01.03.13

   Теплові насоси



      Як працює тепловий насос?
Тепловий насос - теплова машина, призначена для підвищення температурного рівня теплоти навколишнього середовища.Тобто - це «холодильник навпаки». Як і в холодильних установках, у теплових насосах здійснюється перехід теплоти від тіл менш нагрітих до більш нагрітих за рахунок механічної роботи (згідно другого начала термодинаміки).
На перший погляд, зв'язок між «виробництвом тепла» і холодильною машиною полягає в тому, що принцип роботи теплових насосів і звичайних холодильників однаковий і заснований на двох добре знайомих усім фізичних явищах.
Перше: коли речовина випаровується, вона поглинає тепло, а коли конденсується, віддає його. Цією закономірністю пояснюється ефект охолодження рідини в пляшці, оберненої мокрою ганчіркою (випаровується вода і відбирає частину тепла), а також більш висока здатність опіку парою (температура киплячої рідини і насиченої пари однакова, але енергія пари більше, тому такий опік небезпечніше).
Друге: коли тиск міняється, міняється температура випаровування та конденсації речовини - чим вище тиск, тим вище температура, і навпаки. З цієї причини в каструлі-"скороварці" їжа готується швидше, ніж зазвичай (тиск в ній підвищується, а слідом за цим підвищується і температура кипіння води). Але у горах, де атмосферний тиск нижче, щоб зварити їжу, потрібно більше часу.
Тепловий насос - пристрій схожий на холодильник.
В обох пристроях основними елементами є випарник, компресор, конденсатор і дросель (регулятор потоку), з'єднані трубопроводом, в якому циркулює холодоагент - речовина, здатна кипіти при низькій температурі і міняє свій агрегатний стан з газоподібного в одній частині циклу, на рідкий - в інший . Просто в холодильнику головна партія відводиться випарнику і відбору тепла, а в тепловому насосі - конденсатору і передачі тепла.
Функція побутового холодильника зводиться до охолодження продуктів, і його серцем є теплоізольована камера, звідки тепло «відкачується» (відбирається киплячим в теплообміннику-випарнику холодоагентом) і через теплообмінник-конденсатор «викидається» в приміщення (задня стінка холодильника досить тепла на дотик).
В тепловому насосі головним стає теплообмінник, з якого тепло «знімається» і використовується для обігріву будинку, а другорядна «морозилка» розміщується за межами будівлі.
Схема теплового насоса

Схематично тепловий насос можна представити у вигляді системи з трьох замкнутих контурів: у першому, зовнішньому, циркулює тепловіддавач (теплоносій, що збирає теплоту навколишнього середовища), у другому - холодоагент (речовина, яка випаровується, відбираючи теплоту тепловіддавач, і конденсується, віддаючи теплоту теплоприймачу) , в третьому - теплоприймач (вода в системах опалення та гарячого водопостачання будівлі).
Зовнішній контур (колектор) являє собою укладений в землю або у воду (наприклад поліетиленовий) трубопровід, в якому циркулює незамерзаюча рідина - антифриз. Джерелом низькопотенційного тепла може служити грунт , скельна порода, озеро, річка, море і навіть вихід теплого повітря з системи вентиляції якогось промислового підприємства.
Робочий цикл виглядає так. Рідкий холодоагент продавлюється через дросель, його тиск падає, і він надходить у випарник, де закипає, відбираючи теплоту, що поставляється колектором з навколишнього середовища. Далі газ, в який перетворився холодоагент, всмоктується в компресор, стискується і, нагрітий, виштовхується в конденсатор. Конденсатор є тепловіддаючим вузлом теплонасосу: тут теплота приймається водою в системі опалювального контуру. При цьому газ охолоджується і конденсується, щоб знову піддатися розрядженню в розширювальному вентилі і повернутися у випарник. Після цього робочий цикл починається спочатку.
Щоб компресор працював (підтримував високий тиск і циркуляцію), його треба підключити до електрики. Але на кожен витрачений кіловат-годину електроенергії тепловий насос виробляє 2,5-5 кіловат-годин теплової енергії. Співвідношення вироблюваної теплової енергії та споживаної електричної називається коефіцієнтом трансформації (або коефіцієнтом перетворення теплоти) і служить показником ефективності теплового насоса. Ця величина залежить від різниці рівня температур у випарнику і конденсаторі: чим більше різниця, тим менше ця величина.
З цієї причини тепловий насос повинен використовувати по можливості більшу кількість джерела низькопотенційного тепла, не прагнучи домогтися його сильного охолодження. Насправді, при цьому зростає ефективність теплового насоса, оскільки при слабкому охолодженні джерела тепла не відбувається значного зростання різниці температур. З цієї причини теплові насоси роблять так, щоб маса низькотемпературного джерела тепла була значно більшою, ніж нагрівається маса. У цьому полягає одна з найважливіших відмінностей теплового насоса від традиційних (паливних) джерел тепла, в яких вироблювана енергія залежить виключно від теплотворної здатності палива. З цієї причини тепловий насос в якомусь сенсі «прив'язаний» до джерела низькопотенційного тепла, що має велику масу. Ця проблема може бути вирішена введенням в тепловий насос системи масопереносу, наприклад, системи прокачування води. Так влаштована система центрального опалення Стокгольма.
Установка і використання теплового насоса
По виду теплоносія у вхідному і вихідному контурах насоси ділять на шість типів: «грунт-вода», «вода-вода», «повітря-вода», «грунт-повітря», «вода-повітря», «повітря-повітря».
При використанні в якості джерела тепла енергії грунту трубопровід, в якому циркулює антифриз, заривають у землю на глибину 1 м. Мінімальна відстань між трубами колектора-0 ,8-1 м.

