Тепловой насос принцип действия: Принцип работы теплового насоса. Как работает тепловой насос?

Принцип работы теплового насоса. Как работает тепловой насос?

Все больше и больше интернет пользователей интересуются альтернативами способами отопления: тепловыми насосами.

Для большинства это абсолютно новая и неизвестная технология, поэтому и возникают вопросы типа: «Что такое тепловой насос?», «Как выглядит тепловой насос?», «Как работает тепловой насос?» и пр.

Здесь мы постараемся просто и доступно дать ответы на все эти и еще много других вопросов, связанных с тепловыми насосами.

 

Что такое Тепловой Насос?

Тепловой насос — устройство (другими словами «тепловой котел»), которое отбирает рассеянное тепло из окружающей среды (грунт, вода или воздух) и переносит его в отопительный контур вашего дома.

Тепловой насос Грунт-Вода

Благодаря солнечным лучам, которые непрерывно поступают в атмосферу и на поверхность земли происходит постоянная отдача тепла. Именно таким образом поверхность земли круглый год получает тепловую энергию.

Воздух частично поглощает тепло от энергии солнечных лучей. Остатки солнечной тепловой энергии почти полностью поглощается землей.

Кроме того, геотермальное тепло из недр земли постоянно обеспечивает температуру грунта +8°С (начиная с глубины 1,5-2 метра и ниже). Даже холодной зимой температура на глубине водоемов остается в диапазоне +4-6°С.

Именно это низкопотенциальное тепло грунта, воды и воздуха переносит тепловой насос из окружающей среды в отопительный контур частного дома, предварительно повысив температурный уровень теплоносителя до необходимых +35-80°С.

ВИДЕО: Как работает тепловой насос Грунт-Вода?

 

Что делает Тепловой Насос?

Тепловые насосы — тепловые машины, которые предназначены для производства тепла с использованием обратного термодинамического цикла. Тепловые насосы переносят тепловую энергию от источника с низкой температурой в систему отопления с более высокой температурой. В процессе работы теплового насоса происходят затраты энергии, не превышающие объем произведенной энергии.

Прямой цикл Карно

В основе работы теплового насоса лежит обратный термодинамический цикл (обратный цикл Карно), состоящий из двух изотерм и двух адиабат, но в отличии от прямого термодинамического цикла (прямого цикла Карно) процесс протекает в обратном направлении: против часовой стрелки.

В обратном цикле Карно окружающая среда выступает в роли холодного источника тепла. При работе теплового насоса тепло внешней среды благодаря совершению работы передается потребителю, но с уже более высокой температурой.

Передать тепло от холодного тела (грунт, вода, воздух) возможно только при затрате работы (в случае с тепловым насосом — затраты электрической энергии на работу компрессора, циркуляционных насосов и пр.) или другого компенсационного процесса.

Еще тепловой насос можно назвать «холодильником наоборот», так как тепловой насос это та же холодильная машина, только в отличии холодильника тепловой насос забирает тепло снаружи и переносит его в помещение, то есть обогревает помещение (холодильник же охлаждает путем отбора тепла из холодильной камеры и выбрасывает его через конденсатор наружу).

Как работает Тепловой Насос?

Теперь поговори о том как работает тепловой насос. Для того, что понять принцип работы теплового насоса нам нужно разобраться в нескольких вещах.

1. Тепловой насос способен извлекать тепло даже при отрицательной температуре.

Большинство будущих домовладельцев не могут понять принцип работы теплового насоса Воздух-Вода (в принципе любого воздушного теплового насоса), так как не понимают каким образом может извлекаться тепло из воздуха при отрицательной температуре зимой. Вернемся к основам термодинамики и вспомни определение теплоты.

Теплота — форма движения материи, представляющая собой беспорядочное движение образующих тело частиц (атомов, молекул, электронов и др.).

Даже при температуре 0˚С (ноль градусов по Цельсию), когда замерзает вода, в воздухе все еще есть теплота.  Ее значительно меньше чем, например при температуре +36˚С, но тем не менее и при нулевой и при отрицательной температуре происходит движение атомов, а значит и происходит выделение теплоты.

Движение молекул и атомов полностью прекращается при температуре -273˚С (минус двести семьдесят три градуса по Цельсию), что соответствует абсолютному нулю температуры (ноль градусов по шкале Кельвина). То есть и зимой при минусовой температуре в воздухе есть низкопотенциальное тепло, которое можно извлекать и переносить в дом.

2. Рабочая жидкость в тепловых насосах — хладагент (фреон).

Хладагент R-410А, используемый в тепловых насосах

Что такое холодильный агент? Хладагент — рабочее вещество в тепловом насосе, которое отбирает теплоту от охлаждаемого объекта при испарении и передает тепло рабочей среде (например, воде или воздуху) при конденсации.

Особенность хладагентов в том, что они способны закипать и при отрицательных и при относительно низких температурах. Кроме того хладагенты могут переходить из жидкого состояния в газообразное и наоборот. Именно во время перехода из жидкого состояния в газообразное (испарения) происходит поглощение теплоты, а во время перехода из газообразного в жидкое (конденсации) происходит передача теплоты (отделение тепла).

3. Работа теплового насоса возможна благодаря его четырем ключевым компонентам.

Для того, чтобы понять принцип работы теплового насоса его устройство можно разделить на 4 основные элементы:

1. Компрессор, который сжимает хладагент для повышения его давления и температуры.
2. Расширительный клапан — терморегулирующий вентиль, который резко понижает давление хладагента.
3. Испаритель — теплообменник, в котором хладагент с низкой температурой поглощает тепло от окружающей среды.
4. Конденсатор — теплообменник, в котором уже горячий хладагент после сжатия передает тепло в рабочую среду отопительного контура.

Именно эти четыре компонента позволяют холодильным машинам производить холод, а тепловым насосам — тепло. Для того, чтобы разобраться как работает каждый компонент теплового насоса и для чего он нужен предлагаем просмотреть видео о принципе работы грунтового теплового насоса.

ВИДЕО: Принцип работы теплового насоса Грунт-Вода

Принцип работы теплового насоса

Теперь попытаемся подробно описать каждый этап работы теплового насоса. Как уже говорилось ранее — в основе работы тепловых насосов лежит термодинамический цикл. Это значит, что работа теплового насоса состоит из нескольких этапов цикла, которые повторяются снова и снова в определенной последовательности.

Рабочий цикл теплового насоса можно разделить на четыре следующие этапы:

1. Поглощение тепла из окружающей среды (кипение хладагента).

В испаритель (теплообменник) поступает хладагент, который находиться в жидком состоянии и имеет низкое давление. Как мы уже знаем при низкой температуре хладагент способен закипать и испаряться. Процесс испарения необходим для того, чтобы вещество поглотило тепло.

Согласно второму закону термодинамики тепло передается от тела с высокой температурой к телу с более низкой температурой.

Именно на этом этапе работы теплового насоса хладагент с низкой температурой проходя по теплообменнику отбирает тепло от теплоносителя (рассола), который ранее поднялся из скважин, где отобрал низкопотенциальное тепло грунта (в случаи с грунтовыми тепловым насосами Грунт-Вода).

Дело в том, что температура грунта под землей в любое время года составляет +7-8°С. При использовании геотермального теплового насоса типа Грунт-Вода устанавливаются вертикальные зонды, по которым циркулирует рассол (теплоноситель). Задача теплоносителя — нагреться до максимально возмножной температуры во время циркуляции по глубинным зондам.

Когда теплоноситель отобрал тепло из грунта, он поступает в теплообменник теплового насоса (испаритель) где «встречается» с хладагентом, который имеет более низкую температуру. И согласно второму закону термодинамики происходит теплообмен: тепло от более нагретого рассола передается менее нагретому хладагенту.

Здесь очень важный момент: поглощение тепла возможно во время испарения вещества и наоборот, отдача теплоты происходит при конденсации. Во время нагрева хладагента от теплоносителя он меняет свое фазовое состояние: хладагент переходит из жидкого состояния в газообразное (происходит процесс закипания хладагента, он испаряется).

Пройдя через испаритель хладагент находиться в газообразной фазе. Это уже не жидкость, но газ, который отобрал тепло у теплоносителя (рассола).

2. Сжатие хладагента компрессором.

На следующем этапе хладагент в газообразном состоянии попадает в компрессор. Здесь компрессор сжимает фреон, который за счет резкого увеличения давления нагревается до определенной температуры.

Аналогичным образом работает и компрессор обычного бытового холодильника. Единственное существенное отличие компрессора холодильника от компрессора теплового насоса — значительно меньшая производительность.

ВИДЕО: Как работает холодильник с компрессором

 

3.

Передача тепла в систему отопления (конденсация).

После сжатия в компрессоре хладагент, который имеет высокую температуру поступает в конденсатор. В данном случае конденсатор — это тоже теплообменник, в котором во время конденсации происходит отдача теплоты от хладагента к рабочей среде отопительного контура (например воде в системе теплых полов, или радиаторов отопления).

В конденсаторе хладагент из газовой фазы снова переходит в жидкую. Этот процесс сопровождается выделением тепла, которое используется для системы отопления в доме и горячего водоснабжения (ГВС).

4. Понижение давления хладагента (расширение).

Теперь жидкий хладагент нужно подготовить к повторению рабочего цикла. Для этого хладагент проходит через узкое отверстие термо-регулирующего вентиля (расширительного клапана). После «продавливания» через узкое отверстие дросселя хладагент расширяется, вследствие чего падает его температура и давление.

Этот процесс сравним с распылением аэрозоля из балончика. После распыления балончик на короткое время становиться холоднее. То есть произошло резкое падение давления аэрозоля вследствие продавливания наружу, температура соответственно тоже падает.

Теперь хладагент снова находиться под таким давлением, при котором он способен закипеть и испаряться, что необходимо нам для поглощения тепла от теплоносителя.

Задача ТРВ (термо-регулирующий вентиль) — снизить давление фреона путем расширения его на выходе из узкого отверстия. Теперь фреон снова готов закипать и поглощать тепло.

Цикл снова повторяется до тех пор, пока система отопления и ГВС не получит от теплового насоса необходимый объем тепла.

 

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.

Процесс охлаждения в подробностях

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.

Принцип работы теплового насоса

Постоянный рост цен на энергетические ресурсы заставляет владельцев загородных домов задумываться об использовании альтернативных систем. Сегодня уже очевидно каждому, что таким традиционным видам топлива для отопления, как природный газ, солярка, мазут, уголь, дрова, торфобрикеты или пеллеты нужно искать замену среди альтернативных источников. Одним из таких достаточно эффективных способов получения тепла является тепловой насос, принцип работы которого основан на отборе тепла от естественных низкопотенциальных источников возобновляемой энергии окружающей среды: грунт, термальные и артезианские грунтовые воды, водоёмы, наружный воздух.

