Принцип работы

Уже давно известно, что тепло передаётся самостоятельно от более горячего предмета к тому, что холоднее. Это было закреплено в одной из формулировок 2 закона термодинамики. Для того чтобы передать тепло в обратном направлении, требуется использовать теплоноситель и провести с ним определённые действия. Для этих целей и служит тепловой насос. Для его работы требуется энергия. Количество затрачиваемой энергии тем больше, чем больше разница температур между средами, которые участвуют в этом процессе.

 

Конструкция самого простого теплового насоса включает в себя 2 теплообменника. Один из них называется испаритель, а второй ─ конденсатор. В испарителе поддерживается температура ниже той среды, у которой отбирается тепло. В роли такой среды может быть вода, грунт, воздух и т. п. В результате тепло переходит к хладагенту, имеющему более низкую температуру.

Конденсатор имеет температуру выше температуры той среды, которой должно быть передано тепло. Этой средой, а точнее телом, является система отопления. Эта разница температур между испарителем и конденсатором обеспечивается благодаря хладагенту, который циркулирует между ними. Он может изменять своё фазовое состояния, переходить из жидкого состояния в газообразное в зависимости от уровня давления.

Принцип действия теплового насоса

В роли хладагентов используются легкокипящие химические вещества, которые при определённом давлении в компрессоре переходят из жидкого в газообразное состояние и, наоборот. Компрессор в составе теплового насоса является основным потребителем электрической энергии. Если немного углубиться в теорию, то можно сказать следующее. Движение молекул в каком-либо веществе прекращается только при абсолютном нуле. Но если температура отлична от этого значения, то молекулы двигаются и у этой среды можно забрать тепло (кинетическая энергия) и переместить её в другое тело или среду.

Конечно, при этом должна быть совершена определённая работа, для которой требуется некоторая энергия. Если отбор совершается от слишком холодного тела, то вполне может оказаться так, что затраты энергии будут существенно больше количества тепла, которое обирается. Так, что нужно всегда помнить о существовании определённой границы, за которой использование теплового насоса становится нецелесообразным.

Большинство используемых сегодня теплонасосов являются парокомпрессионными. Есть также  такие разновидности, как

  • Абсорбционные;
  • Термоэлектрические;
  • Электрохимические.

Работу тепловых насосов, как правило, характеризуют по величине коэффициента трансформации энергии (Ктр), который определяется по формуле:

Ктр = Твых / (Твых — Твх), где

Твых – температура на выходе насоса;

Твх – температура на входе насоса.

То есть, Ктр – это соотношение тепла, которое идёт в систему теплоснабжения, к энергии, которая тратится на обеспечение функционирования теплового насоса. В реальности коэффициент Ктр отличается от того, что рассчитывается по этой формуле. Разница равна величине коэффициента h, который учитывает энергетические потери и степень термодинамического совершенства. Энергия также расходуется на обеспечение работы запорной арматуры, насосов, управляющих схем и т. п.

На степень термодинамического совершенства влияют много параметров. Среди них можно выделить мощность компрессора, качество исполнения самого теплового насоса. Кроме того, влияние оказывают необратимые энергетические потери. Это энергетические потери на преодоление силы трения, потерь тепла в трубопроводах и соединениях, в механических и электрических двигателях. Стоит также отметить неидеальность процессов, происходящих в конденсаторе и испарителе. Хладагент в таких системах также имеет неидеальных теплофизические характеристики.

Основная часть энергии, потребляемой тепловым насосом, идёт на выполнение термодинамического цикла компрессора. Поэтому коэффициент преобразования, описанный выше, зависит от дельты температур в конденсаторе и испарителе. Уровень температуры на выходе в современных насосах изменяется в интервале 35─55 градусов Цельсия. Так, что их можно использовать в любых системах отопления. Диапазон мощности выпускаемых тепловых насосов находится в диапазоне 5─1000 кВт.

 

Виды тепловых насосов

Наиболее распространённый способ классификации тепловых насосов – это по типу среды, где находится первичный контур, и откуда отбирается тепло.

По этой классификации можно выделить следующие виды тепловых насосов:

  • Грунт-вода или геотермальные;
  • Вода-вода или гидротермальные;
  • Воздух-вода или аэротермальные;
  • Воздух-воздух.