Спеціальної підготовки грунту не потрібно. Але бажано використовувати ділянку з вологим грунтом, якщо ж він сухий, контур треба зробити довшим або закачати в свердловину бентонітовий розчин. Орієнтовне значення теплової потужності, що доводиться на 1 м трубопроводу, 35-45 Вт Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідний земляний контур довжиною 350-450 м, для укладання якого буде потрібно ділянка землі площею близько 400 м2 (20х20 м). При правильному розрахунку контур не впливає на зелені насадження.
Якщо вільного ділянки для прокладки колектора немає або в якості джерела тепла використовується скеляста порода, трубопровід опускається в свердловину. Не обов'язково використовувати одну глибоку свердловину, можна пробурити декілька неглибоких, більш дешевих, щоб отримати загальну розрахункову глибину. Іноді як свердловин використовують фундаментні палі.
Орієнтовно на 1 пог. м свердловини доводиться 50-60 Вт теплової енергії. Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідна свердловина глибиною 170 м.

При використанні в якості джерела тепла довколишнього водойми контур укладається на дно. Цей варіант прийнято вважати ідеальним: не занадто довгий зовнішній контур, «висока» температура навколишнього середовища (температура води в водоймі взимку завжди позитивна), високий коефіцієнт перетворення енергії тепловим насосом.

Орієнтовне значення теплової потужності на 1 м трубопроводу - 30 Вт Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідно укласти в озеро контур довжиною 300 м. Щоб трубопровід не спливав, на 1 пог. м встановлюється близько 5 кг вантажу.

Для отримання тепла з теплого повітря (наприклад, з витяжки системи вентиляції) використовується спеціальна модель теплового насоса з повітряним теплообмінником. Тепло з повітря для системи опалення та гарячого водопостачання також можна збирати на виробничих підприємствах.

Якщо тепла з зовнішнього контуру все ж недостатньо для опалення в сильні морози, практикується експлуатація насоса в парі з додатковим генератором тепла (бівалентна схема опалення). Коли вулична температура опускається нижче розрахункового рівня (температури бівалентності), в роботу включається другий генератор тепла - найчастіше невеликий електронагрівач.