Принцип работы теплового насоса

Живое общение

5 минут общения даст больше эффекта чем изучение всего сайта
Бесплатная консультация: +7 (495) 229-85-86

Схема тепловых насосов

В общем, система отопления с использованием такого альтернативного агрегата в своём составе имеет:

• зонд, представляющий собой, по сути, систему трубопроводов, которая находится в грунте или другой среде и служит для сбора и передачи тепла;
• собственно сам насос, состоящий из четырёх основных конструктивных элементов: испаритель, компрессор, конденсатор и дроссельный вентиль, объединённых трубопроводами в замкнутую систему;
• контур отопления.

На первый взгляд может показаться, что схема тепловых насосов довольно сложная, а принцип работы теплового насоса доступен для понимания только специалисту. Однако на самом деле всё гораздо проще. Чтобы понять принцип теплового насоса достаточно посмотреть на обычный холодильник, который забирает тепло от продуктов, лежащих внутри, и отводит его через решётку на задней стенке. Только схема тепловых насосов работает с точностью до наоборот – получает тепло из внешнего источника и передаёт его внутрь.

Работа теплового насоса

Итак, замкнутая система с циркулирующим хладагентом, например, фреоном, температура кипения которого всего порядка 4°С. Как осуществляется работа теплового насоса?

1. Холодный фреон начинает нагреваться в результате получаемого тепла от первичного контура в виде зонда, который в зависимости от используемого источника низкопотенциального тепла помещён в грунт, воду или находится на улице. Если говорить о грунте, то, как правило, его температура в течение года колеблется в пределах 8°С. Естественно, что при растущей температуре фреон начинает закипать и переходит в газообразное состояние.

2. На втором этапе фреон всасывается компрессором, где происходит его резкое сжатие с выделением большого количества тепла – температура фреона может достигать 90°С.

3. Далее перегретый газ подаётся в конденсатор. Этой температуры вполне достаточно для организации отопления и горячего водоснабжения загородного дома тепловым насосом. В конденсаторе температура хладагента падает, при этом выделяемое тепло передаётся системе отопления. Фреон конденсируется, превращаясь газожидкостную смесь.

4. В этом состоянии смесь поступает на дроссельный вентиль – специальный клапан, где происходит резкое снижение давления и температуры фреона, которая достигает 0°С, после чего превращённый в жидкость хладагент снова поступает с испаритель для получения тепла от возобновляемого природного источника – цикл замыкается.

Управление работой теплового насоса осуществляется терморегулятором. При достижении в помещении заранее заданной температуры он прекращает подачу электроэнергии на компрессор, останавливая работу системы, а при понижении температуры, включает его.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили геотермальные агрегаты, принцип работы которых основан на получения тепла от грунта. Они наиболее эффективны, надёжны, долговечны и обеспечивают стабильные характеристики независимо от погодных условий и времени года.

Принцип работы теплового насоса — Энергео

Тепловой насос представляет собой устройство по преобразованию низкопотенциальной теплоты, получаемой от какого-либо общедоступного источника, в тепловую энергию высокого потенциала, предназначенную для нужд потребителя (отопления, горячего водоснабжения). Преобразование теплоты происходит за счет ряда фазовых переходов. 

Термодинамически тепловой насос идентичен холодильной машине. И тепловой насос, и холодильная машина работают по обратному тепловому циклу, разница заключается в диапазоне рабочих температур и давлений.  В мире существует весьма широкая классификация тепловых насосов, в сфере теплоснабжения наибольшее распространение получили парокомпрессионные установки.

Цикл работы парокомпрессионного теплового насоса включает в себя следующие преобразования:

Низкопотенциальное тепло принимается тепловым насосом в специальном пластинчатом теплообменнике – испарителе и передается особому рабочему телу – хладагенту. Хладагент представляет собой вещество с низкой температурой кипения. На сегодняшний день в тепловых насосах чаще всего в качестве хладагента используются различные фреоны (R407C, R134а, R410а), а также углекислый газ и пропан. Хладагент, приняв в теплообменнике определенное количество теплоты, испаряется и в газообразном состоянии поступает в компрессор. Компрессор сжимает поступающий хладагент до высокого давления, вследствие чего повышается и температура рабочего тела. После сжатия при более высоких параметрах газообразный хладагент поступает в следующий теплообменник – конденсатор. В конденсаторе происходит передача теплоты высокого потенциала теплоносителю системы отопления и горячего водоснабжения потребителя с последующим переходом остывающего хладагента в жидкое состояние. После конденсатора рабочее тело проходит через редукционное устройство, где давление и температура снижаются до первоначальных параметров перед теплообменником-испарителем. Цикл замыкается и повторяется снова.

Парокомпрессионные тепловые насосы принято различать по способам отбора низкопотенциальной теплоты.

---

Горизонтальный геотермальный контур

Грунт имеет свойство накапливать и сохранять солнечное тепло в течение длительного времени, что ведет к относительно равномерному уровню температуры источника тепла на протяжении всего года. Это обеспечивает эксплуатацию теплового насоса с достаточно высоким коэффициентом эффективности. Забор тепла из грунта осуществляется с помощью горизонтально проложенной в грунте системы пластиковых труб на глубине 1,2-1,5 м.

Вертикальные геотермальные скважины

Вертикальный зонд — это система труб, опускаемых в вертикальную скважину, глубина и количество таких скважин зависит от мощности необходимого Вам теплового насоса. В грунте на глубине начиная с 10-15 метров в течение года поддерживается всегда одинаковая постоянная температура (около +7 — +8°С для РБ), поэтому данный вид коллектора в наших климатических условиях является наиболее надежным и эффективным.

Грунтовые воды

Если в ваших условиях грунтовые воды легко доступны, то их так же можно использовать в качестве источника тепла, т.к. температура такого источника в любое время года колеблется в среднем от 7 до 12° C. Расстояние между точкой получения тепла и точкой возврата должно быть не менее 10-15 метров. Кроме того в целях предотвращения «короткого замыкания потока», следует обратить внимание на направление потока грунтовых вод. Стоит также учитывать, что для установки подобных сооружений нужно разрешение, кроме этого они должны отвечать определенным нормативным требованиям.

Перейти к каталогу тепловых насосов «грунт-вода».

Окружающий воздух

Окружающий воздух является наиболее доступным источником низкопотенциальной теплоты для теплового насоса. Одним из преимуществ, при выборе теплового насоса данного типа, является простая схема монтажа оборудования в систему с уже установленным любым дополнительным источником тепла (например, дизельным, твердотопливным или газовым котлом). Однако стоит учитывать и то, что, ввиду особенностей наших климатических условий с достаточно низкой температурой наружного воздуха в холодное время года, работа теплового насоса в отопительный период  является не столь продуктивной, как для насосов типа «грунт-вода». Кроме того, тепловые насосы, принимающие тепло от наружного воздуха, способны работать до температуры -25°С (до -32°С — системы «воздух-водух»), при более низкой температуре автоматика теплового насоса будет переводить теплоснабжение потребителя от другого дополнительного источника.

Перейти к каталогу тепловых насосов типа «воздух-вода».

Вентиляционный воздух

Существуют тепловые насосы, использующие удаляемый из помещений воздух системы вентиляции. Применение таких тепловых насосов позволяет осуществлять рекуперацию теплоты воздуха внутри зданий. Перед удалением из помещений, тёплый воздух проходит через тепловой насос, возвращая, таким образом, системе теплоснабжения здания часть накопленной теплоты. 

Перейти к каталогу тепловых насосов, использующих вентиляционный воздух.

Устройство и принцип работы теплового насоса ремонт теплового насоса

Как устроен тепловой насос и как он работает?

Теплонасос функционирует как холодильник, только наоборот. Холодильник переносит тепло изнутри во вне. Тепловой насос переносит тепло, накопленное в воздухе, почве, недрах или воде, в ваш дом.

Тепловой насос состоит из 4 основных агрегатов:

 — испаритель,
 — конденсатор,
 — расширительный вентиль (разряжающий вентиль-дроссель, понижает давление),
 — компрессор (повышает давление).

Эти агрегаты связаны замкнутым трубопроводом. В системе трубопровода циркулирует хладагент, который в одной части цикла представляет собой жидкость, а в другой — газ.

Точка кипения для разных жидкостей меняется посредством давления, чем выше давление, тем выше точка кипения. Вода закипает при нормальном давлении при температуре +100 °С. При повышении давления вдвое, температура кипения воды достигает +120 °С, а при уменьшении давления в 2 раза, вода закипает при +80 °С. Хладагент в тепловом насосе имеет ту же тенденцию — его температура кипения изменяется при изменении давления. Точка кипения хладагента лежит низко, приблизительно — 40 °С при атмосферном давлении, поэтому может использоваться даже с низкотемпературным тепловым источником.

Земные недра как глубинный теплоисточник

Земные недра являются бесплатным теплоисточником, поддерживающим одинаковую температуру круглый год. Использование тепла земных недр является экологически чистой, надежной и безопасной технологией обеспечивания теплом и горячим водоснабжением всех типов зданий, больших и малых, общественных и частных.Уровень капиталовложений достаточно высокий, но взамен Вы получите безопасную в работе, с минимальными требованиями к сервисному обслуживанию альтернативную обогревательную систему с максимально длительным сроком эксплуатации. Коэффициент преобразования тепла высок, достигает 3. Установка не требует много места и может быть внедрена на участке земли малой плошади. Объем восстановительных работ после бурения незначителен, влияние пробуренной скважины на окружающую среду минимально. На уровень грунтовых вод воздействие не оказывается, так как грунтовые воды не потребляются. Тепловая энергия переносится к конвекционной системе водяного отопления и применяется для горячего водоснабжения.

Грунтовое тепло — близкозалегающая энергия

В поверхностном слое земли накапливается тепло в течение лета. Использование этой энергии для обогрева целесообразно для зданий с высокими энергорасходами. Наибольшее количество энергии извлекается из почвы с большим содержанием влаги.

Грунтовый теплонасос

Тепло из почвы поставляется посредством пластикового шланга. Экологически чистая, морозостойкая жидкость циркулирует в шланговой системе и переносит тепло к тепловому насосу, где оно преобразуется в высокотемпературное тепло для обогрева и горячего водоснабжения.

 

 

Водные теплоисточникиСолнце нагревает воду в морях, озерах и других водных источниках. Солнечная энергия накапливается в воде и донных слоях. Редко температура снижается ниже +4 °С. Чем ближе к поверхности, тем температура больше варьируется в течение года, а в глубине — она относительно стабильна.

Тепловой насос с водным источником тепла

Шланг для передачи тепла укладывается на дне или в грунте дна, где температура еще немного выше, чем температура воды. Важно, чтобы шланг снабжался отягощающим грузом для предотвращения всплытия шланга на поверхность. Чем ниже он залегает, тем меньше риск повреждения. Водный источник как источник тепла очень эффективен для зданий с отно сительно высокими потребностями в теп лоэнергии.

