Принцип работы тепловых насосов: Принципы работы тепловых насосов

Содержание

Принцип действия теплового насоса

Принцип работы теплового насоса

Простейший тепловой насос был спроектирован еще в 1852 году и получил название «умножитель тепла». Лорд Кельвин открыл основополагающие принципы действия, которые легли в основу всего современного отопительного оборудования.

Согласно законам физики, тепло передается от нагретого тела к тому, что имеет меньшую температуру. Но, возможен обратный процесс, при условии использования для этого дополнительной энергии.

Немного позже был открыт принцип обратного цикла Карно. Вещество, при испарении, поглощает тепло, а после конденсации на поверхности, отдает его. Именно этот закон лежит в основе холодильников и кондиционеров. Низкотемпературный воздушный теплонасос работает как эти бытовые приборы, только в «обратную сторону».

Основной принцип теплового насоса заключается в аккумулировании низкотемпературного тепла при испарении и дальнейшей отдачи энергии при последующей конденсации. Этот процесс происходит без изменения температуры, если только рабочее тело не будет сжато механически, что приведет к повышению температуры.

Теплонасос функционирует как холодильник, только наоборот: холодильник переносит тепло изнутри во вне, в то время как тепловой насос переносит тепло из окружающей среды вовнутрь. Природное тепло теплоносителя (в роли которого выступает вода или рассол) передается к испарителю. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом (рабочее вещество: фреон, аммиак, метан, пропан и др.), который, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и высокой температуры. Далее горячий газ поступает в

конденсатор, где происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый конденсатор передает тепло в систему отопления.

Первичный контур теплового насоса состоит из элементов, участвующих в получении тепла из внешнего источника – например теплообменника, циркуляционного насоса рассола или воздушного вентилятора, а у водо-водяного теплового насоса еще и промежуточного теплообменника. Вторичный контур включает в себя компоненты, необходимые для преобразования энергии и передачи ее потребителю.

Низкотемпературные воздушные тепловые насосы для отопления дома работают, используя тот же физический принцип, но с большей эффективностью. Как отопление осуществляется на практике?

  • Любое, даже охлажденное тело, имеет потенциальную тепловую энергию. Даже при отрицательной температуре в воздухе содержится определенное количество тепла. При -15°С больше, чем при -25°С. При -5°С еще больше тепла находится в воздухе. Принцип работы воздушного теплового насоса позволяет извлечь то небольшое количество тепловой энергии, которое есть и в зимнее время года в воздухе, и передать его в помещение.
  • В наружном блоке, установленном на улице, расположен змеевик с испарителем. Внутри контура циркулирует фреон – жидкость, которая свободно переходит в газообразное состояние и обратно. Фреон испаряют, при этом поглощается то тепло, которое есть в наружном воздухе даже при отрицательных температурах.
  • Испарившийся газ поступает в компрессор, где создается высокое давление и где фреона нагревается.  Под давлением фреон разогревается и поступает в конденсатор, где он преобразуется в жидкость. При этом выделяется тепло, которое фреон получил при испарении во внешнем блоке от наружного воздуха.
  • Фреон, по замкнутому контуру, обратно возвращается в испаритель, и цикл повторяется.

 

Режимы работы тепловых насосов

В зависимости от характера отопления и необходимости различных температур для отопления, существует выбор типа теплового насоса или его комбинации с другим теплогенератором. По режиму работы выделяют моновалентное, бивалентное и моноэнергетическое использование тепловых насосов:

  • В моновалентном режиме эксплуатации тепловой насос является единственным источником тепла для помещения, включая отопление и горячее водоснабжение. Требуемая максимальная температура подачи в отопительную систему в данном случае должна быть немного ниже максимально возможной температуры подачи теплового насоса.
  • В бивалентном режиме возможна эксплуатация со вторым теплогенератором как в полном параллельном режиме, так и частичном. В этом случае тепловой насос выступает как основной теплогенератор, а более высокую температуру системы отопления обеспечивает дополнительный пиковый котел.
  • В моноэнергетическом режиме вторым теплогенератором выступает установка той же породы — электрическая, т.е. используется электронагревательный котел (или электронагревательная вставка).

Тепловые насосы имеют следующие преимущества по сравнению с традиционными видами отопления:
  • Высокая эффективность. КПД теплового насоса составлет 300-700%, т.е. он поглощает в 3-7 раз меньше электрической энергии, чем выделяет тепла. Например, КПД насоса, представленного на рисунке, составляет 400%.
  • Реверсивность. Тепловой насос может быть использован как кондиционер в летний сезон
  • Экологичность. Cбережение невозобновляемых энергоресурсов и защита окружающей среды, в том числе и путем сокращения выбросов СО2 в атмосферу
  • Надежность. минимум подвижных частей с высоким ресурсом работы, независимость от поставки топочного материала и его качества, защита от перебоев электроэнергии
  • Долговечность. Cрок службы теплового насоса составляет 15-25 лет
  • Безопасность. Не имеет открытого пламени, выхлопов,пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута или солярки; исключена утечка газа или разлив мазута

 

Эта статья прочитана 6699 раз(а)!

Продолжить чтение

Тепловые насосы. Тепловые насосы для отопления. Принцип теплового насоса

Запасы полезных ископаемых неуклонно истощаются, и все чаще ученые ищут альтернативные источники энергии, которые были бы, вдобавок, еще и экологически чистые.

Все чаще используются солнечные батареи, но тепло можно получить не только от солнца, но из всего, что нас окружает и имеет плюсовую температуру: из грунта, воздуха либо воды. Для этого используют тепловые насосы. Тепло, которое вырабатывается с их помощью, уже широко используется для отопления и горячего водоснабжения домов и промышленных зданий.

С древних времен люди использовали тепло земли для согрева жилья. Но для этого они банально копали землянки, делали бревенчатый накат, засыпанный землей, что позволяло экономить дрова и сохранять тепло в помещении. Тепловые насосы тоже используют тепло окружающей среды, правда, работая по другому принципу.

Установив тепловой насос, отпадает необходимость не только отопительного котла, но и кондиционера. А что еще более важно, позволяет не беспокоиться о регулярном повышении цен на топливо и электроэнергию. Источник тепла постоянно будет у вас под ногами, поскольку температура грунта на глубине не поднимается выше 10 градусов тепла.

Конденсатор, компрессор и испаритель – вот составные части этого агрегата. Тепловой насос действует по принципу холодильника, только наоборот. Нагретый теплом окружающей среды теплоноситель по трубам поступает в насос. В испарителе теплоноситель передает тепло фреону (хладогену), который испаряется. Компрессор сжимает пары, что приводит к значительному повышению температуры. Затем хладоген в конденсаторе, охлаждаясь, передает тепло в систему горячего водоснабжения и отопления дома, после чего возвращается в испаритель. И так по непрерывному циклу. По сути, нет необходимости в постоянной дополнительной заправке топливом, как в двигателе внутреннего сгорания.

Несмотря на то, что для работы компрессора теплового насоса необходима электроэнергия, ее расход в 3-4 раза меньше, чем при использовании электрического котла.

Теплоносителем могут быть различные вещества. Но если рядом есть речка или озеро, это сразу снимает проблему. В таком случае вода по трубам через тепловой насос охлаждается и возвращается в озеро или реку, не загрязняя окружающую среду. При отсутствии водоема, источником тепла может быть грунт — небольшой участок земли, в котором прокладывают трубы с водой, в которую добавлен антифриз, предотвращающий ее замерзание. При горизонтальной укладке труб для дома площадью до 200 кв.м. достаточно участка площадью примерно 320 кв.м. Но, если размеры участка не позволяют занять столько места под монтаж системы, производится монтаж труб в вертикальную скважину.

В случае установки теплового насоса в доме, используется тепло воздуха, что делает систему более эффективной. Летом тепловой насос можно использовать вместо кондиционера для охлаждения комнат. Кроме того, эффективность работы теплового насоса зависит от хорошего утепления стен здания, установки пластиковых окон, чтобы напрасно не отапливать улицу. Но в том случае, если здание находится в холодных широтах, на время особо сильных морозов, желательно иметь дополнительное электрическое отопление, либо использовать систему в сочетании с солнечными коллекторами.

Несмотря на то, что это оборудование дороже, чем обычные газовые или электрические котлы, оно быстро окупается благодаря экономии на оплате за газ и электроэнергию, но что более важно — этот метод является не только экологически чистым, но и позволяет освободиться от зависимости перед поставщиками газа.

Принцип работы теплового насоса «вода-вода» | Полезное

При постоянном росте цен на газ и уголь, потребители все чаще задумываются о применении альтернативных источников энергии — воды, земли или воздуха. Такое оборудование дает возможность отказаться от покупки топлива. К тому же, использование возобновляемых природных ресурсов является важным вопросом сохранения окружающей среды. Принцип работы теплового насоса вода-вода позволяет обеспечить тепло в доме, не нарушая природный баланс и не загрязняя окружающую среду.

Источником тепла может выступать любая водная среда — идеальным вариантом являются грунтовые воды, температура которых никогда не опускается ниже 7°C, но подойдут и открытые водоемы.

Расчет эффективности теплового насоса вода-вода

Прежде чем совершить покупку необходимо выполнить расчет и определить эффективность теплового насоса вода-вода, чтобы четко понимать выгоду от такого приобретения.

Тепловой насос производит объем энергии в 3-5 раз больше, чем расходует, однако, это вовсе не значит, что стоит верить рекламным трюкам некоторых продавцов, заявляющих о том, что КПД составляет 300-500%. У теплонасосов действительно высокий КПД, но превышать 100%, он не может.

Эффективность тн будет сильно зависеть от типа источника энергии. Если сравнить затраты на покупку, установку и транспортировку в соотношении на 1 кВт мощности, то самым дорогим будет геотермальный с вертикальным коллектором. Чуть менее дорогостоящим будет грунтовой с горизонтальным коллектором, а самым дешевым воздушный, но менее эффективным. Самым оптимальным оказывается вода-вода, у него отличное соотношение цены и выдаваемой мощности.

Устройство теплового насоса вода-вода

Если в качестве источника используется водоем, он должен быть расположен в непосредственной близости от дома, не более 100 м, иначе установка такого агрегата будет нерентабельной. Примечательно, что устройство и геотермального насоса, и водяного с закрытым циклом одинаковое. Разница лишь в том, что второй берет тепло только из воды.

Водяные насосы закрытого цикла требуют прокладки коллектора, а перенос энергии от низкопотенциального источника в отопительный контур совершается за счет хладагента. Эффективнее всего показывают себя системы, забирающие энергию из грунтовых вод, ведь они имеют практически постоянную среднегодовую температуру t = 7-10 oC.