Тепловий насос здатний, використовуючи високопотенціальні джерела енергії, «накачати» в приміщення від 200% до 600% низькопотенційної теплової енергії. У цьому немає порушення закону збереження енергії.
Теоретично застосування теплових насосів для обігріву приміщень набагато ефективніше газових котлів. Сучасні парогазотурбінного установки на електростанціях мають ККД, суттєво перевищує ККД газових котлів. В результаті при переході електроенергетики на сучасне обладнання і при застосуванні теплових насосів можна отримати економію газу до 10 разів у порівнянні з газовими котлами.
Низьке енергоспоживання теплового насоса досягається за рахунок високого ККД і дозволяє отримати на 1 кВт витраченої електричної енергії 4-6 кВт теплової енергії. Система теплового насоса вимагає мінімум електроенергії для підтримки комфортної температури житла, а також отримання достатнього запасу гарячої води;
Система виключно довговічна, термін експлуатації грунтового зонда може досягати 100-150 років; опалювального контуру 100 років. Безпосередньо в самому тепловому насосі єдиною рушійною частиною є компресор, термін служби якого становить 15 років, і який можна легко замінити після закінчення терміну його експлуатації;
Відсутність необхідності в закупівлі, транспортуванні, зберіганні палива та витраті коштів, пов'язаних з цим;
Вивільнення значної території, необхідної для розміщення котельні, під'їзних шляхів і складу з паливом;
Термін окупності теплового насоса не перевищує 5 - 10 опалювальних сезонів.
Тепловий насос - це екологічно чистий метод опалення та кондиціювання, оскільки не виробляється емісія CO 2, NO Х і інших викидів, які призводять до порушення озонового шару і кислотних дощів;
При використання теплового насоса відсутність алергії-небезпечні викиди в приміщення, тому немає спалюваного палива і не використовуються заборонені холодоагенти;
Тепловий насос бережемо у відношенні до вашого здоров'я і навколишньому середовищу.
Тепловий насос працює стійко;
Коливання температури і вологості в приміщенні мінімальні;
Тепловий насос не потребує спеціальної вентиляції приміщень, де відбувається нагрів води і теплоносія;
Тепловий насос абсолютно вибухо-і пожежобезпечний;
В процесі експлуатації тепловий насос не потребує спеціального обслуговування, можливі маніпуляції не вимагають спеціальних навичок та описані в інструкції;
Тепловий насос можна діагностувати на відстані і вносити коректування. Для цього необхідно мати лінію Інтернет;
Обслуговування теплового насоса полягає в сезонному технічному огляді та періодичному контролі режиму роботи.
 Основні типи теплових насосів:
·         Вода-вода
·         Грунт-вода (розсіл-вода)
·         Повітря-вода
·         Системи з низькопотенційного джерела тепла "грунт":
·         Грунтові системи діляться на вертикальні і горизонтальні, в залежності від розміщення земляного контуру.

Горизонтальні земляні колектори використовують сонячну енергію, накопичену у верхніх шарах грунту. Як відомо, температура грунту залишається на досить високому рівні навіть у холодні зимові дні. Трубопровід зовнішнього (первинного) контуру системи, в якому циркулює теплоносій, заривається у землю на глибину не менше 1 м. Мінімальна відстань між сусідніми трубопроводами забезпечується в межах 0,8 - 1 м.Спеціальной підготовки грунту, засипок і т.п. не вимагається. Для прокладки трубопроводу переважніше використовувати ділянку з вологим грунтом, ідеально підходить ділянка з близькими грунтовими водами. Однак сухий грунт не є перешкодою, потрібно тільки збільшити довжину первинного контуру. Орієнтовне значення теплової потужності, що доводиться на 1 метр трубопроводу 20. - .30 Вт Для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідний земляний контур довжиною 350-450 метрів. Для укладання даного контуру буде потрібно ділянка землі площею близько 400 кв. метрів (20м х 20м).

Вертикальні геотермальні зонди вимагають набагато менше місця. Геотермальні зонди складаються з замкнутих труб. Геотермальний зонд відбирає тепло так само, як грунтовий колектор. Кількість тепла, яке відбирає зонд, становить від 30 до 100 Вт на метр зонда, що залежить від теплофізичних властивостей грунту. У землі буриться теплова свердловина глибиною до 200 метрів. Глибина свердловини залежить від потреб будинку в теплі і потужності теплового насоса. У свердловину діаметром (10-15см) встановлюють трубопровід, що має форму "U". Принцип дії цього теплового насоса такий же, як і при прокладанні контуру з трубопроводу в поверхневому шарі грунту. Тепловий насос, що використовує геотермальну енергію свердловини в якості джерела тепла, найменшим чином впливає на Ваш ділянку, що переважніше при дефіциті вільного простору. Свердловина буриться протягом одного робочого дня, не порушуючи існуючого ландшафту.

Системи з джерелом "вода":
При використанні в якості джерела тепла води найближчого водоймища, річки контур укладається на дно. Цей варіант є ідеальним. Перевагами такої схеми є: короткий зовнішній контур, «висока» температура навколишнього середовища (температура води в водоймі взимку завжди позитивна), високий коефіцієнт перетворення енергії тепловим насосом, більш високий коефіцієнт теплопередачі. Головна умова - водойма повинен бути проточним і достатнім по размерам.Оріентіровочное значення теплової потужності, що доводиться на 1 метр трубопроводу 30 Вт Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідно укласти в озеро контур довжиною 300 метрів. Для того, щоб трубопровід НЕ спливав, на 1 погонний метр трубопроводу встановлюється близько 5 кг вантажу.