Кроме вышеперечисленных источников теплонасосная установка может использовать тепловые сбросы самого жилья для отопления и горячего водоснабжения: сбросную воду, а также вентиляционные выбросы и дымовые газы. В последнем случае вытяжная система должна быть оборудована действующим вентиляционным агрегатом. Данная комбинация улучшает вентилирование дома и уменьшает проблемы с плесенью, сыростью, радоновой загазованностью.

 

”Бросовые” источники тепла

Кроме вышеперечисленных источников тепловой насос может использовать тепловые сбросы самого жилья для отопления и горячего водоснабжения: сбросную воду, а также вентиляционные выбросы и дымовые газы. В последнем случае вытяжная система должна быть оборудована действующим вентиляционным агрегатом. Данная комбинация улучшает вентилирование дома и уменьшает проблемы с плесенью, сыростью, радоновой загазованностью.

Экономическая эфективность теплового насоса

Коэффициент преобразования тепла

 

Эффективность определяется так называемым коэффициентом преобразования тепла или коэффициентом температурной трансформации, который представляет собой отношение количества энергии, генерируемой теплонасосом, к количеству энергии, затрачиваемой на процесс переноса тепла.

В большинстве случаев коэфициент температурной трансформации равен 3. Это означает, что тепловой насос поставляет в 3 раза больше энергии, чем потребляет. Другими словами, 2/3 получено «бесплатно» от теплоисточника. Чем выше энергопотребности Вашего жилища, тем больше вы экономите денежных средств.

Тепловые насосы наиболее эффективны в отопительных системах с низкотемпературными характеристиками, например, в системах напольного отопления.

При подборе теплонасоса к Вашей обогревательной системе невыгодно ориентировать мощностные показатели теплонасоса на максимальные требования к мощности (на покрытие энергорасходов в отопительном контуре в самый холодный день года).

 

Опыт показывает, что теплонасос должен генерировать около 50-70% от этого максимума, тепловой насос должен покрывать 70-90% (в зависимости от теплоисточника) от общей годовой потребности в энергии для отопления и горячеговодоснабжения. При низких внешних температурах теплонасос применяется с имеющимся в наличии котельным оборудованием или пиковым доводчиком, которым укомплектован тепловой насос.

Виды теплонасосов, применяемые в системе отопления в России

В нашей стране свое применение нашли следующие типы тепловых агрегатов:

1.      Грунтовый теплонасос.

Земные недра являются неисчерпаемым и бесплатным теплоисточником, который поддерживает одинаковую температуру на протяжении целого года. Использование такого тепла – это надежная, экологически чистая и безопасная технология обеспечения теплом всех типов зданий. Конечно, уровень капиталовложений при установке такого насоса достаточно высокий, но при этом Вы получаете неприхотливую к сервисному обслуживанию обогревательную систему с длительным сроком эксплуатации. Установка насоса не требует много места, к тому же он может быть внедрен на земельном участке малой площади.

2.      Водный теплонасос.

Солнце щедро нагревает воду в озерах, реках и морях. Чем ближе к поверхности, тем больше варьируется температура воды, а на глубине ее величина относительно стабильна.

Шланг насоса, предназначенный для передачи тепла, желательно установить в грунте дна, поскольку там температура еще выше. При этом важно снабдить шланг отягощающим грузом, во избежание его всплытия на поверхность. Такой источник тепла эффективен для обогрева зданий с относительно невысокими тепловыми потребностями.

3.      «Бросовый» теплонасос.

Принцип работы теплового насоса может также основываться и на использовании тепловых сбросов жилья: вентиляционные выбросы, использованная вода, дымовые газы и пр. Такая технология устраняет проблемы с плесенью и радоновой загазованностью, улучшая при этом вентилирование дома. ремонт теплового насоса

Принцип действия и установка теплового насоса

Тепловой насос – это сердце системы геотермального отопления. Ключевыми элементами теплового насоса являются: испаритель, компрессор, конденсатор, терморегулятор и циркулирующий по системе хладагент. Объединенные в единую систему, данные элементы позволяют забирать малое количество тепла из окружающей среды (воды, грунта) и превращать его в высокопотенциальное для отопления здания и обеспечения горячего водоснабжения.

Принцип работы тепловых насосов.

По принципу работы тепловой насос больше всего похож на холодильник. Только если холодильник забирает тепло и вытесняет его на радиатор, то тепловой насос, забирая тепло, переносит его в дом.

Охлажденный жидкий хладагент подается в теплообменник теплового насоса – испаритель. При подаче более теплого источника тепла (наружного воздуха, солевого раствора или воды) на испаритель, циркулирующий в нем хладагент забирает от источника тепла необходимую энергию для испарения и переходит из жидкого состояния в газообразное. Компрессор производит всасывание газообразного хладагента и выполняет его сжатие.  За счет увеличения давления происходит повышение температуры – таким образом, хладагент «подкачивается» до более высокого температурного уровня. Для этого требуется электричество. Хладагент направляется в расположенный за компрессором конденсатор. Здесь хладагент отдает полученное ранее тепло в циркуляционный контур системы водяного отопления, переходя в жидкое состоянии Затем с помощью расширительного клапана производится снижение имеющегося остаточного давления, и цикл начинается занов Таким образом,в зависимости от источника отбора тепла,  мы имеем разные типы тепловых насосов: «вода-вода», «грунт-вода», «воздух-вода», «грунт-воздух», «вода-воздух» и «воздух-воздух». Первое слово в обозначении типа — это источник тепла (низкопотенциальная тепловая энергия), второе — источник нагрузки для обогрева здания (высокопотенциальное тепло).

 

Энергоэффективность.

Примерно две трети тепловой энергии мы можем получать бесплатно от природы: воды, грунта или воздуха и только треть необходимо потратить на работу самого компрессора в тепловом насосе. Фактически, владелец теплового насоса может экономить до 70% финансовых средств, которые он бы регулярно затрачивал при отоплении традиционным способом (электроэнергия, газ или дизтопливо) своего дома, гаража, офиса, магазина, склада и т.д.

Все вышесказанное означает, что тепловой насос берет тепловую энергию из воды, земли или воздуха и «перекачивает» в ваш дом. Во время  работы компрессор затрачивает электроэнергию. На каждый затраченный киловатт-час электроэнергии тепловой насос вырабатывает от 2,5 до 5 киловатт-часов тепловой энергии. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации, коэффициентом преобразования теплоты (КПТ) или просто СОР. По этой причине чем меньше разница температур теплоносителей во входном и выходном контурах, тем больше коэффициент преобразования тепла (КПТ), то есть больше экономия электроэнергии.  Это значит, что в случае применения тепловых насосов — выгодней подключать их к низкотемпературным системам отопления. Имеется в виду обогрев от теплых водяных полов или теплых стен (укладка труб в стенах) или теплым воздухом, так как в этих случаях мы имеем теплоноситель около 30-40°С.

Типы установок коллекторов.

Геотермальные коллектора могут быть следующих типов, в порядке увеличения стоимости их организации:

Открытый коллектор.

Представляет из себя подающую скважину на воду (которая по определению есть для водоснабжения) с дебетом не менее 3-х куб.м и динамическим уровнем воды желательно не ниже 10 метров и приемную скважину в которую  осуществляется слив охлажденной воды. В таком варианте работают подавляющее большинство крупных коммерческих объектов с тепловыми мощностями от 100 кВт. Если у Вас дебет скважины и динамический уровень воды в ней подходящий то наверное это самый бюджетный и хорошо работающий вариант.

Коллектор с использованием открытого водоема.

В данном варианте организации геотермального коллектора, трубы подогревателя низкого давления наполненные незамерзающей жидкостью, в соответствии с расчетом, укладываются на дно открытого водоема и с помощью циркуляционного насоса осуществляется прокачка гликолевого раствора через тепловой насос который снимает с потока свои 5 градусов, которые, градусы, снова восстанавливаются при прохождении по трубам коллектора. Круговорот воды (температуры) в природе.

Горизонтальный коллектор.

Теплосъем осуществляется с массива грунта и теплового потока ниже глубины промерзания (около 2-х метров). В соответствии с расчетом роются траншеи, на дно которых укладываются трубы ПНД заполненные гликолевым раствором, в процессе работы теплового насоса осуществляется циркуляция теплоносителя. Возможна организация данного коллектора при наличии достаточной площади под земляные работы. Для работы теплового насоса тепловой мощностью 15кВт требуется приблизительно от 600 метров уложенной трубы ПНД и соответственной такой же погонаж вырытых траншей, общая же площадь коллектора с учетом технологии копки составит более 6 соток земельного участка.

Многоуровневый коллектор.

Является разновидностью «Горизонтального коллектора», особенностью работ будет увеличение глубины траншеи до 3,1 м, послойная укладка ПНД в несколько уровней и сокращение общей длинны траншей в 4 и более раз. Фактическая стоимость работ будет близка к стоимости «горизонтального коллектора», при резком сокращении занимаемой площади и в этом варианте уже появляется возможность вписать геотермальный коллектор в «стандартный» земельный участок.

 

Вертикальный коллектор.

Создается на основе скважин глубинами до 100 метров и более в которые погружаются U-образные зонды с циркулирующей незамерзающей жидкостью. Наиболее компактный тип коллекторов, может быть расположен на любом по площади участке. Все в нем замечательно кроме как уж водится цены. Для получения 15 кВт тепловой энергии необходимо от 230 погонных метров пробуренных скважин. Цены на стандартные буровые работы все себе представляют. Не смотря ни на что, возможно это самый массовый вариант геотермальных коллекторов в мире и для кого-то он будет куда лучше, чем постоянная топка хоть пелетами, хоть дровами, а диз. топливо и электроотопление окажутся и в разы дороже в эксплуатации или банально отсутсвуют достаточные подведенные мощности.

Доступность и универсальность

Практически нет такого дома или объекта, где недоступна установка теплового насоса. Источник рассеянного тепла мы можем обнаружить в любом уголке нашей планеты. Земля, вода и, конечно, воздух есть даже на самом отдаленном от цивилизации участке, вдали от газопроводов — тепловой насос везде раздобудет для себя «пищу» для того, чтобы бесперебойно обогревать ваш дом. Это оборудование не зависит от капризов погоды, поставщиков и тарифов на тепло, наличия дров или дизельного топлива, или просто от падения давления газа в сети. Тепловые насосы не только вырабатывают тепло, но и охлаждают помещения, то есть они реверсивные. Тепловые насосы могут отбирать тепло из воздуха дома, охлаждая его и направлять тепловые избытки в скважину или на улицу с воздухом. В летнее время избыточное тепло можно использовать на подогрев бассейна.  Также они способны одновременно с обогревом или охлаждением приготовить горячую воду для бытовых нужд.

Монтаж и пусконаладочные работы

Компания Фабрика Тепла предлагает вам предварительный расчет экономической целесообразности, подбор, поставку оборудования, проведение пусконаладочных работ. Ознакомиться со стоимостью популярных моделей тепловых насосов вы можете на нашем сайте и по телефону 8 (831) 220-70-80

 

Документальный фильм о тепловых насосах (СССР).

Категория: Тепловые насосы

Дата: 17 июня 2014 г.