Принцип работы теплового насоса вода-вода: вода из источника отдает тепло испарителю и попадает обратно в водоем через другую скважину для сброса. Хладагент в испарителе закипает и преобразуется в пар, затем сжимается в компрессоре, при этом температура и давление значительно повышаются. Далее хладагент перенаправляется в конденсатор, в котором отдает тепло в отопительный контур, а сам конденсируется. Далее он проходит через сбросной клапан, охлаждается и весь цикл повторяется заново, до тех пор, пока помещение не нагреется. Если в агрегате установлен погодазависимый режим, при достижении нужной температуры в контуре он автоматически отключится. Когда дом начнет охлаждаться, устройство включится снова.

В водяных теплонасосах открытого цикла плюсом является возможность получать воду для горячего водоснабжения. Система работает по принципу сообщающихся сосудов, перекачивая воду из источника через контур, а потом возвращая обратно. Минус таких систем – недолговечность и необходимость регулярной очистки.

Возникли вопросы?

Заполните форму обратной связи, наши менеджеры свяжутся с вами!

Принцип работы теплового насоса «Воздух-вода»

Тепловой насос воздух вода – еще один тип тепловых насосов, которые обеспечивают не только отопления помещения, но и кондиционирование. Тепловой насос воздух вода – это инновационная система рециркуляции энергии, которая уменьшает нагрузку на окружающую среду, при этом повторно использует тепло, которое и так вырабатывается в повседневной жизни.

Тепловой насос воздух вода для отопления используется с максимальной эффективностью. Главное их преимущество – это экономичность. Тепловые насосы воздух вода на каждый потребленный 1,00 киловатт электрической энергии способны вырабатывать до 4,44 кВт тепловой. Таким образом, система отопления становиться намного более эффективной.

Принцип действия теплового насоса воздух вода состоит из следующих этапов:

  1. Принцип работы достаточно не сложный. Наружный блок с помощью хладагента забирает тепловую энергию из наружного воздуха (собственно источника тепла). Далее хладагент поступает в компрессор, где уже после сжатия его температура значительно увеличивается.
  2. Горячий хладагент (уже в форме газа) идет в теплообменник внутреннего блока фреон-вода.
  3. Хладагент напрямую передает тепло воде, которая уже самостоятельно переносит его к элементам системы отопления или кондиционирования.
  4. Хладагент (возвращенный в жидкую форму) идет уже в наружный блок, и цикл повторяется по кругу, пока не достигнет необходимой температуры в помещении.

Тепловой насос воздух вода работает и на охлаждение. При работе на охлаждение весь принцип действия происходит в обратной последовательности – хладагент отбирает тепло из воды, передает в наружный блок, а затем – в воздух.

Принцип работы теплового насоса воздух вода значительно отличается от традиционных отопительных приборов. Поскольку традиционные приборы отопления основаны на сжигании топлива.Тепловой насос работает по-другому. Он использует единицу электрической энергии, и «перекачивает» от 2 до 5 единиц (кВт) тепла (в зависит от температуры наружного воздуха).

Тепловой насос воздух вода для отопления дома подходит идеально. Он обеспечивает максимальную отдачу при минимальном потреблении. Дома установить такое оборудование не сложно, однако лучше чтобы подключением занимался профессионал. Ведь сам тепловой насос воздух вода для отопления достаточно не дешевый, поэтому необходимо правильно его установить.

Тепловой насос типа вода вода менее популярная модель в Европе, чем тепловой насос воздух вода. Объясняется это тем, водный ресурс значительно дороже и не такой доступный, как воздух. 


Принцип работы теплового насоса — схема, устройство, действие теплового насоса

Отопление тепловым насосом — это один из способов обогрева здания, альтернатива газовому котлу. В качестве источника энергии они используют тепло окружающей среды – земли, воздуха, воды и преобразовывают его в тепловую энергию для отопления дома.

Далее мы подробно и наглядно рассмотрим, схему, устройство и принцип работы теплового насоса.

Схема теплового насоса

Прежде чем рассмотреть как работает тепловой насос, нужно понять из каких основных элементов он состоит. Каждый насос независимо от способа получения тепла содержит:

  • Испаритель;
  • Компрессор;
  • Конденсатор;
  • Расширительный клапан.

Это основные элементы, которые присутствуют во всех видах тепловых насосов.

Схема расположения элементов теплового насоса

Порядок и принцип действия теплового насоса

Многим знаком принцип работы холодильника: тепло отбирается из внутренней части и выводится наружу — заднюю или боковую стенку.  Принцип отопления тепловым насосом похож.  Насос отбирает тепло из окружающей среды и переносит его в дом. Причем особенность работы его работы в том, что из окружающей среды он получает температуру 0 … +7 ˚С, а преобразовывает её в 35-50˚С.

Порядок работы:

  1. Тепловой насос извлекает тепло из окружающей среды – земли, воздуха или воды. Достаточная температура – 0…7˚С.
  2. Внутри насоса установлен испаритель с хладагентом. Это особая жидкость, которая закипает при температуре близкой к 0˚С.
  3. За счет тепла полученного из окружающей среды хладагент закипает и принимает газообразную форму.
  4. В виде газа хладагент поступает в компрессор. Здесь он сжимается, в результате чего увеличивается его давление и растет температура.
  5. Далее уже нагретый газ поступает в конденсатор, где отдает тепло системе отопления. После чего он охлаждается и снова принимает жидкое состояние.
  6. Жидкий хладагент поступает в расширительный клапан, где его давление понижается до начального низкого значения.
  7. После этого хладагент возвращается в испаритель. Контур замыкается. Процесс повторяется непрерывно.

Выводы

Главным компонентом в схеме работы теплового насоса является хладагент — специальная жидкость, которая закипает при низкой температуре. Именно благодаря ей получаемые из земли или воздуха  0 … +7˚С превращаются в +40 … +50˚С необходимые для работы системы отопления.

Чем выше температура окружающей среды, тем стабильнее и выше КПД теплового насоса. Вот почему грунтовые тепловые насосы считаются более эффективными, чем воздушные.

Читайте также

  1. Скрытые утечки тепла в частном доме о которых вы не догадываетесь
  2. Камин с водяным контуром — совмещение обычного камина и твердотопливного котла
  3. Все о солнечных коллекторах для отопления дома

≋ Как работает тепловой насос «воздух вода» • Принцип действия

Тепловой насос воздух-вода — это энергоэффективная система, которая появилась на рынке Украины не так давно, но уже получила широкое распространение и положительные отзывы покупателей. Централизованное отопление на сегодняшний день имеет высокую стоимость и низкое качество, поэтому тепловой насос стал достойной заменой обычным батареям. Данный агрегат характеризуется универсальностью, поскольку служит для организации нагрева воды и отопления/охлаждения помещений.

Внешне насос воздух-вода схож с обычной сплит-системой: он имеет наружный и внутренний блоки. Система оснащена конденсатором, испарителем и компрессором. Конденсатор — это элемент внутреннего модуля системы, в котором происходит передача тепловой энергии носителю (воде). Испаритель расположен в наружном блоке, в нем происходит отбирание тепла из воздуха. Тепловой насос воздух-вода считается самым простым и эффективным устройством для обеспечения комфортного микроклимата в помещении.

Рекомендуем товар

Как работает тепловой насос “воздух-вода”?

Принцип работы достаточно простой и состоит из следующих этапов:

  • Во внешнем модуле устройства расположен мощный вентилятор, который забирает воздух с улицы.
  • Далее происходит прямой контакт наружного воздуха с испарителем (теплообменником).
  • Внутри испарителя циркулирует по замкнутому контуру хладагент, который нагревается и испаряется (т.е. переходит в газообразное состояние). Особое свойство хладагента — это кипение при низких температурах.
  • Газообразный хладагент поступает в компрессор (который работает от электричества), где происходит его сжатие. При сжатии повышается давление и температура хладагента.
  • Нагретое вещество под высоким давлением перемещается в конденсатор, где отдает тепло носителю (в данном случае воде). После отдачи хладагент охлаждается, происходит конденсация и, как следствие, газообразное состояние переходит в жидкое.
  • В контуре установлен расширительный вентиль, задачей которого является снижение давления. Пройдя его, жидкий хладагент снова попадает в испаритель (теплообменник) и переходит в газообразное состояние. Данный цикл постоянно повторяется.

Таким образом становится понятно, как работает тепловой насос воздух-вода. Ведь воздух является бесконечным возобновляемым природным ресурсом (при этом совершенно бесплатным). Это дает возможность сэкономить большую часть денежных средств при обогреве помещения.

Рекомендуем товар

Технические характеристики энергосистемы воздух-вода

Преимуществ у теплового насоса данного вида множество. Среди них и экономичность, и универсальность, и простота в эксплуатации, и экологичность. Однако, по нашему мнению, стоит обратить внимание на такие показатели:

  • Объем воды. Энергоагрегат типа воздух-вода может быть рассчитан не только на организацию отопления/охлаждения, но и на подачу горячей воды. Объем накопительной емкости свидетельствует о потенциальном расходе тепловой энергии, площади помещения и т.д. Нагретая вода циркулирует в оборудованной системе отопления (радиаторах, фанкойлах, системе теплый пол).
  • Показатель COP. Компрессор, который обеспечивает сжатие газообразного хладагента, работает от электросети, следовательно затрачивает электроресурсы. Значение COP, указанное в технической документации, показывает соотношение вырабатываемой энергии к потребляемой. То есть, если значение равно 3, значит тепловой насос воздух-вода вырабатывает энергии в три раза больше, чем потребляет. Чем выше показатель, тем лучше и экономичнее прибор.
  • Работа при отрицательной температуре. Тепловой насос способен отбирать тепло даже при минусовых температурах (есть модели устройств, которые работают при температуре наружного воздуха до -10°C, а также до -25°C).
  • Значение SCOP — это сезонный коэффициент производительности теплового насоса. Ведь температура окружающей среды постоянно меняется. Рассчитывается значение в зависимости от климатической зоны, а за основу берется несколько показателей температурного режима (в зимнее и летнее время).

Рекомендуем товар

Достоинства тепловых насосов воздух-вода

  • Альтернатива дорогостоящим видам отопления. Газовое, электрическое или центральное отопление — это всегда дорого, при этом цена на данные источники тепла постоянно растет. В современных странах уже давно используют энергоэффективные приборы: солнечные батареи, ветрогенераторы и прочие устройства. Они не только экономичны, но еще и безвредны для окружающей среды и человека.
  • Длительный срок службы. Такая тепловая установка рассчитана на долгий период эксплуатации, имеет несколько лет гарантии и может быть модернизирована по истечению многих лет.
  • Многофункциональность. Тепловой насос можно использовать для обогрева, охлаждения и подачи горячей воды. Кроме того, существуют как бытовые установки, так и промышленные. Это отражается на эффективности и стоимости прибора.
  • Простота монтажа. В сравнении с тепловыми насосами других видов, данный тип (воздух-вода) является самым простым. Он подходит для любой местности, включая город. Не требует оформления разрешительных документов и других бумаг. Кроме того, агрегат не занимает много места в помещении и почти бесшумный.
  • Безопасность. Конструкция теплового насоса не имеет никаких взрыво- и пожароопасных веществ (топлива, газа). Поэтому, используя агрегат, можно не переживать за свое здоровье и жизнь.