Системи з джерелом "повітря":
Тепловий насос «повітря-вода» збирає енергію з навколишнього повітря. Якщо немає можливості розмістити земляний колектор, то дана модель теплонасосної установки є найкращим вибором. Точно так само як і звичайні теплонасосні установки, цей тип теплового насоса дає тепло і гарячу воду в будинок і скорочує споживання енергії до 75%.
Однак, в силу технічних причин, теплонасосні установки з повітряним контуром мають серйозне обмеження в застосуванні: мінімальна температура зовнішнього повітря-20оС. Але починаючи вже з температури зовнішнього повітря-10оС, підключається резервний електрокотел, тому коефіцієнт перетворення (ККД теплового насоса) знижується. Таким чином, при температурі-20оС і нижче, по суті, працює тільки електричний нагрів. Перевагою повітряного теплового насоса є відсутність додаткових грунтових робіт.

Склад теплового насосу

Внутрішній контур теплових насосів складається з таких компонентів:
·         Конденсатор;
·         Капіляр;
·         Випарник;
·         Компресор, що працює від електричної мережі;
·         Терморегулятор, який управляє обладнанням;
·         Холодоагент.

Принцип роботи

 

Холодоагент під високим тиском через капілярний отвір попадає у випарник, де за рахунок різкого зменшення тиску відбувається процес випару. При цьому холодоагент відбирає тепло у внутрішніх стінок випарника, а випарник у свою чергу віднімає тепло в земляного або водяного контуру, за рахунок чого він постійно прохолоджується. Компресор вбирає холодоагент із випарника, стискає його, за рахунок чого температура холодоагенту різко підвищується й виштовхує в конденсатор. Крім цього, у конденсаторі, нагрітий у результаті стиску холодоагент віддає тепло (температура порядку 85-125 градусів Цельсія) опалювальному контуру й переходить у рідкий стан. Процес повторюється постійно. Коли температура в будинку досягає необхідного рівня, електричне коло розривається терморегулятором і тепловий насос перестає працювати. Коли температура в опалювальному контурі падає, терморегулятор знову запускає тепловий насос. У такий спосіб холодоагент у тепловому насосі робить зворотний цикл Карно.

Як ми бачимо, теплові насоси перекачують розсіяну теплову енергію землі, води або навіть повітря у відносно високопотенційне тепло для опалення об'єкта. Приблизно 75% опалювальної енергії можна зібрати безкоштовно із природи: ґрунту, води, повітря й тільки 25% енергії необхідно затратити для роботи самого теплового насоса. Інакше кажучи, власник теплових насосів заощаджують 3/4 коштів, які він би регулярно витрачав на дизпаливо, газ або електроенергію для традиційного опалення. Попросту кажучи, тепловий насос за допомогою теплообмінників збирає теплову енергію із землі (води, повітря) і «переносить» її в приміщення.

Теплові насоси здатні не тільки опалювати приміщення, але й забезпечувати гаряче водопостачання, а також здійснювати кондиціювання повітря. Але при цьому в теплових насосах повинен бути реверсивний клапан, саме він дозволяє тепловому насосу працювати у зворотному режимі.


Переваги теплових насосів

 

Економічність. Тепловий насос використовує електричну енергію на багато ефективніше будь-яких котлів, які спалюють паливо. Коефіцієнт ефективності теплових насосів на багато більше одиниці. Між собою теплові насоси порівнюють за умовною величиною — коефіцієнтом перетворення тепла (КПТ), також це поняття називається коефіцієнтом трансформації тепла, потужності, перетворення температур. Він показує відношення одержуваного тепла до витраченої енергії. Приміром, КПТ = 4,5 означає, що номінальна (споживана) потужність теплового насоса становить 1 кВт, на виході ми одержимо 4,5 кВт теплової потужності, тобто 3,5 кВт тепла ми одержуємо із природи;

Широкий спектр застосування. На нашій планеті існує безліч розсіяного тепла. Земля й повітря є скрізь, також більшість людей не мають проблем з водою. Саме вони містять в собі теплову енергію, отриману від сонця. Теплові насоси незалежно від погодних умов, падіння тиску в газовій трубі зберуть це тепло для вас. Усе що потрібно для цього — електрична енергія. Але якщо її немає, це теж не проблема — деякі моделі теплових насосів можуть використовувати дизельне паливо або бензин для своєї роботи;