Что такое тепловой насос. Принцип работы и стоимость теплового насоса

  Тепловой насос — это альтернатива газовому или электрическому котлу, принцип работы, которых основывается на произведении тепла. Тепловой насос в свою очередь не производит тепло — он берет энергию воздуха с улицы, воды или же грунта, и переносит в помещение. Таким образом, тепловой насос может работать на отопление, кондиционирование воздуха и даже на нагрев воды.

 

  Тепловые насосы способны обеспечивать отопление даже при наружной температуре воздуха в -25°C. Тем самым, достигается высокий показатель КПД тепловых насосов – 3-5кВт тепла (или же холода) на 1 кВт электричества, в то время когда у газовых и электрических котлов уровень КПД меньше 1 кВт! Откуда тепловой насос берет тепло, если на улице -25°C? Ответ прост. Из того же воздуха. На самом деле абсолютный 0, это -273 градуса по Цельсию. Все что до этой отметки — тепло. И это тепло можно доставать, накапливать и направлять на нагрев.

 

  Работу воздушного теплового насоса можно сравнить с работой всем знакомого бытового кондиционера. У него так же есть наружный и внутренний блок, только вот воздушный тепловой насос греет не воздух в доме, а воду, которая потом бежит в теплый пол, в радиаторы или же фанкойлы. Так мы и получаем эффективное отопление в нашем доме.

 

Конструкция теплового насоса на примере модели Mitsubishi Electric 

      

Типы тепловых насосов 

  Тепловые насосы бывают разных типов:
 

  Все вышеуказанные виды тепловых насосов в качестве источника энергии для тепла, холода, используют:

• воздух, окружающий нас;
• воду из водоемов, или же подземные воды;
• грунт. 

  Устройства тепловых насосов разных типов очень схожи между собой, но есть и некоторые отличия. Например, у воздушного теплового насоса во внешнем блоке будут вентиляторы, которые прогоняют уличный воздух через систему. У грунтового теплового насоса будут трубы, схожие со скважиной, которые вкапываются в грунт, и забирают из него тепло для отопления или кондиционирования в доме. У водяного насоса так же будет скважина, через которую вода забирается в тепловой насос и прогоняется через систему для отопления.

  Более детально об особенностях разных видов тепловых насосов читайте в статье ‘Виды тепловых насосов для отопления: виды, преимущества и применение’.

 

Правильно подобрать тепловой насос могут специалисты, которые при расчетах и выборе системы учитывают такие факторы:
 

• Состояние объекта (новое, или же реконструкция)
• Физическое расположение объекта (для выбора типа теплового насоса – воздушный, водяной или грунтовой)

  Рассматривая различия преимуществ одного вида теплового насоса от других, можно сказать, что воздушный тепловой насос считается более универсальным, так как подойдет для многих типов коттеджей и частных домой. Он так же быстро окупится. 

  Что касается грунтового теплового насоса – он выглядит более эффективным, однако, такая система дольше окупается из-за стоимости земляных работ (бурения под скважину). В случае, если ваш объект находится вдалеке от комплексных построек, и электричество вам обходится очень дорого, то грунтовой тепловой насос является единственным выходом.

  Водяные тепловые насосы применяться в двух случаях: если у вас обилие грунтовых вод (что встречается довольно редко), или же если рядом расположен водоем. Во втором случае, хотим предупредить, что для того чтобы забирать тепло из водоема — нужно использовать специфические теплообменники, которые к тому же довольно часто могут засоряться. Это приведет к уменьшению производительности и дорогому сервисному обслуживанию

Мы хотим проконсультировать Вас

  Компания VENTBAZAR.UA занимается поставкой и монтажем ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ любого типа и мощности.

 

  Помимо этого осуществляем:

 

— консультацию по вопросах альтернативного отопления на базе тепловых насосов; 

— предварительный аудит теплозатрат обьекта;

— проектирование;

— сервисное обслуживание установленных нами систем.

   

  Звоните: (044) 50 000 53 или (097) 100 05 33.

  Также можете указать свои контактные данные, и наш менеджер свяжется с Вами  для подбора решения для Вашей квартиры/дома или офиса.

Схема подключения к тепловому насосу различных видов агрегатов для отопления:

 
 

Сколько стоит тепловой насос, и какие производители существуют

 

  Стоимость оборудования для коммерческих и частных помещений:

• Для помещений площадью  100-150 м² —  составляет от 2700 до 4500 EUR. 
• Для помещений площадью  170-280 м² — составляет от  4700 до 15000 EUR.  
• Для помещений 400 м² и выше  — ИНДИВИДУАЛЬНО.

  К премиум сегменту можно отнести следующих производителей: Hitachi Yutaki, Mitsubishi Electric, Daikin Altherma, Viessmann, Vaillant.

  К средне-ценовому сегменту: MyCond, Gree Versati, Cooper&Hunter.

  Подводя итоги, можно сказать, что идеальным вариантом является использование теплового насоса ‘воздух-вода’. Он прост в монтаже, эксплуатации и довольно быстро окупается. Если не верите нам, то посчитайте, сколько вы сможете сэкономить на отоплении квартиры или дома, если установите тепловой насос. Все необходимые формулы мы опубликовали здесь.

  Для чего вам нужен тепловой насос? Прежде всего, чтобы экономить на отоплении. А как бонус вы получаете систему кондиционирования всего дома в жаркий период года и наличие горячей воды в доме круглый год. 

 

Преимущества и недостатки тепловых насосов:

 

   Произвести грамотные расчеты, подобрать и купить тепловой насос Вам помогут наши технические специалисты. Звоните по номеру (044) 50 000 53, или же закажите Обратный звонок в шапке сайта и получите бесплатную консультацию!
 
 

Похожие статьи:

Отопление частного дома

Отопление без газа: решения, цены, с чего лучше начать?

Подбираем тепловой насос ‘воздух-вода’ правильно

Как это работает / Промышленные тепловые насосы

Различные типы тепловых насосов

Механический тепловой насос — это тепловой насос, который обычно применяется в промышленности. Однако доступны несколько других типов тепловых насосов.

Механический тепловой насос: Механический тепловой насос является наиболее широко используемым и коммерчески возможным тепловым насосом. Принцип действия: давление хладагента увеличивается с помощью компрессора, вызывающего повышение температуры кипения.Существует две разновидности механических тепловых насосов: система с прямым расширением (система DX) и система, в которой емкость используется для разделения газообразного и жидкого хладагента. Узнать больше

Тепловой насос с газовым двигателем: Тепловой насос с газовым двигателем состоит из механического теплового насоса и газового двигателя. В отличие от обычного теплового насоса, в котором компрессор приводится в действие электродвигателем, компрессор теплового насоса с газовым двигателем приводится в действие газовым двигателем. Можно утилизировать тепло от охлаждения двигателя и дымовые газы газового двигателя.Следовательно, мощность теплового насоса может быть ниже.

Абсорбционный тепловой насос: Принцип работы абсорбционного теплового насоса основан на испарении хладагента и его абсорбции в абсорбирующую среду. Хорошо известными комбинациями хладагента и абсорбирующей среды являются бромид лития и вода, а также аммиак и вода. Движущей силой теплового насоса этого типа является тепловая энергия. Абсорбционные тепловые насосы могут быть очень полезны, когда необходимо как обогрев, так и охлаждение. Узнать больше

Адсорбционный тепловой насос: Хотя адсорбционный тепловой насос основан на тех же принципах, что и абсорбционный тепловой насос, в качестве абсорбирующей среды используется твердое тело, а не жидкость.Узнать больше

Транскритический CO ₂ тепловой насос: CO выше 31 ° C ₂ попадает в транскритический диапазон; Это означает, что нельзя делать различия между жидкой и газовой фазами. Из-за этого явления тепло может выделяться в диапазоне температур вместо фиксированной температуры. Узнать больше

Гибридный тепловой насос: Гибридный тепловой насос представляет собой комбинацию механического и абсорбционного теплового насоса. Принцип действия основан на том факте, что абсорбция аммиака водой происходит при гораздо более высоких температурах по сравнению с конденсацией аммиака при постоянном давлении.Узнать больше

Термоакустический тепловой насос:
В термоакустическом тепловом насосе используется физический принцип, согласно которому разность температур может генерировать звуковые волны. Или наоборот: звуковая волна может создавать разницу температур. Низкотемпературное отработанное тепло используется для создания звуковой волны. Эта волна используется для создания разницы температур в другой ценной высокотемпературной среде. Термоакустические системы пока отсутствуют в продаже.

Как работает тепловой насос | Как работают тепловые насосы

Основные сведения о тепловом насосе

Один очень важный момент, который следует понимать, отвечая на вопрос «как работают тепловые насосы?» в том, что тепловые насосы не производят тепло — они перемещают тепло из одного места в другое.Печь создает тепло, которое распространяется по всему дому, но тепловой насос поглощает тепловую энергию из наружного воздуха (даже при низких температурах) и передает ее воздуху в помещении. В режиме охлаждения тепловой насос и кондиционер функционально идентичны, они поглощают тепло из воздуха в помещении и отводят его через наружный блок. Щелкните здесь, чтобы узнать больше о тепловых насосах и кондиционерах.

При рассмотрении того, какой тип системы лучше всего подходит для вашего дома, следует учитывать несколько важных факторов, включая размер дома и местный климат.У местного дилера Carrier есть опыт, чтобы должным образом оценить ваши конкретные потребности и помочь вам принять правильное решение.

Важные компоненты системы теплового насоса

Типичная система теплового насоса с источником воздуха состоит из двух основных компонентов: наружного блока (который выглядит так же, как наружный блок сплит-системы кондиционирования воздуха) и внутреннего блока обработки воздуха. Как внутренний, так и внешний блок содержат различные важные компоненты.

Наружный блок

Наружный блок содержит змеевик и вентилятор.Змеевик работает либо как конденсатор (в режиме охлаждения), либо как испаритель (в режиме нагрева). Вентилятор обдувает змеевик наружным воздухом для облегчения теплообмена.

Внутренний блок

Как и наружный блок, внутренний блок, обычно называемый блоком обработки воздуха, содержит змеевик и вентилятор. Змеевик действует как испаритель (в режиме охлаждения) или конденсатор (в режиме нагрева). Вентилятор отвечает за перемещение воздуха через змеевик и воздуховоды в доме.

Хладагент

Хладагент — это вещество, которое поглощает и отводит тепло, циркулируя в системе теплового насоса.

Компрессор

Компрессор нагнетает хладагент и перемещает его по системе.

Реверсивный клапан

Часть системы теплового насоса, которая меняет направление потока хладагента, позволяя системе работать в противоположном направлении и переключаться между нагревом и охлаждением.

Расширительный клапан

Расширительный клапан действует как дозирующее устройство, регулируя поток хладагента, когда он проходит через систему, что позволяет снизить давление и температуру хладагента.