Для любого теплового насоса все равно потребуется электроэнергия — этот факт следует учитывать. Однако ее потребление снизится в несколько раз, что не может не радовать.

Наша компания — это лидер в Украине в сфере климатической техники. Мы постоянно тестируем все инновационные устройства, чтобы оценить их достоинства и недостатки. Поэтому, чтобы познакомиться с работой теплового насоса, приглашаем Вас к нам в офис. Мы продемонстрируем Вам его наглядно, ведь у нас он уже давно установлен. Несмотря на то, что оборудование дорогостоящее, его эффективность полностью оправдана.

Рекомендуем товар

Обзор тепловых насосов для отопления

Тепловой насос — хорошая альтернатива традиционному отоплению частного дома. Прибор, используемый в течение 30 лет в странах Запада, в России еще является новинкой. Препятствием для его широкого использования являются два фактора: высокая стоимость и недостаток сведений о тепловых насосах, их преимуществах и принципах работы. Показателем практичности геотермальной системы отопления служит ее популярность на Западе. Так, тепловыми насосами в Швеции и Норвегии отапливаются около 95% домов. Предлагаем вам подробнее ознакомиться с устройством и принципами работы этого теплового оборудования, за которым, непременно, будущее.

Что такое тепловой насос?

Тепловой насос — прибор, поглощающий из окружающей среды (вода, земля, воздух) низко потенциальную тепловую энергию и передающий ее в системы теплоснабжения с более высокой температурой.

Природа вокруг нас пропитана энергией. Даже мороз обладает теплом. Энергию невозможно извлечь из окружающей среды только при температуре -273 °С. Поэтому даже в самую лютую зиму загородный дом может отапливаться за счет энергии, полученной от природы.

В зависимости от источника энергии (вода, земля, воздух), происходит модификация тепловых насосов. Однако наиболее практичным и испытанным является геотермальный тепловой насос, применяющий энергию грунта. Он идеально подходит для российских условий.

Геотермальное отопление работает по одному из трех направлений:

  1. Сквозь специальную трубу, установленную в скважине, грунтовые воды извлекаются на поверхность земли. Они имеют определенную температуру. Проходя через теплообменник, вода передает свое тепло, за счет которого совершается прогрев дома. Затем вода возвращается в грунт, ниже по течению.
  2. В скважину глубиной примерно 75 — 100 метров опускается резервуар с антифризом, температура которого может повышаться от окружающего грунта. Тепловой насос разгоняет антифриз и пропускает его через теплообменник. За счет этого совершается отдача тепла.
  3. В данном случае бурение скважины не предусматривается, однако дом должен находиться рядом с крупным водоемом. Специальная магистраль в виде зондов прокладывается по дну водоема. Таким образом происходит перекачивание воды и извлечение из нее тепла. Важный нюанс — достаточная глубина водоема, которая даже зимой под толщей льда позволит сохранять до 150 сантиметров свободной воды.

Использование геотермального отопления, как и любой системы теплоснабжения, позволит не только обогреть дом, но и обеспечить горячей водой, обогреть автостоянку или теплицу, нагреть воду в бассейне

Преимущества использования теплового насоса

  • Экономичность. Благодаря высокому КПД системы достигается низкое энергопотребление. Из 1 кВт затраченной электроэнергии получается от 3 до 7 кВт тепловой энергии. Это больше, чем при работе любых котлов, использующих топливо.
  • Автономность. Работа насоса не нуждается в подаче органического топлива, поэтому нет необходимости прокладывать тепловые коммуникации.
  • Универсальность. В одном устройстве сочетаются одновременно системы нагрева воды, отопления и охлаждения.
  • Безопасность. В отличие от котлов, которые могут воспламениться или взорваться, тепловой насос является абсолютно безопасным. Он не содержит деталей, температура которых может привести к пожару. Не выделяет угарный ядовитый газ. Остановка работы не приведет к поломке или замораживанию жидкости.
  • Надежность. Работой насоса управляет автоматика. Обслуживание не требует специального обучения.
  • Долговечность. Прибор может прослужить от 20 до 50 лет. Это на порядок больше, чем у стандартных систем отопления.
  • Комфорт. Функционирование насоса не сопровождается колебанием температуры и влажности. Работает практически бесшумно.
  • Минимум площади требуется под скважину. Так как зонд находится под землей, повредить его невозможно.
  • Экологичность. Окружающая среда не загрязняется вредными выбросами.
  • Отсутствие бумажной волокиты. При монтаже не нужны согласования, как, например, при установке газового отопления.

Принцип работы теплового насоса

Работу теплового насоса можно сравнить с работой обычного холодильника. Только вместо холода аппарат вырабатывает тепло. Веществом, передающим энергию, является фреон — газ или жидкость с низкой температурой кипения. При испарении он поглощает тепло, а при конденсации — отдает его.

Тепловой насос — главный элемент системы. Его размеры не превышают габаритов средней стиральной машины, что облегчает установку прибора. Сам насос включается в два контура: внутренний и внешний.

Внутренний контур состоит из системы теплоснабжения дома (трубы и радиаторы).Внешний контур находится в воде или под землей. Он включает в себя коллектор-теплообменник и трубы, связывающие коллектор с насосом.

Тепловые насосы комплектуются различными дополнительными устройствами. Это могут быть:

  • коммуникационное устройство для управления системой через персональный компьютер или мобильный телефон;
  • блок охлаждения для локальной или центральной системы охлаждения;
  • дополнительный насосный блок может потребоваться для отопления полов;
  • циркуляционный насос необходим для циркуляции горячей воды;

Процесс работы насоса состоит из нескольких этапов:

  1. Незамерзающая смесь подается в коллектор. Происходит поглощение тепловой энергии и транспортировка ее к насосу.
  2. В испарителе энергия передается фреону, где он нагревается до 8 °C, закипает и превращению в пар.
  3. При увеличении давления в компрессоре повышается температура. Она может достигать 70 °C.
  4. Внутридомовая система отопления получает тепловую энергию через конденсатор. Фреон мгновенно охлаждается и переходит в жидкое состояние, отдавая при этом оставшееся тепло. Затем он идет обратно в коллектор. Так завершается цикл.
  5. Далее работа повторяется по тому же принципу.

Наиболее эффективно тепловой насос функционирует при наличии в доме теплых полов. Тепло распределяется по всей площади пола равномерно. При этом отсутствуют зоны перегрева. Теплоноситель в системе редко нагревается больше 35 °C, а отопление путем нагрева полов считается наиболее комфортным при 33 °C. Это меньше на 2 °C чем при отоплении радиаторами. Отсюда возникает экономия до 18% в год от всего отопительного бюджета. Кроме того, считается, что отопление на уровне пола наиболее комфортно для проживания человека.

Система отопления может быть моновалентной и бивалентной. У моновалентных систем один источник отопления. Он полностью отвечает круглогодичной потребности в тепле. У бивалентных, соответственно, — два источника.

Отопление дома в зимний период

На территории с более суровыми климатическими условиями актуально использование бивалентной системы отопления. За счет второго источника тепла расширяется диапазон температур. Работы одного теплового насоса достаточно только до уровня температуры -20 °С. При большем ее понижении подключаются электрообогреватель, камин, жидкотопливный или газовый котел. При этом мощность теплового насоса ограничивается от максимальной зимней потребности до 70 — 80%. Недостающие 20 — 30% дает дополнительный источник тепла. Это снижает общую эффективность работы системы. Однако снижение является незначительным.

При полном переходе на отопление здания геотермальной системой (в случае, когда не планируется устанавливать дополнительно котел или электроприбор) тепловой насос применяется совместно с внутренним модулем, содержащим небольшой встроенный электронагреватель. Он поддержит прибор, когда температура окружающей среды будет ниже -20 °С.

В каких случаях использование теплового насоса является обоснованным?

Вопрос отопления загородного дома предполагает рассмотрение нескольких вариантов:

  • Газ. При отсутствии рядом с домом газопровода это становится невозможным. В ряде регионов купить газ можно только в баллонах.
  • Уголь или дрова. С ними отопление превращается в трудоемкий и малоэффективный процесс.
  • Жидкотопливный котел требует больших расходов на топливо и специального помещения. Особое хранение необходимо и самому топливу, что неудобно в небольшом доме.
  • Отопление электричеством обходится очень дорого.

В таком случае на помощь приходит геотермальная система отопления. Ее используют даже там, где доступен газ. Установка теплового насоса дороже установки оборудования для отопления газом. Однако, газ в дальнейшем придется оплачивать постоянно, в отличие от энергии, взятой из окружающей среды.

Окупаемость теплового насоса сложно выразить в усредненном числовом значении. Все зависит от его начальной стоимости. Суть установки такого отопления сводится к перспективе. Хотя количество потребляемой электроэнергии — в 3−5 раз меньше, чем у других систем отопления, все же необходимо подсчитать в денежном эквиваленте все энергозатраты за год и сравнить их со стоимостью системы, ее монтажа и эксплуатации.

Достигнуть максимальной эффективности применения теплового насоса можно при соблюдении двух важных условий:

  • Отапливаемое здание должно быть утепленным, а показатель теплопотерь не должен превышать 100 Вт/м2. Существует прямая связь между тем, как утеплен дом и тем, насколько выгодно будет установка теплонасоса.
  • Подключение теплового насоса к низкотемпературным источникам обогрева (конвекторам, теплым полам), температурный режим которых колеблется между 30 — 40 °C.

Итак, тепловой насос станет неплохой альтернативой традиционным способам отопления. Прибор гарантирует экономичность и полную безопасность. Владельцу, после установки геотермальной системы отопления, не придется зависеть от различных внешних факторов, как, например, перебои с газоснабжением или вызовом сервисной службы. Энергия, взятая из окружающей среды, не требует оплаты и не исчерпывается.

В соответствии с прогнозами Мирового комитета по энергетике в 2020 г. геотермальные насосы составят три четверти всего отопительного оборудования.

Практика применения тепловых насосов: видео

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Принцип работы Тепловые насосы

Шум

Тепловой насос с грунтовым источником не нуждается 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 Соединенных Штатах 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 в дневное и ночное время (LDN) со штрафом в 10 дБА, применяемым к ночным уровням между 22:00 и 07:00 часами для учета нарушения 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 обогрева 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 КС 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 запускать 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 поддерживается одинаковый перепад температур. 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 (отходящее 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 в себя рассеиваемую работу компрессора, а также тепло, отводимое изнутри устройства.

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 — замечательное 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 (стадия 2), который заставляет жидкий хладагент 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 провести термодинамический анализ. Отличный справочник, объясняющий термодинамические детали того, как работают тепловые насосы: Модели тепловых насосов Ок-Ридж: I. Стационарная компьютерная модель проектирования 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 получите.

