Что такое тепловой насос? Какие бывают тепловые насосы?

Тепловой насос — это такое устройство, которое отбирает энергию от одного тела и передает его другому, тем самым добавляя тепловую энергию последнему. Общий принцип построения теплового насоса похож на структуру построения холодильной машины, только в тепловом насосе испаритель и конденсатор поменяны местами (класс тепловых насосов ВоздухВоздух).

 

Классифицируются тепловые насосы по способу отбора тепла

В литературе встречается множество источников от которых можно отбирать тепло для использования его в тепловых насосах, например можно отбирать тепло из горных пород, из озер и рек, из грунта и воздуха. Коэффициент полезного действия и рациональность добычи такого тепла сильно разнится. Самыми распространенными источниками добычи являются грунтовый способ добычи и из воздуха.

Отбор тепла из воздуха: воздух-воздух, воздух-вода.

Первое слово обозначает из чего отбирается тепло, а второе слово указывает то, что мы нагреваем.

С первого взгляда рядовой пользователь задастся вопросом: откуда же тепловой насос возьмет тепло, когда на улице -10 градусов? Ответ кроется в физических процессах нашей планеты, даже при таких низких температурах – есть потенциал теплой энергии иначе бы планета земля погрузилась бы в глубокий ледниковый период. Тепловые насосы этого класса сильно зависимы от температуры окружающей среды и имеют наибольшую эффективность работы в температурном диапазоне до -8 градусов по Цельсию. Так например при температуре окружающей среды -5, тепловой насос подогреет воду до +45 град. – и этого будет достаточно, например, для работы системы теплый пол (теплые стены). В условиях очень сильных морозов до -25 град. тепловые насосы теряют эффективность и для сохранения тепла в доме должны выполняться два условия: качественное утепление дома и дублирующий нагревательный котел (газовый, электрический котел или твердотопливный).

 

Отбор тепла из грунта – геотермальный тепловой насос (вода-вода, вода-воздух)

Тепловой насос, который отбирает тепло из грунта называют геотермальным тепловым  насосом (вода-вода, вода-воздух). Из всех насосов у него самый высокий и стабильный КПД, не зависящий от уличной температуры. Так например при вложенном 1 кВт электрической мощности, насос выдает 3,5-5 кВт тепловой. Благодаря тому что внутренняя температура земли в течении года практически не изменяется – геотермальный тепловой насос стабильно выдает необходимую тепловую мощность.  Для отбора тепла из грунта используется скважина, в скважину помещают трубы, по которым циркулирует теплоноситель, а внешний блок-преобразователь устанавливается в котельной.

 

Отбор тепла из воды (водоема).

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

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

 

Какой КПД у тепловых насосов? 

КПД теплового насоса приводит многих в замешательство, так как если выполнить «очевидный расчет», то он принципиально больше 1, однако работа теплового насоса полностью подчиняется закону сохранения энергии. То есть если считать тепловой насос «черным ящиком», то действительно, устройство потребляет энергии меньше, чем производит тепла, что принципиально. Это не совсем так.

Пример:

Пусть тепловой насос потребляет из электрической сети 1 КВт и отдает потребителю 4 Квт, и забирает из низкопотенциального источника 5 Квт. Расчет типа Pпотребителя/Pсети = 4/1 = 4 — неправильный, так как не учитывает источник низкопотенциального тепла.

Правильный расчет для КПД теплового насоса:

Pпотребителя /(Pсети + Pисточника) = 4 /(1 + 5) = 0.67

Сколько тепловой насос переносит тепла из источника низкопотенциального тепла оценить сложно - это и приводит к ошибке.

Однако если в расчете учесть и источник низкопотенциального тепла, то КПД машины станет принципиально меньше единицы. Для удобства расчетов и понимания принципов работы была введена единица «коэффициент СОР». COP показывает во сколько раз тепловая энергия переданная потребителю превышает количество работы необходимой для переноса тепла от низкопотенциального источника, а степень термодинамического совершенства показывает насколько реальный тепловой цикл теплового насоса приближен к идеальному тепловому циклу.

 

Преимущества и недостатки тепловых насосов

К преимущества следует отнести:

- экономичность - для передачи в систему отопления 1 кВт•ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт•ч электроэнергии

- безопасность -упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

- двухрежимность работы – летом охлаждает/зимой нагревает - просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы или системы «холодный потолок».

- надежность и простота в обслуживании - процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.

- компактность -  модуль по размерам не превышает обычный холодильник и практически бесшумен.

 

Недостатками тепловых насосов являются:

-высокая стоимость установленного оборудования,

- необходимость сложного и дорогого монтажа внешних подземных или подводных теплообменных контуров.

- недостатком воздушных тепловых насосов является более низкий коэффициент преобразования тепла, связанный с низкой температурой кипения хладагента во внешнем «воздушном» испарителе.

- общим недостатком всех тепловых насосов является сравнительно низкая температура нагреваемой воды, в большинстве случаев нагревают воду до температуры не более +35 °С ÷ +45 °С.