Как работает тепловой насос — режим охлаждения

Одна из самых важных вещей, которые нужно понять о работе теплового насоса и процессе передачи тепла, заключается в том, что тепловая энергия естественным образом направляется в области с более низкими температурами и меньшим давлением. Тепловые насосы полагаются на это физическое свойство, позволяя теплу контактировать с более холодной средой с более низким давлением, чтобы тепло могло передаваться естественным образом. Так работает тепловой насос.

Тепловой насос в режиме охлаждения.

Шаг 1

Жидкий хладагент перекачивается через расширительное устройство на внутреннем змеевике, которое функционирует как испаритель.Воздух из помещения проходит через змеевики, где тепловая энергия поглощается хладагентом. Получающийся в результате холодный воздух обдувается воздуховодами дома. Процесс поглощения тепловой энергии приводит к нагреванию жидкого хладагента и его испарению в газообразную форму.

Шаг 2

Теперь газообразный хладагент проходит через компрессор, который сжимает газ. В процессе сжатия газа он нагревается (физическое свойство сжатых газов). Горячий хладагент под давлением проходит через систему к змеевику наружного блока.

Шаг 3

Вентилятор наружного блока перемещает наружный воздух через змеевики, которые служат змеевиками конденсатора в режиме охлаждения. Поскольку воздух снаружи дома холоднее, чем горячий сжатый газовый хладагент в змеевике, тепло передается от хладагента к наружному воздуху. Во время этого процесса хладагент снова конденсируется до жидкого состояния при охлаждении. Теплый жидкий хладагент перекачивается через систему к расширительному клапану внутренних блоков.

Шаг 4

Расширительный клапан снижает давление теплого жидкого хладагента, что значительно его охлаждает.В этот момент хладагент находится в холодном жидком состоянии и готов к перекачке обратно в змеевик испарителя внутреннего блока, чтобы снова начать цикл.

Как работает тепловой насос — режим отопления

Тепловой насос в режиме обогрева работает так же, как и в режиме охлаждения, за исключением того, что поток хладагента реверсируется с помощью реверсивного клапана с соответствующим названием. Реверсирование потока означает, что источником тепла становится наружный воздух (даже при низких температурах наружного воздуха), а тепловая энергия выделяется внутри дома.Внешний змеевик теперь выполняет функцию испарителя, а внутренний змеевик выполняет роль конденсатора.

Физика процесса такая же. Тепловая энергия поглощается в наружном блоке холодным жидким хладагентом, превращая его в холодный газ. Затем к холодному газу прикладывают давление, превращая его в горячий газ. Горячий газ охлаждается во внутреннем блоке за счет прохождения воздуха, нагрева воздуха и конденсации газа до теплой жидкости. Теплая жидкость сбрасывается под давлением, когда она входит в наружный блок, превращая ее в охлаждающую жидкость и возобновляя цикл.

Как работает тепловой насос — Обзор

Тепловой насос — это универсальная и эффективная система охлаждения и обогрева. Благодаря реверсивному клапану тепловой насос может изменять поток хладагента и либо нагревать, либо охлаждать дом. Воздух обдувается змеевиком испарителя, передавая тепловую энергию от воздуха хладагенту. Эта тепловая энергия циркулирует в хладагенте в змеевике конденсатора, где она высвобождается, когда вентилятор продувает воздух через змеевик. Благодаря этому процессу тепло перекачивается из одного места в другое.

Местный эксперт Carrier HVAC может помочь оценить ваши потребности в отоплении и охлаждении и порекомендовать подходящую систему теплового насоса.

Как работают тепловые насосы

Цель этой страницы — охватить основные концепции, объясняющие, как работают тепловые насосы, и предоставить практическую информацию для всех, кто рассматривает возможность установки теплового насоса. Эта практическая информация включает в себя анализ стоимости установки и эксплуатационных расходов, а также список поставщиков. Тепловые насосы — прекрасное изобретение, весьма увлекательное с точки зрения физики.Вы видите их в повседневных применениях, будь то в системах охлаждения, таких как кондиционеры, или в системах отопления, которые будут объяснены на этой странице.

Для начала давайте сначала обсудим основы работы тепловых насосов.

Как работают тепловые насосы — основы

Тепловой насос — это устройство, которое «транспортирует» тепловую энергию из одного места в другое. Это основная особенность работы тепловых насосов. Кондиционер — это разновидность теплового насоса. Он «забирает» тепло из помещения и перекачивает его наружу.Таким образом, в помещении у вас есть холодный воздух, выходящий из вентиляционного отверстия после прохождения через теплообменник. С внешней стороны теплый воздух выходит из другого теплообменника. Теплообменник на внутренней стороне называется испарителем, а теплообменник на внешней стороне называется конденсатором.

В следующем разделе более подробно рассказывается о том, как работают тепловые насосы.

Принципы работы

На рисунке ниже показана схема теплового насоса.

Источник: http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_pump. Автор: http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Ilmari_Karonen

Ступень 1 — теплообменник горячей стороны (для кондиционеров это наружная сторона).

Ступень 2 — расширительный клапан.

Ступень 3 — теплообменник холодной стороны (для кондиционеров — на внутренней стороне).

Ступень 4 — компрессор.

Разделение тепловых насосов на эти четыре этапа является основным способом понять, как работают тепловые насосы.

В тепловых насосах используется рабочая жидкость, называемая хладагентом. Этот хладагент выбирается на основе его полезных физических свойств на различных этапах работы внутри теплового насоса. Хладагент циркулирует через тепловой насос с помощью компрессора, который управляет процессом. Хладагент входит в компрессор на стадии 4 в газообразном состоянии (насыщенный пар) при более низком давлении и более низкой температуре и выходит при более высоком давлении и более высокой температуре в перегретом газообразном состоянии.Затем хладагент проходит через теплообменник с горячей стороны и при этом переходит в жидкое состояние (стадия 1). Связанные с этим потери тепла газа и скрытая теплота конденсации (из-за фазового перехода от газа к жидкости) передаются из теплообменника в любую среду, с которой теплообменник контактирует. Для кондиционеров такой средой является наружный воздух. Затем хладагент проходит через расширительный клапан (ступень 2), который заставляет жидкий хладагент мгновенно превращаться в смесь газа и жидкости при давлении и температуре ниже, чем перед входом в клапан.Затем эта смесь проходит через теплообменник холодной стороны на стадии 3, во время которой хладагент полностью превращается в газ. Связанная скрытая теплота парообразования (из-за фазового перехода жидкой части смеси в газ) поглощается теплообменником из любой среды, с которой теплообменник контактирует. Для кондиционеров такой средой является воздух в помещении. С этой стадии хладагент поступает в компрессор в виде насыщенного пара, и цикл повторяется.

Как вы, возможно, видите, полезные свойства хладагента — это в основном свойства фазового перехода, которые возникают спонтанно, когда хладагент подвергается изменениям давления и температуры как в компрессоре, так и в расширительном клапане.Чтобы полностью понять этот процесс, необходимо выполнить термодинамический анализ. Отличный справочник, объясняющий термодинамические детали того, как работают тепловые насосы: Модели тепловых насосов Ок-Ридж: I. Стационарная компьютерная модель для тепловых насосов воздух-воздух , Национальная лаборатория Ок-Ридж, С.К. Фишер, СК Райс, август 1983 года.

Интересным аспектом работы тепловых насосов является то, что вы действительно можете передавать больше тепловой энергии, чем энергия, необходимая для их работы. Например, с помощью кондиционера вы можете транспортировать больше тепловой энергии из здания, чем электроэнергии, необходимой для его питания.Это создает впечатление, что эффективность превышает 100%. Но как это возможно? Как можно получить что-то даром? Ну, на самом деле нет. Как было сказано ранее, тепловой насос просто переносит энергию из одного места в другое. Это не то же самое, что создавать что-то из ничего. Таким образом, в случае теплового насоса для семантики более подходящим становится определение коэффициента производительности (COP), который равен: (переносимая тепловая энергия) / (потребляемая энергия). Таким образом, для «эффективности» 400% COP = 4.

В качестве альтернативы можно использовать тепловой насос в качестве обогревателя вместо охладителя / холодильника. По сути, это означает, что кондиционер нужно перевернуть так, чтобы внешняя часть была обращена внутрь помещения, а внутренняя часть — наружу. С такой настройкой у вас будет обогреватель вместо кондиционера. И еще раз: вы можете получить кажущуюся эффективность более 100%.

Но есть загвоздка.

Для достижения высокого КПД необходимо работать в определенных диапазонах температур.Поэтому, если вы используете тепловой насос в качестве обогревателя зимой, у вас не может быть чрезмерно низкой температуры наружного воздуха, иначе ваш COP снизится. Фактически, COP будет приближаться к 1 для наружных температур -18 градусов Цельсия или ниже. Это связано с тем, что по мере того, как становится холоднее, становится все труднее извлекать тепло снаружи (перекачивать его в помещении). В конце концов, передаваемая тепловая энергия становится равной потребляемой электрической энергии (COP = 1), и стоимость отопления становится намного дороже.Таким образом, в этом случае тепловой насос, используемый для отопления, лучше всего использовать при умеренных зимних температурах.

Аналогичным образом, если вы используете тепловой насос в качестве охладителя (кондиционера) летом, у вас не может быть чрезмерно высокой температуры наружного воздуха, иначе ваш COP снизится. К счастью, летом никогда не бывает достаточно жарко, чтобы снизить коэффициент полезного действия до 1 — для этого потребуется температура наружного воздуха 50+ градусов по Цельсию!

Это интуитивно понятно — более низкий COP является результатом того, что тепловая энергия в большей степени «подталкивается вверх» и работает против естественного направления теплопередачи — от горячего к холодному.Таким образом, чем больше разница температур, с которой вы работаете, тем больше энергии требуется и тем меньше отдачи вы получаете от затраченных средств.

Итак, перед нами стоит практическая дилемма, особенно когда речь идет об обогревателе: чем больше он вам нужен, тем менее эффективным он становится, и чем меньше он вам нужен, тем эффективнее он становится. Но есть способ справиться с этим. Вы можете использовать тепловую энергию земли, чтобы поддерживать высокий КПД. Это обсуждается в следующем разделе.

Тепловой насос наземного источника

Этот раздел особенно полезен для многих людей, которые хотят знать, как работают тепловые насосы, поскольку они имеют в виду геотермальные / наземные источники.

На схеме ниже показан геотермальный тепловой насос. На этом рисунке показана конфигурация теплового насоса и контура заземления.

На этом рисунке показана сеть подземных труб, образующих замкнутый контур. Если вы войдете достаточно глубоко (например, 5-6 м в районе Оттавы) — значительно ниже линии замерзания, температура земли будет примерно постоянной 10 градусов Цельсия в течение всего года с небольшими колебаниями. Это связано с энергией солнца, которое нагревает землю и поддерживает постоянный температурный профиль круглый год на определенной глубине.Именно этот стабильный температурный режим позволяет геотермальному тепловому насосу работать эффективно.