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.

Земляной тепловой насос

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.

В зимнее время жидкий раствор незамерзающей жидкости, 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 раствор незамерзания 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.Охлаждаемый на этом этапе 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.

Основное преимущество этого метода заключается в обогреве, 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 использовать природный газ в примерном расчете.

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).

Соответствующие затраты на электроэнергию тогда составляют 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, вычислите общую стоимость за использование природного газа 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 геотермальную систему с тепловым насосом, 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 (онлайн-поиск предоставит вам эту информацию). 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 заземляющих катушек.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

Принципы работы — ECO2HEATING

ПРИНЦИП РАБОТЫ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

ТЕПЛОВЫЙ НАСОС, ОТБОРКАЮЩИЙ ТЕПЛО ИЗ ПОЧВЫ, КАМН, ВОДЫ ИЛИ ВОЗДУХА, МОЖЕТ ЗНАЧИТЕЛЬНО СНИЖАТЬ ВАШИ РАСХОДЫ НА ОТОПЛЕНИЕ ЖИЛЬЯ ИЛИ НАГРЕВ ВОДЫ. Тепловой насос работает по тому же принципу, что и холодильник. В холодильнике тепло извлекается из внутренней части холодильника и выделяется в окружающую среду в задней части холодильника. Тепловой насос извлекает тепло из почвы, камней, воздуха или воды и распределяет его по дому. Из-за солнечного тепла, присутствующего в скалах, почве, воздухе или воде, каждый кВтч потребляемой мощности, необходимой для работы теплового насоса, преобразуется в 3-5 кВтч тепла на выходе в доме.

КОЭФФИЦИЕНТЫ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Традиционно энергоэффективность оценивается с использованием коэффициентов EER (коэффициент энергоэффективности) (для охлаждения) и COP (коэффициент производительности) (для отопления).Эти коэффициенты показывают, сколько тепла или холода (кВт) вырабатывается на 1 кВт потребляемой входящей электроэнергии. Основным недостатком этих показателей является то, что все производители, как правило, измеряют их при одинаковой температуре наружного воздуха — EER при температуре + 35 ℃ и COP при + 7 ℃. Начиная с 2014 года (2013 год является переходным) вводятся новых сезонных коэффициента энергоэффективности оборудования –SEER (Сезонный коэффициент энергоэффективности) (для охлаждения) и SCOP (Сезонный коэффициент эффективности) (для отопления).Эти новые коэффициенты более точно отражают эффективность оборудования, поскольку это средние значения, рассчитанные для четырех температурных точек (см. Структурные диаграммы ниже).

  • Сезонный коэффициент энергоэффективности (SEER) — это общий коэффициент энергоэффективности устройства в течение всего сезона охлаждения, рассчитанный путем деления стандартной годовой потребности в охлаждении на годовой ввод электроэнергии для охлаждения.
  • Сезонный коэффициент полезного действия (SCOP) — это общий коэффициент полезного действия прибора, соответствующий всему установленному отопительному сезону, и рассчитывается путем деления стандартной годовой потребности в отоплении на годовой ввод электроэнергии для отопления.

MITSUBISHI ELECTRIC с гордостью представляет на рынке новые тепловые насосы Kirigamine MSZ-FH-VEHZ с особенно высокими показателями SEER и SCOP!

АЭРОТЕРМИЧЕСКИЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ ВОЗДУХ-ВОЗДУХ

Тепловые насосы этого типа состоят из наружного блока и одной или нескольких внутренних секций. Наружный блок забирает тепло от наружного воздуха и передает его внутренним секциям, которые под воздействием вентилятора распространяют тепло внутри. Отапливать радиаторы насосами такого типа невозможно.Если температура наружного воздуха падает, эффективность насоса снижается. Воздушный насос обычно позволяет сэкономить около 30-50% расходов на отопление (без учета расходов на нагрев воды). Тепловые насосы этого типа прекрасно дополняют другие системы отопления, например, прямое электрическое отопление, камины, духовки, газовые котлы. Чтобы сэкономить как можно больше, важно, чтобы существующая система отопления дома была правильно установлена ​​и термодинамические датчики работали надлежащим образом. В целях экономии также очень важно место, где будет размещен тепловой насос.Планировка дома должна обеспечивать равномерное распределение тепла по всем помещениям. Летом эти тепловые насосы часто используются для кондиционирования воздуха и уменьшения влажности, однако при этом экономится меньше энергии. С точки зрения экономии энергии эти насосы представляют собой значительно более дешевое вложение по сравнению с другими системами насосов горячего воздуха. Важно, чтобы эти насосы очищали и освежали воздух в вашем доме, тем самым улучшая его.

АЭРОТЕРМИЧЕСКИЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ ВОЗДУХ-ВОДА

Тепловые насосы забирают тепло извне по тому же принципу, что и насосы воздух-воздух, но вместо преобразования воздуха в тепло они нагревают воду.Тепловые насосы «воздух-вода» могут нагревать воду и воздух, подавая тепло в ваш дом через системы полов с подогревом и радиаторы. Тепловые насосы, установленные на открытом воздухе, забирают тепло из воздуха. Эта энергия нагревает воду в баке, расположенном в помещении. Тепловые насосы «воздух-вода» могут ежегодно экономить примерно 50-60% тепла, необходимого для отопления дома и горячего водоснабжения. Даже если температура наружного воздуха ниже, экономия энергии почти такая же. Установка теплового насоса типа «воздух-вода» обычно обходится дешевле, чем установка другого геотермального насоса.Тепловой насос типа «воздух-вода» потребляет столько же энергии, что и геотермальные тепловые насосы. Кроме того, вам не нужно бурить в поисках источника тепла, а это значит, что установка насосов воздух-вода намного проще. MITSUBISHI ELECTRIC — одна из ведущих компаний на рынке тепловых насосов. Большинство тепловых насосов создано для охлаждения воздуха в жарком климате. Тепловые насосы MITSUBISHI ELECTRIC были созданы и адаптированы для использования в северных странах, где климат намного холоднее и требуется более качественное и долговечное оборудование.По этой причине все тепловые насосы производятся только на заводах MITSUBISHI ELECTRIC, где они также проходят испытания, чтобы гарантировать, что качество оборудования соответствует северным климатическим условиям.

Как работает тепловой насос?

Существует множество описаний того, как работает тепловой насос, иногда это может показаться запутанным. На самом деле это простая и фантастическая технология, которая производит больше энергии для вашего дома, чем использует.

По сути, тепловой насос похож на холодильник, работающий в обратном направлении.Он поглощает естественное тепло из воздуха, земли или воды снаружи для обогрева вашего дома и воды. Тепловые насосы являются одним из наиболее эффективных способов обогрева вашего дома, поскольку они передают тепло, а не генерируют его.

Наука, лежащая в основе тепловых насосов

Тепло естественным образом перемещается из более горячего места в более холодное. Тепловой насос работает, обращая этот процесс, используя для этого небольшое количество электроэнергии. Это достигается за счет цикла сжатия и испарения.

Цикл испарения и сжатия теплового насоса состоит из четырех стадий, по которым циркулирует хладагент.Этот хладагент действует как среда, которая передает тепло от одной ступени к другой.

1: Испаритель

Тепло поступает в теплообменник, известный как испаритель, извне. В зависимости от типа теплового насоса это низкопотенциальное тепло может поступать из любого количества источников. Например, земные тепловые насосы поглощают тепло от земли, воздушные источники — из воздуха, а водные источники — из близлежащего озера или пруда.

Это тепло вызывает испарение хладагента. Внутри испарителя хладагент низкого давления и низкой температуры может поглощать тепло даже в очень холодных условиях (до -20 o C).

2: Компрессор

Испаренный хладагент сжимается, что увеличивает температуру. С технической точки зрения низкопотенциальное тепло превращается в приемлемо высокую температуру.

3: Конденсатор

Газообразный хладагент передает тепло в систему центрального отопления.Это заставляет хладагент снова конденсироваться в жидкость. Это происходит в конденсаторе, втором теплообменнике, где более холодная вода из системы центрального отопления поглощает тепло. Это тепло затем циркулирует вокруг эмиттерной системы (радиаторы или полы с подогревом) или используется для нагрева воды.

4: Расширительный клапан

Охлажденный хладагент проходит через расширительный клапан, который снижает давление. Это дополнительно снижает температуру до того, как хладагент возвращается в испаритель, чтобы цикл мог начаться снова.

Принцип работы здесь основан на концепции «скрытой теплоты конденсации и испарения». Короче говоря, изменяя давление, мы можем контролировать точку кипения жидкой среды и, следовательно, управлять движением тепла.

Типы тепловых насосов

Есть два основных типа тепловых насосов: воздух-земля-источник. Хотя оба они используют один и тот же метод передачи тепла, упомянутый выше, то, как они вносят низкопотенциальное тепло в цикл испарения-сжатия, немного отличается.

Воздушные тепловые насосы

Воздушный тепловой насос — самый популярный тип систем. Находящийся вне вашего дома тепловой насос очень похож на стандартный кондиционер. На самом деле способ передачи тепла для кондиционеров очень похож на тот, что описан выше, только наоборот.

Солнечное тепло нагревает воздух вокруг нас, который затем втягивается вентилятором в тепловой насос. Это тепло отбирается из воздуха в змеевик теплообменника — испаритель — и цикл начинается.Вентилятор предназначен для поддержания постоянного потока теплого воздуха, контактирующего с теплообменником.

Земляные тепловые насосы

Земной тепловой насос использует солнечную энергию, накопленную в земле, в качестве источника тепла для испарителя. Он собирает тепло через проложенные под землей трубы, известные как контур заземления или массив заземления. Смесь воды и специального антифриза затем прокачивается через эту сеть труб под землей, поглощая естественное тепло ниже линии замерзания.Затем смесь антифриза и воды передает тепло испарителю в тепловом насосе, и начинается тот же процесс испарения-сжатия, как показано на диаграмме ниже.

Самая распространенная установка для геотермального теплового насоса — горизонтальная прокладка теплопоглощающих труб. Для такой прокладки труб вам понадобится большая площадь снаружи, или, если у вас мало места, вы можете выбрать систему с вертикальной петлей, которая включает бурение глубоких скважин под землей.

Здесь вы можете узнать о различиях между воздушными и наземными тепловыми насосами.

Геотермальный тепловой насос или геотермальный тепловой насос?

Несмотря на то, что термин «геотермальный тепловой насос» используется попеременно с геотермальными тепловыми насосами, он может вводить в заблуждение. Земные тепловые насосы не используют геотермальное тепло, то есть тепло от ядра Земли. Тепло, используемое геотермальным тепловым насосом, на самом деле исходит от солнца, которое поглощается и накапливается в земле.