У всех этих видов насосов одинаковый принцип работы. Однако среда оказывает влияние на конструкцию и работу агрегата. Давайте, рассмотрим основные отличия этих типов установок.

 

Грунт-вода

В этом случае первичный контур укладывают в грунт на глубине 5─6 метров. Такая система предусмотрена, если теплообменник горизонтальный. Если контур делается вертикальный, то делают скважину на 100─150 метров.

Тепловой насос Грунт-вода
При вертикальном размещении объем монтажных работ меньше. При горизонтальном теплообменнике требуется большая площадь, по которой распределяются трубы. На 1 тысячу ватт отдачи теплового насоса требуется 50 квадратных метров площади. Теплоносителем здесь является соляной раствор, который не замерзает при минусовых температурах.

Вода-вода

Здесь первичный контур устанавливается в естественном или искусственном водоёме. Это может быть даже незамерзающая река или колодец.

Тепловой насос Вода-вода

Труба с теплоносителем должна находиться на глубине примерно двух метров. Это необходимо, чтобы при промерзании поверхностного слоя не был повреждён коллектор. То есть, здесь нужно тщательно подходить к выбору водоёма. Монтаж контура заключается в его «утоплении» на необходимую глубину с помощью грузил. В роли теплоносителя выступает тот же соляной раствор.В этом случае монтаж гораздо менее трудоёмкий, чем у насосов грунт-вода. Так, что если рядом есть водоем, то установка типа вода-вода будет лучшим выбором.

Эффективность тепловых насосов и ограничения по использованию

Основная характеристика, по которой оценивается эффективность тепловых насосов, COP. Это расшифровывается, как coefficient of performance, что в переводе на русский означает коэффициентом преобразования теплоты. Для расчёта COP применяется следующая формула:

COP = Qc/A или COP = Qi*k/A, где

COP – оценочный коэффициент без размерности;

A ─ работа насоса, выраженная в Джоулях;

Qi ─ тепло, отбираемое теплоносителем из окружающей среды в Джоулях;

Qc – тепло, отдаваемое в систему отопления и/или ГВС в Джоулях;

K ─ коэффициент полезного действия.

По величине A можно оценить работу, совершаемую тепловым насосом для того, чтобы переместить тепло из ОС в систему. Работа зависит от того, насколько различаются температуры в конденсаторе и испарителе. В любом случае температура теплоносителя во внешнем контуре должна быть ниже, чем у среды. Тогда энергия будет свободно перемещаться к теплоносителю (например, циркулирующему соляному раствору).

Коэффициент COP равное трём, говорит о том, что работа теплового насоса в три раза меньше, чем переносимое тепло. Но это только в случае КПД равном 1, что соответствует только идеальному состоянию. В реальности он всегда меньше единицы. Поэтому важно, чтобы использовался более ёмкий источник низкопотенциальной тепловой энергии, который не охлаждается в процессе использования. То есть, запас тепла используемой среды был, как можно больше. Запас тепла рассчитывается по формуле

С*m*T, где

  • С ─ теплоёмкость;
  • m ─ масса;
  • T ─ температура.

Рабочее тело в «горячей» части насоса представляет собой сжатый газ. В дальнейшем проводится его охлаждение до температуры ниже, чем у источника низкопотенциальной энергии. Газ, проходя через этот контур, нагревается и процесс запускается вновь. Так работает система в самом простом варианте. Но, чтобы увеличить эффективность работы тепловых насосов, в качестве переноса тепла используется вещество с большим значением теплоёмкости. В большинстве случаев водные растворы. А вот в компрессоре должно использоваться рабочее тело, которые сжимается при минимальных затратах энергии. В этом случае подходит газ. Чаще всего используется фреон.

КПД тепловых насосов при расчёте по стандартной методике превышает 1, чего не может быть в принципе. Получается, что тепловой насос производит энергии больше, чем потребляет. Но такие расчёты учитывают только электрическую энергию, а тепло грунта, воздуха, воды в расчёт не берётся. Для правильного расчёта должно быть учтено как затраченное электричество, так и тепло из среды, откуда оно отбирается. При этом на практике достаточно сложно оценить количество тепла, переносимого из среды с низкопотенциальной энергией.