Зимой жидкий раствор незамерзания, такой как пропиленгликоль (смешанный с водой), который служит в качестве теплоносителя, прокачивается по трубам и по мере продвижения по ним нагревается примерно до (окружающей) земли. температура, которая для области Оттавы составляет 10 градусов по Цельсию. По мере того, как антифриз возвращается вверх (в нагретом состоянии), он попадает в теплообменник, который позволяет передавать тепловую энергию (полученную от земли) тепловому насосу, который затем передает энергию в помещении, чтобы обогреть здание.Охлажденный в этот момент раствор антифриза возвращается под землю, чтобы снова получить тепло от земли, и цикл повторяется. Длина трубы, идущей под землей, пропорциональна желаемой тепловой нагрузке.

В летнее время тепловой насос может работать в обратном направлении, как охладитель (кондиционер). Таким образом, операция аналогична, за исключением того, что вместо получения тепла от земли, раствор незамерзания (который теперь действует как охлаждающая среда) «отдает» тепло земле.По мере того, как антифриз возвращается вверх (в охлажденном состоянии), он попадает в теплообменник, который позволяет передавать тепловую энергию изнутри здания посредством теплового насоса. Это позволяет зданию охладиться внутри. Раствор антифриза, который нагревается в этот момент, возвращается под землю, чтобы снова терять тепло на землю, и цикл повторяется. Длина трубы, идущей под землей, пропорциональна желаемой охлаждающей нагрузке.

Что делает этот метод настолько привлекательным, так это то, что у вас есть бесплатный, легко доступный в изобилии «радиатор» или «источник тепла», доступный из-под земли, который можно использовать для высокоэффективных тепловых насосов.Зимой вы используете тепловой насос в качестве источника тепла, а летом вы включаете тепловой насос в обратном направлении и используете его в качестве источника охлаждения. Поскольку на определенной глубине под землей температура относительно постоянна круглый год, COP остается высоким круглый год.

Основным преимуществом этого метода является нагрев, поскольку именно там достигается большая часть экономии. Это может быть усовершенствование других методов отопления, которые могут использовать природный газ, мазут или электрическое отопление.Кстати, электрическое отопление — один из наименее эффективных способов обогрева здания, так как его коэффициент полезного действия равен 1.

Основным недостатком геотермальных тепловых насосов является первоначальная первоначальная стоимость, которая в США и Канаде может составлять около 2500 долларов (или больше) за тонну мощности. Обратите внимание, что одна тонна равна 12 000 БТЕ / час или 3,5 кВт.

Но поскольку годовые эксплуатационные расходы могут быть значительно ниже, чем у обычных систем отопления, эта система окупается за несколько лет.

На рисунке ниже показано изображение подземной трубопроводной сети, типичной для такой установки.

Источник: http://en.wikipedia.org/wiki/Ground_source_heat_pump. Автор: Marktj

Трубы можно укладывать вертикально под землей в глубокую яму глубиной в сотни футов или в большие неглубокие траншеи глубиной несколько метров. Глубокая яма может быть лучшим вариантом, если у вас небольшая территория или вы не хотите копать большую площадь, хотя такая установка будет стоить больше, чем система с горизонтальной петлей. Длина используемой трубы обычно составляет сотни футов. Как правило, требуется 500-600 футов трубы в траншеях 250-300 футов на тонну пропускной способности системы, в зависимости от влажности почвы (ссылка: http: // www.earthheat.ca).

Трубы обычно изготавливаются из пластика, который требует большей длины для достижения температуры земли, чем металлические трубы, но они легче, гибче и очень долговечны.

Краткая информация

Вот несколько фактов о геотермальных тепловых насосах:

• Общее снижение затрат на электроэнергию в здании может составить до 60%.

• Срок окупаемости 6-8 лет.

• Типичный КПД геотермального теплового насоса для отопления и охлаждения составляет 3-4

В следующем разделе мы проведем анализ стоимости замещения.

Анализ затрат на замену

Если у вас есть система отопления, которую вы планируете заменить на систему с геотермальным тепловым насосом, разумно сначала оценить потребление энергии, чтобы узнать, сколько вы сэкономите, если вообще сэкономите. Попросите кого-нибудь прийти к вам домой или на работу и провести оценку. Но вы также можете попробовать свои силы в приблизительном подсчете, посмотрев на свои счета за электроэнергию. Если вы используете электричество для обогрева помещений и / или воды, то выясните, сколько затрат на электроэнергию связано с этими конкретными видами использования в течение одного года.Назовите эту сумму X . Таким образом, ваша годовая экономия будет равна AS = X (1 — 1 / COP).

Если вместо этого вы используете топливо, расчет становится более сложным. Сначала необходимо подсчитать, сколько топлива для отопления вы потребляете ежегодно. Ваши счета за электроэнергию должны содержать эту информацию. Давайте воспользуемся природным газом в качестве примера расчета.

Для природного газа единицей измерения является объем, м ³ (кубических метров). Из ваших счетов за электроэнергию сложите общий объем (в м ³ ) природного газа, использованного в течение одного года, на основе показаний вашего счетчика.Назовите этот том V .

Плотность энергии природного газа составляет около 35 000 БТЕ / м ³ .

Сейчас,

35000 БТЕ = 10,26 кВтч

Для производства 10,26 кВтч тепловой энергии количество потребляемой тепловой энергии электроэнергии, необходимой тепловому насосу, составляет 10,26 / COP (например, для COP = 3, потребляемая энергия составляет 10,26 / 3 = 3,4 кВтч).

Тогда соответствующие затраты на электроэнергию равны EC = (10,26 / COP) × (стоимость кВтч электроэнергии в вашем районе). Обратите внимание, что стоимость электроэнергии на кВтч должна равняться общей стоимости , которая составляет: (общая сумма, подлежащая оплате по счету за электроэнергию) / (общее количество потребленных кВтч на основе показаний вашего счетчика).В моем районе тариф на электроэнергию составляет 15 центов / кВтч.

Итак, годовые затраты на электроэнергию с использованием геотермального теплового насоса составляют EC × V .

Теперь, исходя из ваших счетов за электроэнергию, рассчитайте общих затрат на использование природного газа в размере в течение одного года, включая налоги. Назовите это NGC .

Таким образом, ваша экономия затрат в год составит AS = NGC — EC × V . В некоторых случаях это число может быть отрицательным, и в этом случае вы заплатите больше за систему геотермального теплового насоса, чем за вашу текущую систему.

Теперь можно посмотреть срок окупаемости.

Учитывая, что затраты на техническое обслуживание, вероятно, минимальны, приблизительный срок окупаемости в годах = (стоимость установки теплового насоса) / AS

Тот же базовый расчет применяется к другим видам топлива для отопления, таким как пропан. Просто отслеживайте используемые единицы и используйте правильную плотность энергии на единицу объема (эту информацию вам даст поиск в Интернете). В некоторых случаях вы можете использовать галлоны вместо кубических метров.

Геотермальный тепловой насос прямого обмена

Разновидностью геотермального теплового насоса является Геотермальный тепловой насос с прямым обменом .В этой системе медный змеевик теплового насоса помещается непосредственно в землю и в результате обменивается теплом напрямую с землей. Это обеспечивает более эффективный теплообмен с почвой, поскольку не происходит промежуточного теплообмена с контуром заземления до того, как произойдет теплообмен с змеевиком теплового насоса. Есть более прямой путь теплообмена. Эта более простая конструкция позволяет использовать более короткие трубки и снизить стоимость установки. Однако недостатком этой конструкции является то, что компрессор нельзя размещать на большом расстоянии от катушек заземления.Это может быть ограничительным в зависимости от приложения. Кроме того, стоимость хладагента может быть высокой из-за большого объема, необходимого для длинного медного змеевика.

Вернуться на страницу Engineering

Вернуться на домашнюю страницу Real World Physics Problems

пожаловаться на это объявление

Тепловой насос — обзор

C Холодильник Карно

Холодильник — это тепловой двигатель, работающий в обратном направлении, и представляет собой разновидность теплового насоса. Это показано на Рисунке 6-3.Холодильник забирает тепло q _c из холодного резервуара при температуре T _c с вводом работы w и отклоняет тепло q _h в горячий резервуар при температуре T _h . Холодильник работает от электрического тока, отводит тепло от предметов внутри и отводит тепло в окружающую комнату.

РИСУНОК 6-3. Схематическое сравнение основной работы теплового двигателя и теплового насоса.

Теперь посмотрим на холодильник с практической точки зрения. На рис. 6-4 показаны основные принципы работы холодильника. Сжиженный хладагент из резервуара для хранения жидкости проходит через дроссельный клапан в испаритель. Испаритель получает количество тепла q _c от предметов с температурой T _c внутри холодильника. Этот тепловой поток испаряет жидкий хладагент внутри испарителя. Испаренный хладагент поступает в компрессор, где сжимается адиабатически (или почти так).Это дает более плотный и горячий газ, который течет в конденсатор. Горячий газ под высоким давлением в конденсаторе охлаждается воздушным или водяным охлаждением. Конденсатор отклоняет количество тепла q _h в окружающую комнату при T _h . При охлаждении в конденсаторе хладагент снова сжижается, который течет в емкость для хранения жидкости, и цикл начинается заново.

РИСУНОК 6-4. Принципиальная схема холодильника и его работы.

Не вдаваясь в технические подробности, хорошие хладагенты — это газы, которые можно сжижать при умеренном давлении при температуре немного выше комнатной, иметь точку замерзания ниже самой низкой температуры в холодильном цикле, иметь критическую точку выше самой высокой температуры. в цикле, являются химически стабильными, не вступают в реакцию с материалами в холодильной установке и имеют умеренное давление пара при самой низкой температуре в цикле.(Критическая точка — это самая высокая температура, при которой сосуществуют жидкость и газ. Две фазы сливаются в одну фазу выше критической точки. Мы обсуждаем это в главах 7 и 8, главе 7, главе 8.) Хорошие хладагенты также должны давать удовлетворительный коэффициент производительности. который мы определяем в следующем абзаце. Кроме того, хладагенты для домашнего использования должны быть нетоксичными. Газы, которые используются в качестве хладагентов, включают газы, перечисленные в Таблице 6-1. Хлорфторуглеродные (CFC) газы постепенно исключаются из использования в качестве хладагентов, поскольку они являются парниковыми газами, а также вызывают разрушение озонового слоя, когда они фотохимически разлагаются в стратосфере Земли.Гидрофторуглероды (HFC) заменяют хладагенты CFC. Однако газы HFC также являются парниковыми газами. По иронии судьбы, пропан и изобутан, которые горючие и были заменены газами CFC в 1930-х годах, в настоящее время являются предпочтительными альтернативами хладагентам CFC и HFC.