Примеры геотермального отопления можно найти в таких областях, как Исландия, где тепло от ядра Земли поднимается вверх между континентальными плитами Европы и Северной Америки.

Тепловые насосы — это чрезвычайно энергоэффективный способ обогрева вашего дома, поскольку для их работы требуется небольшое количество электроэнергии. Хотя они имеют более высокую первоначальную стоимость, чем другие типы систем отопления, они имеют большое количество преимуществ, которые более чем компенсируют это. Чтобы назвать некоторые из них, они чрезвычайно эффективны, они не выделяют вредных выбросов на местном уровне, и, вложив средства в тепловой насос, вы могли бы окупить большую часть — если не все — денег, возвращенных в рамках программы вознаграждения за возобновляемое тепло (при условии соблюдения представление).

Тепловой насос — обзор

Отопление и охлаждение помещений с помощью тепловых насосов

Тепловые насосы в зданиях используются для отопления, охлаждения, вентиляции и производства горячей воды. PCM в сочетании с HP может снизить пиковую нагрузку, что приведет к уменьшению номинального размера теплового насоса и повышению общей эффективности систем. Это также позволяет разделить производство и использование тепловой энергии, что дает возможности для экономичного использования энергии и хорошо обслуживает периодически возобновляемые источники.Колебания нагрузки во время работы также можно смягчить, поддерживая более стабильную комфортную температуру (Nie et al., 2017).

Самый простой способ нагрева заключается в хранении тепла, выделяемого конденсатором высокого давления. Эта система может использоваться для производства тепла всякий раз, когда внешняя температура высока (в случае ТД воздух-воздух) или когда электричество дешево или легко доступно. Основным барьером остается в целом низкая теплопроводность ПКМ, влияющая на скорость теплопередачи во время зарядки / разрядки и требующая значительной разницы температур для передачи тепла между HTF и ПКМ.Агьеним и Хьюитт (2010) оценили такую ​​систему для диссоциированного производства и потребления и обнаружили, что резервуара для хранения PCM на 1116 л достаточно для удовлетворения потребности в тепле обычного британского домашнего хозяйства при эксплуатации HP в течение 7-часового периода низкой стоимости. Только. Однако этот объем можно уменьшить на 30% за счет увеличения теплопроводности ПКМ за счет усовершенствования теплообменника.

Active LHS также может использоваться для подачи тепловой энергии в испаритель ВД в холодные периоды для поддержания высокого COP.Солнечная энергия может использоваться для подачи необходимого тепла в испаритель, поддерживаясь системой LHS в ночное время или в периоды без солнечного света.

Для целей переменного тока PCM может использоваться для хранения холода либо непосредственно для охлаждения помещения, либо для снижения охлаждающей нагрузки HP в часы пик. Чайят (2015) оценил эффективность и экономичность использования кровати из PCM для хранения холодной энергии в ночное время с высоким коэффициентом полезного действия (COP) и подачи этой холода в течение дня для снабжения HP, см.рис.3. Было установлено, что система сэкономила 9% электроэнергии и имела срок окупаемости 4,15 года. Подобные исследования смещения пиков доступны в литературе (Fang et al., 2010; Moreno et al., 2014a).

Рис. 3. Пример включения ПКМ в систему кондиционирования.

Чайят Н. (2015) Энергетический и экономический анализ строительного кондиционера с материалом с фазовым переходом (ПКМ). Преобразование энергии и управление 94: 150–158. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2015.01.068

Real et al.(2014) предложили систему с двумя баками PCM для поддержания высокого COP в течение дня. Когда температура окружающей среды низкая, холод можно хранить в холодном резервуаре PCM с высоким COP и выпускать, когда охлаждение необходимо в дневное время. Другой резервуар PCM (с более высокой температурой плавления) используется в качестве буфера для горячего резервуара, где тепло может отводиться при постоянной более низкой температуре в дневное время, когда температура окружающей среды высока. Энергия, накопленная в горячем резервуаре PCM, затем рассеивается в течение ночи.Они сообщили о повышении эффективности этой системы с двумя баками PCM на 19%.

В Бергене (Норвегия) крупномасштабная система водяного охлаждения была внедрена в средней школе с использованием системы LHS в контуре распределения охлажденной воды (Jokiel et al., 2017). Четыре больших контейнера (общий объем 288 м 3 ) заполнены сложенными друг на друга пластиковыми коробками, в которых заключен PCM, с общей вместимостью ок. 11 МВтч. Система LHS накапливает холодную энергию в периоды низкой потребности и подает ее в чиллер в периоды высокой потребности в охлаждении, тем самым снижая требуемую номинальную мощность чиллера.

В Тронхейме (Норвегия) система LHS мощностью 194 кВтч с использованием пластинчатого теплообменника была внедрена в здании 2 площадью 2000 м (Sevault et al., 2019). Система LHS интегрирована в низкотемпературную централизованную систему отопления помещений, подробности см. В разделе Пример применения: LHS в лаборатории ZEB, Тронхейм (Норвегия) .

Приложения термодинамики: тепловые насосы и холодильники

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите использование тепловых двигателей в тепловых насосах и холодильниках.
  • Продемонстрируйте, как тепловой насос работает для обогрева внутреннего пространства.
  • Объясните разницу между тепловыми насосами и холодильниками.
  • Рассчитайте коэффициент полезного действия теплового насоса.

Рис. 1. Практически в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не осознают, что они тоже делят свои дома с тепловым насосом. (кредит: Id1337x, Wikimedia Commons)

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холода к горячему.Это тепловые двигатели, работающие задом наперед. Мы говорим «в обратном направлении», а не в обратном направлении, потому что, за исключением двигателей Карно, все тепловые двигатели, хотя они и могут работать в обратном направлении, не могут быть полностью реверсированы. Передача тепла происходит из холодного резервуара Q c и в горячий. Для этого требуется вложенная работа Вт, , которая также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплопередача к горячему резервуару составляет Q h = Q c + W . (Обратите внимание, что Q h , Q c и W положительны, их направления указаны на схемах, а не знаком.) Тепловой насос предназначен для передачи тепла Q h в теплую среду, например, в доме зимой. Задача кондиционеров и холодильников заключается в том, чтобы передача тепла происходила из прохладной окружающей среды, такой как охлаждение комнаты или хранение продуктов при более низких температурах, чем температура окружающей среды. (На самом деле тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и нагревательный элемент одновременно. В этом разделе мы сконцентрируемся на его режиме обогрева.)

Рис. 2. Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении. Показанный здесь основан на реверсивном двигателе Карно. (а) Принципиальная схема, показывающая передачу тепла из холодного резервуара в теплый резервуар с помощью теплового насоса. Направления W , Q h и Q c противоположны направлениям в тепловом двигателе. (b) диаграмма для цикла Карно, аналогичная показанной на рисунке 3, но в обратном порядке по пути ADCBA.Площадь внутри цикла отрицательная, что означает, что имеется сетевой ввод. Имеется передача тепла Q c в систему из холодного резервуара по пути DC и передача тепла Q h из системы в горячий резервуар по пути BA.

Тепловые насосы

Большим преимуществом использования теплового насоса для поддержания тепла в вашем доме, а не просто сжигания топлива, является то, что тепловой насос подает Q h = Q c + W .Теплоотдача происходит от наружного воздуха даже при температуре ниже точки замерзания во внутреннее пространство. Вы платите только за Вт и получаете дополнительную теплоотдачу Q c извне бесплатно; во многих случаях в отапливаемое пространство передается как минимум вдвое больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все. Недостатком является то, что затраты на работу (требуемые вторым законом термодинамики) иногда дороже, чем простое сжигание топлива, особенно если работа выполняется за счет электроэнергии.

Основные компоненты теплового насоса в режиме нагрева показаны на рисунке 3. Используется рабочая жидкость, например хладагент, не содержащий CFC. В наружных змеевиках (испарителе) теплоотдача Q c происходит к рабочему телу из холодного наружного воздуха, превращая его в газ.

Рис. 3. Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) конденсатор, (2) расширительный клапан, (3) испаритель и (4) компрессор. В режиме обогрева теплопередача Q c происходит к рабочему телу в испарителе (3) из более холодного наружного воздуха, превращая его в газ.Компрессор с электрическим приводом (4) увеличивает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (1) внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура в комнате, передача тепла от газа к комнате происходит, когда газ конденсируется в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, поскольку она течет обратно через расширительный клапан (2) к змеевикам испарителя наружного блока.

Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность Вт, ) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, которые находятся внутри отапливаемого пространства.Поскольку температура газа выше, чем температура внутри комнаты, происходит передача тепла в комнату, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость течет обратно через редукционный клапан к змеевикам испарителя наружного блока, охлаждаясь за счет расширения. (В цикле охлаждения змеевики испарителя и конденсатора меняются ролями, и направление потока жидкости меняется на противоположное.)

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько тепла Q h происходит в теплое пространство, по сравнению с тем, сколько требуется трудозатрат Вт .Исходя из соотношения между тем, что вы получаете, и тем, что вы тратите, мы определяем коэффициент полезного действия теплового насоса ( COP л.с. ) как [латексный] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ latex].

Поскольку эффективность теплового двигателя составляет [латекс] Eff = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex], мы видим, что [латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex], важный и интересный факт. Во-первых, поскольку КПД любого теплового двигателя меньше 1, это означает, что COP л.с. всегда больше 1, то есть тепловой насос всегда имеет большую теплопередачу Q h , чем затраченные на него работы. Это.Во-вторых, это означает, что тепловые насосы лучше всего работают при небольших перепадах температур. Эффективность идеального двигателя Карно составляет [латексный] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ left (\ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \ справа) \\ [/ латекс]; таким образом, чем меньше разница температур, тем меньше КПД и больше COP л.с. (потому что [латексный] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex] ). Другими словами, тепловые насосы не так хорошо работают в очень холодном климате, как в более умеренном.

Трение и другие необратимые процессы снижают эффективность теплового двигателя, но они приносят пользу работе теплового насоса. тепловой носос.

Рис. 4. Когда настоящий тепловой двигатель работает в обратном направлении, некоторая часть запланированной работы ( W, ) идет на передачу тепла до того, как он попадет в тепловую машину, тем самым снижая ее коэффициент полезного действия.На этом рисунке W ′ представляет часть W , которая идет в тепловой насос, в то время как остаток W теряется в виде теплоты трения ( Q f ) в холодный резервуар. Если бы весь W пошел в тепловой насос, то Q h было бы больше. В лучшем тепловом насосе используются адиабатические и изотермические процессы, поскольку теоретически не было бы диссипативных процессов, снижающих передачу тепла к горячему резервуару.

