменяющий старый агрегат, будет потреблять гораздо меньше энергии, что существенно снизит затраты на кондиционирование воздуха и отопление.

        Чтобы выбрать воздушный электрический тепловой насос, обратите внимание на этикетку ENERGY STAR®. В более теплом климате SEER важнее, чем HSPF. В более холодном климате сосредоточьтесь на получении максимально возможного HSPF.

        Вот некоторые другие факторы, которые следует учитывать при выборе и установке воздушных тепловых насосов:

        • Выберите тепловой насос с управлением разморозкой по требованию. Это сведет к минимуму количество циклов оттаивания, тем самым уменьшив потребление дополнительной энергии и энергии теплового насоса.
        • Вентиляторы и компрессоры шумят. Расположите наружный блок вдали от окон и соседних зданий и выберите тепловой насос с более низким рейтингом наружного шума (децибелы). Вы также можете уменьшить этот шум, установив устройство на шумопоглощающее основание.
        • Расположение наружного блока может повлиять на его эффективность. Наружные блоки должны быть защищены от сильного ветра, который может вызвать проблемы с оттаиванием. Вы можете стратегически разместить куст или забор с наветренной стороны от катушек, чтобы защитить устройство от сильного ветра.

        Проблемы с производительностью тепловых насосов

        Тепловые насосы могут иметь проблемы с низким расходом воздуха, негерметичными воздуховодами и неправильной заправкой хладагента. Расход воздуха должен составлять от 400 до 500 кубических футов в минуту (куб. фут/мин) на каждую тонну мощности теплового насоса по кондиционированию воздуха. Эффективность и производительность ухудшаются, если расход воздуха намного меньше 350 кубических футов в минуту на тонну.

        Learn more