Екологічність. Тепловий насос не тільки заощаджує гроші, але й береже здоров'я власникам будинку та їх дітям. Прилад не спалює паливо, виходить, не утворюються шкідливі окиси типу CO, CO2, NOх, SO2 , PbO2. Тому навколо будинку на ґрунті немає слідів сірчаної, азотистої, фосфорної кислот і бензольних з'єднань. Та й для нашої планети застосування теплових насосів безсумнівне благо. Адже на ТЕЦ скорочується витрата газу або вугілля на виробництво електрики. Застосовувані ж у теплових насосах хладони не містять хлоруглеродів і озонобезпечні;

Універсальність. Теплові насоси, обладнані реверсивним клапаном, працюють як на опалення, так і на охолодження. Теплонасос може відбирати тепло з повітря будинку, прохолоджуючи його. Влітку надлишкове тепло можна використовувати для підігріву побутової води або для басейну;

Безпека. Теплові насоси Атмосистеми вибухово- і пожежобезпечні. У процесі опалення відсутні небезпечні гази, відкритий вогонь або шкідливі суміші. Деталі теплонасоса не нагріваються до високих температур, здатних стати причиною пожежі. Зупинка теплового насоса не приведе до його поломки, ним можна сміло користуватися після тривалого простою. Також виключене замерзання рідин у компресорі або інших складових частинах.

Особливості

 

1. Чим менше різниця між температурою джерела теплоти та температурою теплоносія в опалювальному контурі, тим більший коефіцієнт перетворення тепла (КПТ). Тому вигідніше опалювати приміщення низькотемпературними системами опалення: системою «тепла підлога» або повітряним опаленням, тому що в цих випадках теплоносій за медичними вимогами і будівельними нормами не повинен бути вище 35 °C.

2. Чим більше коефіцієнт завантаження теплового насосу, тим доцільніше його використання. Наприклад, системи нагріву води для басейнів працюють у постійному режимі, на протязі всього року. Іх коефіцієнт завантаження (використання потужності протягом року) може сягати 80%. В системах опалення будинків коефіцієнт завантаження обладнання становить близько 30...40%. Відповідно, в першому випадку річна економія від застосування теплового насосу рівної потужності буде в 2...3 рази більше, ніж в другому, а строки окупності обладнання - в 2...3 рази менше.

3. Чим більше теплові втрати, тим доцільніше використання теплових насосів - по-перше, питома вартість для теплових насосів великої потужності (вартість встановленого кВт) в 3...5 разів нижче, ніж для ТН малої потужності. А по-друге, чим більше обсяги споживання теплоти, тим більше економія від застосування ТН в абсолютному вимірі
.

Цикл з механічною компресією пари та його зображення в p–V діаграмі показані на рисунку нижче.

Термодинамічний цикл теплового насосу в p-V діаграмі
1-2 – відбір теплоти від низькотемпературного джерела, холодоагент закипає; 2-3 – процес стиснення холодоагенту в компресорі; 3-4 – передача теплоти в систему опалення та конденсація холодоагенту в конденсаторі; 4-1 – процес дроселювання рідкого холодоагенту до початкових умов.
∆A=A12+A23+A34+A41 =(m/µ)Rln(V2/V1)+(m/µ)Rln(V4/V3)
=constV2/V1=V3/V4
T1 - це температура нагрівника;Т2 -цетемпература холодильника
Qx=A12
η =T2/(T1-T2)де η  холодильний коефіцієнт
               Наочно це теоретичні коефіцієнти перетворення ідеального циклу Карно для теплового  насоса,обчислені для значень Тв = 313К (40° С), 333 К (60° С) і 353К (80° С) представлені на рис. 1.3 .

 
 
Рис. 1.3. Теоретичний коефіцієнт перетворення ідеального теплового насоса



Дійсні коефіцієнти перетворення істотно нижче теоретично можливих, що пов'язано з необоротністю процесів теплообміну в апаратах, а також з їх механічною недосконалістю.


Збільшити холодильний коефіцієнт теплового насоса можна за допомогою збільшення температури холодильника чи зменшення температури нагрівника.
Вплив на навколишнє середовище:
по суті, тепловий насос небезпечний не більше ніж холодильник:
Тепловий насос - екологічно чистий метод опалювання і кондиціонування, як для довкілля, так і для людей тих, що знаходяться в приміщенні.


Література:

-http://progress21.com.ua/ua/heat-pumps/operating-principle;
-uk.wikipedia.org/wiki/Тепловий_насос;
-http://masters.donntu.edu.ua/2011/etf/filippov/diss/indexu.htm;
-http://gravicappa.com.ua/ua/articles/teplovi-nasosi/117-heatpumpshow.html