Пример 1. Лучший [латексный] COP _ {\ text {hp}} \\ [/ latex] теплового насоса для домашнего использования

Тепловой насос, используемый для обогрева дома, должен использовать цикл, который производит рабочую жидкость при температурах выше, чем типичная температура в помещении, чтобы могла происходить передача тепла внутрь. Точно так же он должен производить рабочую жидкость при температурах ниже, чем температура наружного воздуха, чтобы передача тепла происходила извне. Следовательно, его горячая и холодная температура резервуара не может быть слишком близкой, что ограничивает его COP л.с. .(См. Рисунок 5.) Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для такого теплового насоса, если температура горячего резервуара составляет 45,0 ° C, а температура холодного резервуара —15,0 ° C?

Стратегия

Перевернутый двигатель Карно будет работать с максимальной производительностью в качестве теплового насоса. Как отмечалось выше, [latex] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex], поэтому нам нужно сначала рассчитать эффективность Карно, чтобы решить эту проблему.

Решение

Эффективность Карно по абсолютной температуре определяется по формуле:

[латекс] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \\ [/ latex].

Температура в кельвинах составляет T h = 318 K и T c = 258 K, так что

[латекс] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ frac {258 \ text {K}} {318 \ text {K}} = 0,1887 \\ [/ latex].

Таким образом, из обсуждения выше,

[латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} = \ frac {1} {0,1887} = 5,30 \\ [/ latex], или [латекс] COP _ {\ text {hp} } = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} = \ frac {1} {0,1887} = 5,30 \\ [/ latex], так что Q h = 5,30 Вт.

Обсуждение

Этот результат означает, что теплопередача тепловым насосом равна 5.В 30 раз больше, чем вложено в это дело. Это будет стоить в 5,30 раза больше для той же теплопередачи от электрического комнатного обогревателя, чем для теплопередачи, производимой этим тепловым насосом. Это не нарушение сохранения энергии. Холодный окружающий воздух обеспечивает 4,3 Дж на 1 Дж работы от электрической розетки.

Рис. 5. Передача тепла снаружи внутрь, а также работа, проделанная для запуска насоса, происходит в тепловом насосе из приведенного выше примера. Обратите внимание, что холодная температура, создаваемая тепловым насосом, ниже, чем температура наружного воздуха, поэтому происходит передача тепла рабочей жидкости.Компрессор насоса создает температуру выше температуры в помещении для передачи тепла в дом.

Рис. 6. В жаркую погоду происходит передача тепла от воздуха внутри помещения к воздуху снаружи, охлаждая помещение. В прохладную погоду происходит передача тепла от воздуха снаружи к воздуху внутри, нагревая комнату. Это переключение достигается за счет изменения направления потока рабочей жидкости на противоположное.

Настоящие тепловые насосы работают не так хорошо, как идеальные в предыдущем примере; Их значения КС л.с. колеблются примерно от 2 до 4.Этот диапазон означает, что теплопередача Q h от тепловых насосов в 2–4 раза больше, чем работа, вложенная в них W . Однако их экономическая осуществимость все еще ограничена, поскольку W обычно получают за счет электроэнергии, которая стоит больше на джоуль, чем передача тепла путем сжигания топлива, такого как природный газ. Кроме того, первоначальная стоимость теплового насоса выше, чем у многих печей, поэтому тепловой насос должен работать дольше, чтобы окупить его стоимость.Тепловые насосы, скорее всего, будут экономически лучше там, где зимние температуры мягкие, электричество относительно дешево, а другие виды топлива относительно дороги. Кроме того, поскольку они могут охлаждать и обогревать помещение, они имеют преимущества там, где также желательно охлаждение в летние месяцы. Таким образом, одни из лучших мест для тепловых насосов — теплый летний климат с прохладной зимой. На рисунке 6 показан тепловой насос, называемый в некоторых странах «обратным циклом » или «охладителем сплит-системы » .

Кондиционеры и холодильники

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения чего-либо в теплой среде. Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холодного к горячему требуется дополнительная работа, а это дорого. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, какой объем теплоотдачи Q c происходит из холодной окружающей среды по сравнению с тем, сколько требуется трудозатрат Вт . То, что считается преимуществом теплового насоса, в холодильнике считается отработанным теплом.Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия ( COP ref ) кондиционера или холодильника как

.

[латекс] {COP} _ {\ text {ref}} = \ frac {Q _ {\ text {c}}} {W} \\ [/ latex].

Еще раз отмечая, что Q h = Q c + W , мы видим, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос, потому что [латекс] {COP} _ { \ text {hp}} = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ latex] и Q h больше, чем Q c .В задачах и упражнениях этого модуля вы покажете, что COP ref = COP л.с. — 1 для теплового двигателя, используемого в качестве кондиционера или теплового насоса, работающего между двумя одинаковыми температурами. Настоящие кондиционеры и холодильники обычно работают замечательно, имея значения COP ref в диапазоне от 2 до 6. Эти числа лучше, чем значения COP л.с. для тепловых насосов, упомянутых выше, поскольку разница температур составляет меньше, но они меньше, чем у двигателей Карно, работающих между теми же двумя температурами.

Был разработан тип рейтинговой системы COP , называемый «рейтинг энергоэффективности» ( EER ). Этот рейтинг является примером того, что единицы, не относящиеся к системе СИ, по-прежнему используются и актуальны для потребителей. Чтобы упростить жизнь потребителя, Австралия, Канада, Новая Зеландия и США используют рейтинг Energy Star из 5 звезд — чем больше звездочек, тем более энергоэффективным является устройство. EER с выражены в смешанных единицах британских тепловых единиц (БТЕ) ​​в час нагрева или охлаждения, разделенных на потребляемую мощность в ваттах.Комнатные кондиционеры легко доступны с EER с диапазоном от 6 до 12. Хотя это не то же самое, что только что описанные COP , эти EER хороши для целей сравнения — чем больше EER , тем дешевле кондиционер должен работать (но тем выше, вероятно, будет его покупная цена).

EER кондиционера или холодильника можно выразить как

.

[латекс] \ displaystyle {EER} = \ frac {\ frac {Q _ {\ text {c}}} {t_1}} {\ frac {W} {t_2}} \\ [/ latex],

, где Q c — количество теплопередачи от холодной среды в британских тепловых единицах, t 1 — время в часах, W — потребляемая работа в джоулях, а t 2 — время в секундах.

Стратегии решения проблем термодинамики

  1. Изучите ситуацию, чтобы определить, участвует ли тепло, работа или внутренняя энергия . Ищите любую систему, в которой основными методами передачи энергии являются тепло и работа. Тепловые двигатели, тепловые насосы, холодильники и кондиционеры являются примерами таких систем.
  2. Определите интересующую систему и нарисуйте помеченную диаграмму системы, показывающую поток энергии.
  3. Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные) .Письменный список полезен. Максимальная эффективность означает, что задействован двигатель Карно. Эффективность — это не то же самое, что коэффициент полезного действия.
  4. Составьте список того, что дано или может быть выведено из проблемы, как указано (укажите известные). Обязательно отличите теплопередачу в системе от теплопередачи из системы, а также затраты на работу от результатов работы. Во многих ситуациях полезно определить тип процесса, например изотермический или адиабатический.
  5. Решите соответствующее уравнение для количества, которое необходимо определить (неизвестное).
  6. Подставьте известные величины вместе с их единицами измерения в соответствующее уравнение и получите численные решения с указанием единиц.
  7. Проверьте ответ, чтобы узнать, разумен ли он: имеет ли он смысл? Например, КПД всегда меньше 1, тогда как коэффициенты производительности больше 1.

Сводка раздела

  • Артефакт второго закона термодинамики — это способность обогревать внутреннее пространство с помощью теплового насоса.Тепловые насосы сжимают холодный окружающий воздух и при этом нагревают его до комнатной температуры без нарушения принципов консервации.
  • Чтобы рассчитать коэффициент полезного действия теплового насоса, используйте уравнение [latex] {\ text {COP}} _ {\ text {hp}} = \ frac {{Q} _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ латекс].
  • Холодильник — это тепловой насос; он забирает теплый окружающий воздух и расширяет его, чтобы охладить.

Концептуальные вопросы

  1. Объясните, почему тепловые насосы не работают в очень холодном климате так же хорошо, как в более мягком.То же самое и с холодильниками?
  2. В некоторых странах Северной Европы дома строятся без каких-либо систем отопления. Они очень хорошо изолированы и согреваются теплом тела жителей. Однако, когда жителей нет дома, в этих домах все равно тепло. Какое возможное объяснение?
  3. Почему холодильники, кондиционеры и тепловые насосы работают наиболее рентабельно для циклов с небольшой разницей между T h и T c ? (Обратите внимание, что температура используемого цикла имеет решающее значение для его COP .)
  4. Менеджеры продуктовых магазинов утверждают, что летом общее потребление энергии меньше, если в магазине поддерживается низкая температура. Приведите аргументы в поддержку или опровержение этого утверждения, учитывая, что в магазине множество холодильников и морозильников.
  5. Можно ли охладить кухню, оставив дверцу холодильника открытой?

Задачи и упражнения

  1. Каков КПД идеального теплового насоса с теплопередачей при температуре холода −25?От 0ºC до горячей температуры 40,0ºC?
  2. Предположим, у вас есть идеальный холодильник, который охлаждает окружающую среду до –20,0ºC и передает тепло в другую среду при 50,0ºC. Каков его коэффициент полезного действия?
  3. Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия гипотетического холодильника, который может производить жидкий азот при температуре –200ºC и имеет теплопередачу в окружающую среду при температуре 35,0ºC?
  4. В очень мягком зимнем климате тепловой насос передает тепло из окружающей среды на 5.От 00ºC до единицы при 35,0ºC. Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для этих температур? Ясно покажите, как вы следуете шагам, указанным в Стратегиях решения проблем термодинамики.
  5. (a) Каков наилучший коэффициент полезного действия теплового насоса с температурой горячего резервуара 50,0 ° C и температурой холодного резервуара -20,0 ° C? (b) Сколько тепла происходит в теплой среде, если в нее вложено 3,60 × 10 7 Дж работы (10,0 кВт · ч)? (c) Если стоимость этих работ составляет 10.0 центов / кВт · ч, как его стоимость по сравнению с прямой теплопередачей, достигаемой за счет сжигания природного газа по цене 85,0 центов за терм. (Термины — это общепринятая единица измерения энергии для природного газа, равная 1,055 × 10 8 Дж.)
  6. (a) Каков наилучший коэффициент полезного действия холодильника, который охлаждает окружающую среду до –30,0ºC и передает тепло в другую среду при 45,0ºC? (б) Сколько работы в джоулях необходимо сделать для передачи тепла 4186 кДж из холодной среды? (c) Какова стоимость этого, если работа стоит 10.0 центов за 3,60 × 10 6 Дж (киловатт-час)? (d) Сколько кДж теплопередачи происходит в теплую среду? (e) Обсудите, какой тип холодильника может работать при этих температурах.
  7. Предположим, вы хотите использовать идеальный холодильник с температурой холода -10,0 ° C и хотите, чтобы он имел коэффициент полезного действия 7,00. Какова температура горячего резервуара у такого холодильника?
  8. Рассматривается идеальный тепловой насос для обогрева помещения с температурой 22 ° C.0ºC. Какова температура холодного резервуара, если коэффициент полезного действия насоса должен составлять 12,0?
  9. 4-тонный кондиционер удаляет 5,06 × 10 7 Дж (48 000 британских тепловых единиц) из холодной среды за 1 час. (a) Какая энергия в джоулях необходима для этого, если кондиционер имеет рейтинг энергоэффективности ( EER ) 12,0? (b) Какова стоимость этого, если работа стоит 10,0 центов за 3,60 × 10 6 Дж (один киловатт-час)? (c) Обсудите, насколько реалистична эта стоимость.Обратите внимание, что рейтинг энергоэффективности ( EER ) кондиционера или холодильника определяется как количество британских тепловых единиц теплопередачи из холодной окружающей среды в час, деленное на потребляемую мощность в ваттах.
  10. Покажите, что коэффициенты производительности холодильников и тепловых насосов связаны соотношением COP ref = COP л.с. — 1. Начнем с определений COP s и отношения сохранения энергии между Q h , Q c и W .