Таблица 6-1. Свойства выбранных хладагентов ^a

₃ F.95 9037 ₂ 6 9037 F555 пропан 900 коэффициент эффективности любого холодильника производительность (β), которая представляет собой количество тепла ( q _c ), удаляемое из низкотемпературного резервуара, чтобы поддерживать его при заданной низкой температуре, деленное на количество работы ( w ), необходимой для отвода тепла :

(6-23) β = −qcw

Уравнение (6-23) имеет знак минус, поскольку в главе 3 мы определили работу, выполненную в системе, как отрицательную.Коэффициенты производительности больше единицы, причем большие значения указывают на большую эффективность. Например, типичная температура внутри морозильной камеры составляет около 5 ° F (258 K), а типичная температура конденсатора в морозильной камере составляет 86 ° F (303 K). В этом случае наблюдаемые коэффициенты производительности при использовании аммиака или CO ₂ в качестве хладагента составляют 4,76 или 2,56 соответственно. Напротив, коэффициент полезного действия для холодильника Карно (то есть обратного теплового двигателя Карно), работающего между теми же температурами, составляет

(6-24) βCarnot = −qcw = TcTh − Tc = 258303−258 = 5.73

, что является теоретическим максимальным КПД в этих условиях.

Пример 6-2. Один килограмм жидкой воды при температуре 25 ° C помещается в морозильную камеру при температуре −15 ° C, чтобы приготовить кубики льда для вечеринки. Подсчитайте количество электроэнергии (в киловатт-часах), необходимое для изготовления кубиков льда, используя холодильник Карно или холодильник с аммиачным хладагентом. Предположим, что оба холодильника отводят тепло при температуре конденсатора 30 ° C. Энтальпия плавления воды 6009.5 Дж моль ⁻¹ при 0 ° C, а средние значения C _P для воды и льда составляют 75,54 Дж моль ⁻¹ K ⁻¹ (от 0 ° C до 25 ° C) и 36,45 Дж моль ⁻¹ K ⁻¹ (от -15 ° C до 0 ° C) соответственно.

Количество тепла, которое необходимо отвести, равно энтальпии жидкой воды от 0 ° C до 25 ° C, энтальпии плавления и энтальпии льда от 0 ° C до -15 ° C на килограмм. Один килограмм воды равен 55,51 моль воды, поэтому количество тепла ( q _c ) составляет

(6-25) qc = 55.51 [75,54 (25) + 6009,5 + 36,45 (15)] = 468,768J

Коэффициент полезного действия холодильника Карно составляет

(6-26) βCarnot = −qcw = TcTh − Tc = 258303−258 = 5,73

, а объем выполненной работы в Джоулях составляет

(6-27) −w = qcβCarnot = 468,7685,73 = 81,809J

Коэффициент полезного действия аммиачного холодильника составляет 4,76, значение, указанное ранее. Работа, выполняемая аммиачным холодильником, составляет

(6-28) −w = qcβNh4 = 468,7684,76 = 98,481J

Используя коэффициенты пересчета в таблице 3-2, мы вычисляем, что 0.Для охлаждения холодильника Карно требуется 2 киловатт-часа электроэнергии, а для аммиачного холодильника — 0,03 киловатт-часа. Однако в наших расчетах не учитывается работа, которую необходимо выполнить для поддержания килограмма кубиков льда при температуре -15 ° C, учитывая несовершенную изоляцию, потому что мы не знаем размер утечки тепла в морозильную камеру из окружающей комнаты.

Принцип работы Тепловые насосы

Шум

Для геотермального теплового насоса нет необходимости в наружном блоке с движущимися механическими компонентами: внешний шум не создается.

Для теплового насоса с воздушным источником требуется наружный блок, содержащий движущиеся механические компоненты, включая вентиляторы, которые производят шум. В 2013 году CEN начал работу над стандартами защиты от шумового загрязнения, создаваемого наружными блоками тепловых насосов.

В США допустимый уровень шума в ночное время был определен в 1974 году как «средний 24-часовой предел воздействия в 55 децибел по шкале А (дБА) для защиты населения от всех неблагоприятных воздействий на здоровье и благополучие в жилых районах ( U.S. EPA 1974). Этот предел представляет собой 24-часовой средний уровень шума (LDN) днем ​​и ночью, со штрафом в 10 дБА, применяемым к ночным уровням между 22:00 и 07:00 часами, чтобы учесть нарушение сна, и без штрафа к дневным уровням.

Еще одной особенностью внешних теплообменников АШП является необходимость остановки вентилятора время от времени на несколько минут, чтобы избавиться от мороза.

Рекомендации по производительности

При сравнении производительности тепловых насосов лучше избегать слова «эффективность», которое имеет очень конкретное термодинамическое определение.Термин «коэффициент полезного действия» (COP) используется для описания отношения полезного теплового движения к затраченной работе. В большинстве парокомпрессионных тепловых насосов для работы используются двигатели с электрическим приводом.

По данным Агентства по охране окружающей среды США, геотермальные тепловые насосы могут снизить потребление энергии до 44% по сравнению с тепловыми насосами с воздушным источником тепла и до 72% по сравнению с электрическим нагревом сопротивлением.

При использовании для отопления здания с наружной температурой, например, 10 ° C, обычный тепловой насос с воздушным источником (ASHP) имеет КПД от 3 до 4, тогда как электрический резистивный нагреватель имеет КПД 1.0. То есть один джоуль электрической энергии заставит резистивный нагреватель производить только один джоуль полезного тепла, в то время как в идеальных условиях один джоуль электрической энергии может заставить тепловой насос перемещать три или четыре джоуля тепла от охладителя. место в более теплое место. Обратите внимание, что тепловой насос с воздушным источником более эффективен в более жарком климате, чем в более прохладном, поэтому, когда погода намного теплее, агрегат будет работать с более высоким COP (поскольку он имеет меньший температурный интервал, который необходимо перекрыть). При большой разнице температур между горячим и холодным резервуарами КПД ниже (хуже).В очень холодную погоду коэффициент полезного действия снизится до 1,0.

С другой стороны, хорошо спроектированные системы с тепловым насосом на основе грунта (GSHP) выигрывают от умеренной температуры под землей, поскольку земля естественным образом действует как накопитель тепловой энергии.

При большом перепаде температур (например, когда тепловой насос с воздушным источником тепла используется для обогрева дома с наружной температурой, скажем, 0 ° C (32 ° F)), требуется больше работы для перемещения такое же количество тепла в помещении, чем в более мягкий день.В конечном итоге из-за пределов эффективности Карно производительность теплового насоса будет снижаться по мере увеличения разницы температур между наружным и внутренним воздухом (наружная температура становится ниже), достигая теоретического предела 1,0 при −273 ° C. На практике коэффициент полезного действия 1,0 обычно достигается при температуре наружного воздуха около -18 ° C (0 ° F) для тепловых насосов с воздушным источником.

Кроме того, поскольку тепловой насос забирает тепло из воздуха, некоторая влага в наружном воздухе может конденсироваться и, возможно, замерзать на наружном теплообменнике.Система должна периодически растапливать этот лед; это размораживание приводит к дополнительным расходам энергии (электричества). Когда на улице очень холодно, проще нагревать с помощью альтернативного источника тепла (например, электрического нагревателя сопротивления, масляной печи или газовой печи), чем использовать тепловой насос с воздушным источником тепла. Кроме того, отказ от использования теплового насоса в очень холодную погоду означает меньший износ компрессора машины.

Конструкция теплообменников испарителя и конденсатора также очень важна для общей эффективности теплового насоса.Площадь поверхности теплообмена и соответствующий перепад температур (между хладагентом и воздушным потоком) напрямую влияют на рабочее давление и, следовательно, на работу, которую должен выполнять компрессор, чтобы обеспечить такой же эффект нагрева или охлаждения. Как правило, чем больше теплообменник, тем ниже перепад температур и тем эффективнее становится система.

Теплообменники дороги, требуют сверления некоторых типов тепловых насосов или больших пространств, чтобы быть эффективными, а промышленность тепловых насосов обычно конкурирует по цене, а не по эффективности.Тепловые насосы уже находятся в более низком ценовом диапазоне, когда речь идет о начальных инвестициях (а не о долгосрочной экономии) по сравнению с традиционными решениями в области отопления, такими как бойлеры, поэтому стремление к более эффективным тепловым насосам и кондиционерам воздуха часто обусловлено законодательными мерами по минимальным стандартам эффективности. . Тарифы на электроэнергию также будут влиять на привлекательность тепловых насосов.

В режиме охлаждения рабочие характеристики теплового насоса описываются в США как его коэффициент энергоэффективности (EER) или сезонный коэффициент энергоэффективности (SEER), и оба показателя имеют единицы БТЕ / (ч · Вт) (1 БТЕ / (h · W) = 0.293 Вт / Вт). Большее число EER указывает на лучшую производительность. В документации производителя должны быть указаны как COP для описания производительности в режиме нагрева, так и EER или SEER для описания производительности в режиме охлаждения. Однако фактическая производительность варьируется и зависит от многих факторов, таких как детали установки, разница температур, высота площадки и техническое обслуживание.

Как и в случае с любым другим оборудованием, в котором теплообменники используются для передачи тепла между воздухом и жидкостью, важно, чтобы змеевики конденсатора и испарителя содержались в чистоте.Если на змеевиках будут скапливаться отложения пыли и другого мусора, снизится эффективность устройства (как в режиме нагрева, так и в режиме охлаждения).

Тепловые насосы эффективнее для обогрева, чем для охлаждения внутреннего пространства, если разница температур остается равной. Это связано с тем, что входная энергия компрессора также преобразуется в полезное тепло в режиме нагрева и выводится вместе с переносимым теплом через конденсатор во внутреннее пространство. Но для охлаждения конденсатор обычно находится на открытом воздухе, и рассеиваемая работа компрессора (отработанное тепло) также должна переноситься на улицу с использованием большего количества входящей энергии, а не использоваться для полезной цели.

По той же причине открытие холодильника или морозильника для пищевых продуктов приводит к нагреву помещения, а не к его охлаждению, поскольку его цикл охлаждения отводит тепло в воздух в помещении. Это тепло включает рассеиваемую работу компрессора, а также тепло, отводимое изнутри устройства.

Тепловой насос — Energy Education

Рис. 1. Наружные компоненты бытового теплового насоса. ^[1]

A Тепловой насос — это устройство, которое забирает энергию из воздуха с целью обогрева или охлаждения помещения.Этот процесс известен как кондиционирование пространства. ^[2] Тепловые насосы работают как тепловая машина в обратном направлении, поскольку они работают от источника электричества, перемещая тепло из холодного места в теплое. Казалось бы, это нарушило бы Второй закон термодинамики, но основная причина, по которой это не так, заключается в том, что эта теплопередача не является спонтанной ; для этого требуется вложенная энергия. Для отопления дома тепловой насос извлекает тепло из наружного воздуха, еще больше нагревает теплый воздух и передает его в помещение.При домашнем охлаждении тепловой насос меняет этот процесс, и тепло извлекается из воздуха в помещении и выводится наружу, как в холодильнике или кондиционере, тем самым охлаждая внутренний воздух. ^[2]

Эксплуатация

Цикл нагрева

Цикл нагрева теплового насоса работает, забирая тепло из воздуха снаружи, нагревая его дальше и используя этот теплый воздух для нагрева воздуха в помещении. Это делается следующим образом: ^[2]

1. Жидкий хладагент поглощает тепло в «испарителе» наружного воздуха, превращаясь в газ.
2. Хладагент проходит через «компрессор», который увеличивает давление газа, повышая его температуру.
3. Горячий газ проходит через «змеевики конденсатора» внутри обогреваемого пространства, и, поскольку он имеет более высокую температуру, чем это пространство, он передает тепло в комнату и снова конденсируется в жидкость.
4. Жидкость, наконец, течет обратно через клапан, который снижает ее давление, чтобы охладить ее и повторить цикл.

Это можно визуализировать на рисунке ниже.

Рисунок 2: Процесс и части, участвующие в цикле нагрева. ^[3]

Цикл охлаждения

Цикл охлаждения теплового насоса используется для охлаждения помещения путем отвода тепла от него и отвода его в другое место, обычно на улицу для кондиционирования воздуха или в комнату для холодильника. Для этого «испаритель» и «змеевики конденсатора» меняются ролями, и поток хладагента меняется на противоположный: ^[2]

1. Холодный хладагент поглощает тепло из более горячего помещения в испарителе, поэтому помещение охлаждается.
2. Затем он пропускается через компрессор для повышения его температуры.
3. Он проходит через змеевики конденсатора и передает это тепло наружному воздуху.
4. Затем он расширяется, чтобы снизить давление, и охлаждается до температуры ниже комнатной, чтобы повторить цикл.

Этот процесс можно визуализировать на рисунке 3.

Рисунок 3: Цикл охлаждения теплового насоса. ^[3]

Коэффициент полезного действия

основная статья

Производительность теплового насоса выражается отношением тепловой мощности к работе, которую необходимо вложить.По сути, эта величина показывает, сколько охлаждения или обогрева делается на доллар (электричество в конце концов не бесплатное). Этот коэффициент известен как коэффициент полезного действия (K), представленный уравнением: ^[2]

[math] K = \ frac {heat} {электричество} [/ math]

Итак, для отопления этот коэффициент равен:

[математика] K = \ frac {Q_H} {W_ {in}} [/ математика]

а для охлаждения это:

[math] K = \ frac {Q_C} {W_ {in}} [/ math]

где:

• [math] Q_H [/ math] — количество тепла, подводимого к комнате для ее обогрева
• [math] Q_C [/ math] — тепло, излучаемое из комнаты для охлаждения.
• [math] W_ {in} [/ math] — это затраченная работа в виде электричества.

Чем выше значение этого коэффициента, тем лучше тепловой насос передает тепло, поскольку для выработки определенного количества тепла требуется меньше работы. перевод.Однако существует предел, установленный законами энтропии и вторым началом термодинамики.

Кондиционер

основная статья

Кондиционирование воздуха (A / C) — это система, которая работает на тех же основных принципах, что и тепловые насосы, хотя для них требуются некоторые другие компоненты. ^[4] Кондиционеры не так универсальны, как тепловые насосы, потому что они выполняют только функцию охлаждения. Однако во многих случаях они имеют более практическое применение, поскольку некоторые места на Земле не требуют обогрева.Они работают, по сути, выполняя тот же цикл охлаждения, что и тепловые насосы.

Список литературы

1. ↑ Wikimedia Commons [Online], Доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Heat_Pump.jpg
2. ↑ ^{2,0 ​​ 2,1 2,2 2,3 2,4} Р. А. Хинрикс и М. Кляйнбах, «Сохранение энергии в домашних условиях и контроль теплопередачи», в Энергия: ее использование и окружающая среда , 4-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Томсон Брукс / Коул, 2006, гл.5, sec.G, pp.149-153
3. ↑ ^{3,0 3,1} Адаптировано из Energy: Its Use and Environment R. Hinrichs and M. Kleinbach.
4. ↑ Consumer Energy Center, Системы центрального отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC) [Online], Доступно: http://www.consumerenergycenter.org/residential/heating_cooling/heating_cooling.html

Сравнение тепловых насосов: основные принципы

Что такое тепловой насос?

Тепловой насос — это устройство, способное передавать тепло от одной жидкости с более низкой температурой к другой с более высокой температурой.
Тепловые насосы обязаны своим названием тому факту, что они позволяют переносить тепло с более низкого температурного уровня на более высокий, инвертируя естественный тепловой поток, который, как хорошо известно, в природе имеет тенденцию быть от более высокой температуры к более низкой.
Поэтому функцию теплового насоса можно сравнить с функцией водяного насоса, расположенного между двумя водными бассейнами, которые соединены друг с другом, но расположены на разной высоте: вода естественным образом перетекает из более высокого бассейна в нижний.Однако можно вернуть воду в более высокий бассейн с помощью насоса, который забирает воду из более низкого бассейна.

Как работает тепловой насос?

Тепловой насос представляет собой замкнутый контур, по которому течет особая жидкость (хладагент). Эта жидкость принимает жидкое или газообразное состояние в зависимости от температуры и давления. Этот замкнутый контур состоит из:

Название или код	Формула	f.p. (К)	п.н. (К)	T крит (К)	P крит (бар)
аммиак	NH 3	195.48	239,82	405,5	113,5
углекислый газ b	CO 2	194,8 (с)	216,55	304,1	304,1	162,04	296,8	471,2	44,1
CFC-12	CF 2 Cl 2	115	243,3	41,36
этиловый эфир	(C 2 H 5 ) 2 O	157,0	307,58	466,74	36,38
H 10	134,8	261,42	408,15	36,48
метилхлорид	CH 3 Cl	175,44	249,06 76	479
HFC-23	CHF 3	117,97	191,0	299,3	48,58
	HFC-32	351,6	58,30
HFC-134	CH 2 FCF 3	184	253,2	391,8	—
7
85.46	231,1	369,82	42,5
диоксид серы	SO 2	197,70	263,1	430,8	78,84

Электрический тепловой насос	Газоабсорбционный тепловой насос
компрессор	генератор амортизатор
конденсатор	конденсатор
расширительный клапан	серия ограничителей
испаритель	испаритель

Конденсатор и испаритель состоят из теплообменников, т.е.е. специальные трубки, контактирующие с рабочими жидкостями (которые могут быть водой или воздухом), по которым течет хладагент. Последний передает тепло конденсатору (сторона с высокой температурой) и отводит его от испарителя (сторона с низкой температурой).

Во время работы хладагент внутри контура претерпевает следующие преобразования:

Электрический тепловой насос	Газоабсорбционный тепловой насос
Конденсация : хладагент, вытекающий из компрессора, переходит из газообразного состояния в жидкое, отдавая тепло наружу	Конденсация : хладагент, выходящий из генератора, переходит из газообразного в жидкое состояние, отдавая тепло внешней жидкости (воде или воздуху)
Расширение : проходя через расширительный клапан, жидкий хладагент охлаждается и частично превращается в пар	Расширение : проход через ограничители, т.е.е. правильно откалиброванные сужения, хладагент охлаждается
Испарение : хладагент поглощает тепло и полностью испаряется	Испарение : хладагент поглощает тепло от внешней жидкости (воды или воздуха) и полностью испаряется, возвращаясь в газообразное состояние
Компрессия : хладагент в газообразном состоянии под низким давлением, поступающий из испарителя, нагнетается под высоким давлением; при сжатии нагревается, поглощая определенное количество тепла	Абсорбер : хладагент абсорбируется абсорбирующей жидкостью, делая его снова жидким. Генератор : жидкий раствор хладагента и абсорбент нагревается в генераторе с помощью газовой горелки, отделяя хладагент, который испаряется. , повышение температуры и давления
Все эти преобразования вместе составляют цикл электрического теплового насоса: компрессор обеспечивает хладагент энергией, хладагент поглощает тепло в испарителе из окружающей среды и через конденсатор передает его среде, которая должна быть нагрета	Все эти преобразования вместе составляют цикл газового теплового насоса: подавая энергию с помощью газовой горелки (метан / сжиженный нефтяной газ), хладагент в испарителе поглощает тепло от внешней жидкости и через конденсатор передает его среде, которая будет использоваться. с подогревом

КПД теплового насоса

За время работы теплового насоса:

Электрический тепловой насос	Газоабсорбционный тепловой насос
Потребляет электрическую энергию для компрессора	Потребляет природный / сжиженный газ в генераторе
Поглощает тепло в испарителе из окружающей среды, которой может быть воздух или вода	Поглощает тепло в испарителе из окружающей среды, которой может быть воздух или вода
Отдает тепло среде, которая должна быть нагрета в конденсаторе (воздух или вода)	Отдает тепло нагреваемой среде (воздух или вода) в конденсаторе

Преимущество использования теплового насоса заключается в его способности поставлять больше энергии (т.е.е. тепла), чем тот, который используется для его работы, поскольку он забирает тепло из окружающей среды (воздуха или воды).

Электрический тепловой насос	Газоабсорбционный тепловой насос
Эффективность электрического теплового насоса измеряется его COP, или коэффициентом производительности, который представляет собой отношение энергии, которую он поставляет (т. Е. Тепла, передаваемого нагреваемой среде), к электрической энергии, которую он потребляет. C.O.P. варьируется в зависимости от типа теплового насоса и условий эксплуатации и обычно составляет примерно 2,5. Это означает, что на каждый кВтч потребляемой электроэнергии он будет поставлять около 2,5 кВтч тепловой энергии в нагреваемую среду. Чем ниже температура, до которой передается тепло (в конденсаторе), и чем выше температура источника, из которого оно поглощается, тем выше будет КПД насоса. Следует учитывать, что тепловая мощность теплового насоса зависит от температуры, при которой он сам поглощает тепло.	КПД газового теплового насоса измеряется его G.U.E. (Эффективность использования газа), которая представляет собой отношение энергии, которую он поставляет (т.е. тепла, передаваемого среде, которая должна быть нагрета), к энергии, потребляемой горелкой. G.U.E. варьируется в зависимости от типа теплового насоса и условий эксплуатации и обычно составляет около 1,5. Это означает, что на каждый киловатт-час потребляемой электроэнергии он будет поставлять около 1.5 кВт · ч тепловой энергии для нагреваемой среды.
Когда температура источника холода (например, воздуха) находится в диапазоне от -2ºC до 2ºC, тепловой насос отключается, так как его производительность значительно снижается.	Газовый тепловой насос может работать при температуре воздуха до -20ºC (20 градусов ниже нуля), обеспечивая КПД около 1, что сравнимо с КПД конденсационного котла.

Примечание : код G.U.E. рассчитывается фактически на первичную энергию (то есть на природный газ / сжиженный нефтяной газ), а COP — на электричество. При расчете эффективности электрического теплового насоса по потреблению энергии мы должны учитывать энергию, используемую электростанциями для производства электроэнергии. Оценивая средний КПД электростанций на 36%, коэффициент полезного действия электрических тепловых насосов составит: COPEP = 3 x 0,36 = 1,1.

---

.