Глоссарий

тепловой насос: машина, передающая тепло от холода к горячему

КПД: для теплового насоса, это отношение теплопередачи на выходе (горячий резервуар) к произведенной работе; для холодильника или кондиционера это отношение теплоотдачи от холодного резервуара к произведенной работе

Избранные решения проблем и упражнения

1. 4.82

3.0,311

5. (а) 4,61; б) 1,66 × 10 8 Дж или 3,97 × 10 4 ккал; (c) Для передачи 1,66 × 10 8 Дж тепловой насос стоит 1 доллар США, природный газ — 1,34 доллара.

7. 27,6ºC

9. (а) 1,44 × 10 7 Дж; (б) 40 центов; (c) Эта стоимость кажется вполне реальной; в нем говорится, что работа кондиционера в течение всего дня будет стоить 9,59 доллара (если он будет работать непрерывно).

Тепловые насосы | Encyclopedia.com

Тепловой насос — это термодинамическая система нагрева / охлаждения, используемая для передачи тепла.Тепловые насосы для охлаждения и обогрева предназначены для использования тепла, отбираемого при низкой температуре, и тепла, отбрасываемого при более высокой температуре, для функций охлаждения и обогрева соответственно.

Можно провести простую аналогию с бытовым холодильником. Холодильник на самом деле представляет собой односторонний тепловой насос, который передает тепло из отделения для хранения продуктов в комнату снаружи. При этом внутренняя часть холодильника становится все холоднее по мере отвода тепла. В закрытой комнате тепло, исходящее из холодильника, сделает комнату теплее.Чем больше холодильник, тем большее количество тепла может от него отводиться. Если бы дверь холодильника была открыта на улицу, было бы почти неограниченное количество тепла, которое могло бы передаваться внутрь жилища. Таким образом, можно спроектировать систему охлаждения для передачи тепла от холода снаружи (или любого другого холодного резервуара, такого как вода или земля) внутрь здания (или к любой среде, которую требуется нагреть).

Тепловые насосы могут перемещать тепловую энергию между любыми формами материи, но они, как правило, предназначены для использования общих теплоносителей и охлаждающих средств, т.е.э., воздух или вода. Тепловые насосы идентифицируются и называются передающей средой. Таким образом, обычно используются термины воздух-воздух, вода-воздух или воздух-вода. Большинство тепловых насосов предназначены для передачи тепла между наружным воздухом и внутренним воздухом или, в случае так называемых геотермальных или наземных тепловых насосов, между землей или колодезной водой и воздухом. Основное применение тепловых насосов — это обогрев и охлаждение помещений в зданиях.

Существует три типа применения теплового насоса: нагрев, охлаждение или нагрев и охлаждение.Тепловые насосы, работающие только для обогрева, предназначены для передачи тепла в одном направлении от источника холода, например, снаружи, внутрь здания, к водопроводной системе горячего водоснабжения или к каким-либо промышленным процессам. Термин «тепловой насос только для охлаждения» отсутствует, поскольку этот термин просто описывает то, что обычно называют кондиционером или системой охлаждения.

Тепловые насосы «Отопление и охлаждение» имеют реверсивные системы охлаждения, что позволяет им работать как системы отопления или охлаждения.В качестве аналогии можно привести оконный кондиционер, который зимой переворачивали, чтобы он охлаждал снаружи и выдувал горячий воздух внутрь. Большинство используемых тепловых насосов относятся к типу обогрева и охлаждения и используются для обогрева жилых домов, коммерческих и промышленных зданий. Основная часть проданных домов приходится на жилые дома: в 1999 г. около четверти новых частных домов были оборудованы тепловыми насосами для обогрева и охлаждения.

В большинстве тепловых насосов для передачи тепла используется парокомпрессионная система охлаждения.В таких системах используется цикл, в котором летучая жидкость, хладагент, испаряется, сжимается, сжижается и постоянно расширяется в замкнутой системе. Компрессор служит насосом, нагнетая хладагент и обеспечивая его циркуляцию по системе. Хладагент под давлением сжижается в конденсаторе с выделением тепла. Жидкий хладагент проходит через расширительное устройство в испаритель, где он кипит и расширяется в пар, поглощая при этом тепло. Используются два теплообменника: один как конденсатор, а другой как испаритель.В случае теплового насоса «воздух-воздух» один теплообменник расположен снаружи, а другой — внутри. В тепловом насосе с грунтовым источником наружный теплообменник находится в контакте с колодезной водой, прудом или самой землей. В обоих случаях поток хладагента делается обратимым, так что каждый теплообменник можно использовать как испаритель или как конденсатор, в зависимости от того, требуется ли нагрев или охлаждение. Вся система электрически управляется. (См. Рисунки 1 и 2.)

Некоторые тепловые насосы, называемые термоэлектрическими тепловыми насосами, используют эффект Пельтье с использованием термопар.Эффект Пельтье относится к выделению или поглощению тепла, производимого электрическим током, проходящим через соединения двух подходящих разнородных металлов, сплавов или полупроводников. В настоящее время термоэлектрические тепловые насосы используются только в некоторых специализированных приложениях. Они не были разработаны настолько, чтобы сделать их практичными для общего отопления и охлаждения зданий.

Энергоэффективность тепловых насосов измеряется путем расчета их коэффициента полезного действия (COP), отношения полученной тепловой энергии к потребляемой энергии.Производительность современных тепловых насосов в США измеряется в британских тепловых единицах в час (БТЕ / ч). КПД в данной рабочей точке можно рассчитать, разделив выходную мощность системы в британских тепловых единицах в час на потребляемую энергию в британских тепловых единицах в час. Поскольку для большинства тепловых насосов потребляемая мощность — это электроэнергия, измеряемая в ватт-часах, значение в ваттах умножается на преобразование коэффициент 3,412 для получения потребляемой энергии в британских тепловых единицах в час.

На COP влияют два основных фактора: разница температур и эффективность компонентов системы.Тепловому насосу требуется энергия для передачи тепла от более низкой температуры к более высокой. По мере увеличения разницы между двумя температурами требуется больше энергии. КПД теплового насоса выше когда разница температур меньше, и меньше энергии потребляется для передачи заданного количества тепла. Таким образом, COP теплового насоса изменяется во время его работы и зависит от рабочей точки системы, температуры среды, от которой передается тепло, и температуры среды, которой он передается.Сравнение КС двух разных систем бессмысленно, если только действующие точки такие же. По этой причине, хотя эффективность теплового насоса продолжает улучшаться, конкретные исторические сравнения эффективности теплового насоса затруднены, поскольку данные о работе системы записывались в разных рабочих точках.

Тепловые насосы «воздух-воздух» особенно подвержены изменяющимся значениям COP из-за изменчивых погодных условий на открытом воздухе. Зимой COP уменьшается по мере снижения температуры наружного воздуха из-за необходимости системы передавать тепловую энергию при большей разнице температур.Тепловая мощность снижается по мере снижения температуры наружного воздуха одновременно с увеличением потребности здания в отоплении. Фактически, COP может упасть настолько низко, что тепловой насос не сможет удовлетворить потребности здания в тепле. По этой причине в географических регионах с холодными зимами необходим вспомогательный источник тепла, такой как резистивные нагреватели или печь, работающая на ископаемом топливе. КПД тепловых насосов воздух-воздух дополнительно снижается за счет использования циклов оттаивания, необходимых для очистки наружного теплообменника от отложений инея, когда температура воздуха падает ниже примерно 40 ° F.Во время размораживания холодильная система переключается в режим комфортного охлаждения, нагревая наружный теплообменник, чтобы растопить иней. Поскольку в режиме оттаивания воздух в помещении охлаждается, дополнительное тепло обычно необходимо для поддержания уровня комфорта, что снижает общий коэффициент полезного действия системы. Уменьшение зависит от продолжительности оттаивания.

Летом COP теплового насоса «воздух-воздух» уменьшается по мере повышения температуры наружного воздуха, что снижает холодопроизводительность. Обычно потребности здания в тепле удовлетворяются, поскольку обычно тепловой насос подбирают таким образом, чтобы он обеспечивал достаточную охлаждающую способность во всех, кроме самых экстремальных летних условий.Затем этим компромиссом определяется тепловая мощность системы в зимнее время, и, если теплопроизводительность недостаточна, требуется дополнительное тепло на электричестве или ископаемом топливе.

Поскольку температура глубокого грунта практически не изменяется, геотермальные тепловые насосы, использующие воду из скважины, работают при довольно стабильном COP. Геотермальные источники, использующие землю в качестве тепловой массы, будут видеть некоторые различия в COP в зависимости от сухости почвы. Влажная земля проводит больше тепла, чем сухая, и теоретическая проводимость почвы может варьироваться до 1000 процентов.По этой причине теплообменник контура заземления должен быть заглублен достаточно глубоко, чтобы минимизировать колебания влажности почвы.

Компоненты системы могут влиять на COP, поскольку их конструкция и производительность могут отличаться. В парокомпрессионных системах эффективность передачи теплообменников и энергоэффективность компрессора, а также то, как эти компоненты согласованы, помогают определить рабочий КПД. Компрессоры оптимизированы по производительности для узких рабочих диапазонов. Если оптимизация выполняется для нагрева, может пострадать операция охлаждения.Обратное тоже верно.

Рабочее состояние компонентов также влияет на COP. Например, если теплообменники засоряются или корродируют, или если домовладелец не заменяет фильтр печи, рабочий КПД теплового насоса снизится. Любая система отопления и охлаждения будет иметь некоторое снижение производительности после ввода в эксплуатацию. Степень деградации зависит от условий, в которых должна работать система, а также от того, насколько тщательно обслуживаются компоненты системы.

Большинство тепловых насосов для жилых домов представляют собой унитарные системы; то есть они состоят из одного или нескольких модулей заводской сборки. В больших зданиях могут потребоваться встроенные тепловые насосы, состоящие из различных компонентов системы, которые требуют инженерного проектирования, адаптированного к конкретному зданию. Иногда несколько унитарных блоков используются в больших зданиях для облегчения зонального контроля; здание разделено на более мелкие части, в которых установлены собственные термостаты.

ИСТОРИЯ

Оливер Эванс предложил замкнутый цикл охлаждения пара в 1805 году в «Руководстве для молодого паровоза».Эванс отметил: «Таким образом, оказывается возможным извлечь скрытое тепло из холодной воды и применить его для кипячения другой воды». К 1852 году Уильям Томпсон (лорд Кельвин) предложил использовать систему охлаждения для охлаждения или нагрева воздуха в зданиях и обрисовал в общих чертах конструкцию такой машины. В Австрии после 1855 года Петер Риттер фон Риттенгер сконструировал рабочие тепловые насосы, эффективность которых, как утверждается, составляла 80 процентов. Эти устройства использовались для испарения солевого раствора, и аналогичные устройства были построены в Швейцарии после 1870 года.

Теоретическое обсуждение теплового насоса появилось в журнале Института Франклина в 1886 году. Т. Г. Н. Холдейн из Шотландии всесторонне исследовал применение тепловых насосов для отопления зданий после середины 1920-х годов. Холдейн протестировал системы теплового насоса воздух-вода в своем доме и пришел к выводу, что парокомпрессионный холодильный цикл при определенных условиях может обеспечить более экономичное средство обогрева зданий и бассейнов, чем ископаемое топливо. Холдейн также предложил использовать обратный цикл, чтобы тепловой насос можно было использовать для охлаждения зданий или изготовления льда.Тепловой насос Холдейна имел коэффициент полезного действия (COP) от 2 до 3, в зависимости от условий эксплуатации.

В 1930-х и 1940-х годах в США было произведено несколько жилых и коммерческих тепловых насосов. Они были всех типов, и КПД нагрева этих систем, результаты которых были известны, варьировались от 2 до 5. Были опубликованы сотни статей и статей, в которых обсуждались теория, применение и примеры установленных тепловых насосов. Несмотря на эту деятельность, большинство установленных систем отопления представляли собой обычные печи и котлы, работающие на ископаемом топливе из-за их более низкой первоначальной стоимости, широкого признания и хорошо налаженной инфраструктуры производства, продаж и обслуживания.

Комфортное охлаждение — одно из преимуществ теплового насоса, которое обычно упоминалось в литературе 1930-х и 1940-х годов. Однако в то время не было большого потребительского спроса на общее комфортное охлаждение, особенно для жилых домов. Конечно, были отдельные очаги интереса, такие как кинотеатры и некоторые коммерческие здания, но подлинный массовый потребительский спрос на комфортное охлаждение не развивался до середины двадцатого века. Таким образом, не было финансовых стимулов для массового производства унитарных кондиционеров с комфортным охлаждением в 1930-х и 1940-х годах, и, следовательно, не было стимулов для производства унитарных тепловых насосов.Было несколько отдельных попыток, таких как пакетный тепловой насос, продаваемый DeLaVergne в 1933 году, но эти попытки были недолговечными.

Электроэнергетические компании действительно имели финансовую заинтересованность в тепловых насосах, поскольку в большинстве конструкций для отопления и охлаждения использовалось электричество. Но коммунальные предприятия не были ни производителями, ни потребителями. Несмотря на их попытки продвигать тепловые насосы с помощью статей и демонстрационных систем, они не смогли создать спрос на продукт.

К 1960-м годам централизованное кондиционирование воздуха в жилых помещениях становилось все более популярным.Оборудование развивалось до такой степени, что ряд производителей производили и продавали унитарное оборудование для кондиционирования воздуха. Некоторые из этих производителей действительно пытались возродить идею применения теплового насоса для отопления и охлаждения жилых домов, магазинов и небольших офисов. Системы были спроектированы и проданы, но рынок сильно пострадал. Используемые компоненты системы не выдерживали требований летней и зимней эксплуатации в сложных погодных условиях. Компрессоры и реверсивные клапаны, в частности, имели достаточно отказов, и большинство производителей сняли свои продукты с рынка.Тепловые насосы «воздух-воздух» 1960-х годов использовали циклы оттаивания по времени, инициируя оттаивание даже тогда, когда в этом не было необходимости. Таким образом, эффективность системы была необоснованно снижена.

Возобновился интерес к тепловым насосам, вызванный энергетическим кризисом 1970-х годов. Рост цен на ископаемое топливо заставил производителей еще раз взглянуть на тепловые насосы. Владельцы «полностью электрических домов», уязвленные высокой стоимостью электрического тепла, искали способ снизить затраты на отопление с минимальной модернизацией существующей системы отопления.Тепловой насос может сэкономить от 30 до 60 процентов стоимости электрического резистивного отопления.

Помня о проблемах 1960-х, производители переработали системные компоненты. Эффективность системы в целом была выше, чем в 1960-х годах, потому что компоненты системы были более эффективными. Большинство тепловых насосов типа «воздух-воздух» того периода использовали цикл размораживания по потребности, что еще больше повысило общую энергоэффективность. К середине 1970-х большинство крупных производителей оборудования для кондиционирования воздуха предлагали тепловые насосы.Они были особенно популярны в районах с умеренными зимами, где тепловые насосы воздух-воздух могли работать с более высокими значениями COP.

Обычные тепловые насосы продолжали выпускаться с 1970-х по 1990-е годы. Тенденция заключалась в постепенном повышении энергоэффективности. Средняя эффективность новых тепловых насосов увеличилась на 60 процентов (исходя из охлаждающей способности) в период с 1976 по 1998 год. Минимальная эффективность была обязательна для бытовых тепловых насосов в 1987 году и для коммерческого оборудования в 1992 году, что является значительным фактором, способствовавшим повышению эффективности по сравнению с прошлым. двадцать лет.Для тепловых насосов, используемых в коммерческих зданиях, стандарты эффективности были взяты из типовых стандартов, опубликованных Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE). Министерство энергетики США может пересмотреть эти стандарты в ближайшие несколько лет и установить более строгие стандарты (как для жилых, так и для коммерческих тепловых насосов), если это технически и экономически целесообразно.

ТЕКУЩАЯ ПРАКТИКА И БУДУЩЕЕ

Системы с тепловыми насосами теперь оцениваются с учетом сезонного коэффициента производительности отопления (HSPF) и сезонного коэффициента энергоэффективности (SEER).HSPF рассчитывается исходя из годовой производительности системы отопления в БТЕ по потреблению электроэнергии для отопления в ватт-часах. SEER — это оценка годовой мощности охлаждения в британских тепловых единицах, деленная на потребление электроэнергии для охлаждения в ватт-часах. HSPF и SEER рассчитываются на основе определенных рейтинговых баллов, стандартизированных Институтом кондиционирования воздуха и охлаждения (ARI), отраслевой торговой организацией, которая занимается пропагандой тестирования и обучением. ARI проводит программу сертификации, в которой принимают участие практически все производители тепловых насосов.Программа дает потребителю доступ к беспристрастным и единообразным сравнениям между различными системами и производителями. Оценка различных систем в одной и той же рабочей точке позволяет проводить точное сравнение систем. Тепловые насосы, представленные в 1999 году, имеют NSPF 6,8 или выше и SEER 10.0 или больше, с высокоэффективными блоками, имеющими HSPF до 9 и SEER 13 или больше.

Геотермальные тепловые насосы вызывают больший интерес, чем когда-либо. Стоимость таких систем снизилась за счет использования пластиковых трубопроводов для водяных или заземляющих контуров.Геотермальные системы оказываются особенно полезными в более холодных зимних регионах, поскольку температура грунта намного выше, чем температура наружного воздуха. Кроме того, в тепловых насосах типа «воздух-воздух» отсутствует требующийся для снижения эффективности цикл размораживания.

Новая компрессорная технология, в которой используются компрессоры роторно-спирального типа, заменяет ранее использовавшуюся поршневую технологию. Спиральные компрессоры работают с более высоким КПД в более широких условиях эксплуатации. Тепловые насосы со спиральными компрессорами потребляют меньше дополнительного тепла при низких температурах наружного воздуха.Электрические и электронные технологии делают компрессоры переменной производительности рентабельными в следующем столетии. Производительность компрессора можно оптимизировать для более широкого рабочего диапазона, а соответствие производительности компрессора фактическим потребностям в обогреве или охлаждении увеличивает эффективность системы, экономя энергию. Применение микропроцессоров в системах управления позволяет дополнительно настроить работу системы. Энергоэффективность также повышается за счет разработки электродвигателей с более высоким КПД для компрессоров и вентиляторов.

Повышение экологической осведомленности, несомненно, вызовет в будущем растущий интерес к тепловым насосам с солнечной батареей. Такие системы могут работать при более высоких значениях COP, чем обычные тепловые насосы. В системе теплового насоса с использованием солнечной энергии используется система солнечного отопления параллельно с обычным тепловым насосом. Система солнечного отопления сокращает время работы теплового насоса, а также снижает потребность в дополнительном электрическом или ископаемом обогреве в более холодную погоду.

Бернар А.Нагенгаст

См. Также : Кондиционирование воздуха; Теплопередача.

БИБЛИОГРАФИЯ

Институт кондиционирования воздуха и холода. (1999) «Как работает тепловой насос». Раздел информации для потребителей. .

Институт кондиционирования воздуха и холода. (1999) «Нагрев, охлаждение, экономия энергии с помощью теплового насоса». Арлингтон, Вирджиния: ARI.

Институт кондиционирования воздуха и холода. (1999) Унитарный справочник ARI . .

Американское общество инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха. (1978). Составной указатель технических статей ASHRAE 1959–1976 гг. . Атланта: ASHRAE.

Американское общество инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха. (1996). Абсорбционные / сорбционные тепловые насосы и холодильные системы . Атланта: ASHRAE.

Американское общество инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха. (1996). Справочник ASHRAE: Системы и оборудование отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха .Атланта: ASHRAE.

Американское общество инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха. (1999). Справочник ASHRAE: Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха . Атланта: ASHRAE.

Bose, J .; Паркер, Дж .; и McQuiston, F. (1985). Руководство по проектированию / данным для систем тепловых насосов с замкнутым контуром и заземлением . Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха.

Эванс, О. (1805). Справочник юного паровоза , стр.137. Филадельфия: Х. К. Кэри и И. Ли.

Холдейн, Т. Г. Н. (1930). «Тепловой насос: экономичный метод производства низкопотенциального тепла из электроэнергии». Журнал Института инженеров-электриков 68: 666–675.

Howell, R .; Sauer, H .; и Коад, W. (1997) Принципы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха . Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха.

Кавано, С., и Рафферти, К. (1997). Земляные тепловые насосы . Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *