Тепловой насос. Принцип действия, характеристики, классификация тепловых насосов

1. Принцип действия теплового насоса

Все тепловые машины (двигатели внутреннего сгорания, холодильные, паровые и др.) работают циклически. Термин «цикл» («циклический процесс») указывает на непрерывное изменение состояния системы (рабочего тела), в результате которого она возвращается в первоначальное состояние, из которого эти изменения начались.

Графически циклический процесс (цикл) изображается в виде замкнутой линии. В термодинамике рассматривают циклы, состоящие из строго определенной последовательности некоторых простейших процессов (изотермического, изохорного, изобарного, адиабатного), в результате протекания которых рабочее тело возвращается в исходное состояние.

В 1824 г. инженер с. Карно впервые использовал термодинамический цикл для описания и анализа работы идеальной тепловой машины. По сути дела, КПД цикла Карно определяет теоретический предел возможных значений КПД тепловой машины для данного температурного интервала. Этот цикл остается фундаментальной основой для сравнения с ним и оценки эффективности тепловых насосов (ТН), поскольку тепловой насос можно рассматривать как обращенную тепловую машину.

В прямых циклах (также их называют циклами двигателей, или энергетическими) мы получаем полезную работу, в обратных (их называют холодильные) для протекания процесса нужно подводить энергию, поскольку второе начало термодинамики задаёт направленность самопроизвольных термодинамических процессов, согласно ему невозможна самопроизвольная передача теплоты от холодного тела к теплому.

В статьях, популяризирующих тепловые насосы, часто можно встретить фразу, что «тепловой насос – это холодильник наоборот». Важно понимать, что и холодильник, и тепловой насос работают по одному и тому же термодинамическому циклу – обратному. Просто в первом случае целью является создание пониженной температуры внутри холодильной камеры, и с помощью дополнительно затраченной энергии теплота из холодильника отводится в окружающую среду. А во втором, целью является создание повышенной температуры внутри помещения, и с помощью дополнительно затраченной энергии теплота из окружающей среды отводится в помещение, т.е. окружающая среда охлаждается.

Тепловая машина (рис. 1) получает тепло QН от высокотемпературного источника и сбрасывает его QL при низкой температуре ТL, отдавая полезную работу W. Тепловой насос требует затраты работы W для получения тепла QL при низкой температуре ТL и отдачи его при более высокой ТН.

схема теплового насоса и теплового двигателя

Рис. 1. Термодинамическая схема теплового насоса (1) и теплового двигателя (2).

Можно показать, что если обе эти машины обратимы (т. е. термодинамические процессы не содержат потерь тепла или работы), то существует конечный предел эффективности каждой из них, и в обоих случаях это есть отношение QH/W.

Если бы это было не так, то можно было бы построить вечный двигатель, просто соединив одну машину с другой. Только в случае тепловой машины это отношение записывается в виде W/QH и называется термическим КПД, а для теплового насоса оно остается в виде QH/W и называется коэффициентом преобразования теплоты (КТ).

Если считать, что тепло изотермически подводится при температуре ТL и изотермически отводится при температуре ТH, а сжатие и расширение производятся при постоянной энтропии (рис. 2), а работа подводится от внешнего двигателя, то коэффициент преобразования для цикла Карно будет иметь вид:

коэффициент преобразования для цикла Карно

Например, при ТH = 70+273=343 К и ТL = 5+273=278 К получаем КТ =343/65 = 5,3 и может быть выше только при снижении ТH и/или повышении ТL.

схема парокомпрессионного теплового насоса

Рис. 2. Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса. 1 — испаритель; 2 — компрессор; 3 — конденсатор; 4 — расширительная машина (детандер); 5 — электропривод.

То есть фактически при данных температурах никакой тепловой насос не может иметь лучшей характеристики, и все практические циклы лишь реализуют стремление максимально приблизиться к этому пределу.

Принципиальная схема работы наиболее распространенной парокомпрессионной ТНУ может быть описана следующим образом (рис. 3):

  1. Во внешнем теплообменнике (испарителе) тепловая энергия из окружающей среды за пределами здания или из другого доступного источника тепла передается рабочему телу ТНУ — хладагенту (как правило, фреону), циркулирующему по внутреннему контуру.
  2. Фреон нагревается, испаряется и направляется в сторону компрессора. Компрессор сжимает фреон, при этом температура фреона возрастает.
  3. Далее сжатый фреон проходит через внутренний теплообменник (конденсатор), где конденсируется и отдает тепло в систему потребителя (прямой нагрев воздуха или теплоносителя системы отопления или технологического объекта, или приготовление горячей воды для потребителей).
  4. Далее фреон проходит через дросселирующий клапан, понижающий давление, что сопровождается снижением температуры. Цикл повторяется.

схема парокомпрессионного теплового насоса «грунт-вода»

Рис. 3. Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса «грунт-вода»

Хладагент под высоким давлением через капиллярное отверстие попадает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления и подвода тепла происходит процесс испарения. При этом хладагент отбирает тепло у внутренних стенок испарителя, а испаритель, в свою очередь, отнимает тепло у земляного или водяного контура, за счёт чего он постоянно охлаждается. Компрессор вбирает хладагент из испарителя, сжимает его, за счёт чего температура хладагента резко повышается, и выталкивает в конденсатор.

Кроме этого, в конденсаторе нагретый в результате сжатия хладагент отдает тепло (температура порядка 85-125 °с) отопительному контуру и переходит в жидкое состояние. Процесс повторяется постоянно.

Наиболее характерный температурный уровень для внешнего теплообменника в режиме использования парокомпрессионой ТНУ для теплоснабжения от +5 ос до -15 °С, для внутреннего теплообменника от +35 °С до +60 °С, что позволяет обеспечить систему отопления большую часть отопительного периода и горячее водоснабжение. При этом, если за 100% взять полученную полезную тепловую мощность, то доля затраченной электроэнергии составит 20-30%. Таким образом, коэффициент энергетической эффективности, равный отношению полученной полезной тепловой мощности к затраченной электроэнергии, составляет от 3,3 до 4.

Температурный диапазон и коэффициент энергетической эффективности определяются свойствами хладагента и параметрами цикла (давлением).

Возможно расширение температурного диапазона как в сторону использования более низких температур окружающей среды (до -25 °С и ниже), так и получения более высокопотенциального тепла – свыше 60 °С. Однако для этих параметров требуется более дорогостоящее оборудование, а коэффициент энергетической эффективности получается ниже.

В режиме охлаждения ТНУ работает, передавая тепловую энергию из охлаждаемого помещения (при температурном уровне, требуемом для системы кондиционирования, т.е. +10 °С) в окружающую среду.

2. Хладагенты

В холодильных установках, применявшихся с середины XVIII и начала XX веков, в качестве хладагентов применяли воду, воздух, диэтиловый и метиловый эфиры, аммиак, двуокись углерода, сернистый ангидрид, метилхлорид и др.

В 1928 году Томас Миджли открыл новый хладагент — дихлордифторметан, относящийся к группе хлорфторуглеродов (ХФУ), обладающий практически оптимальными для хладагентов свойствами. Он имел необходимую температуру кипения, был неядовитым и негорючим, не имел тяжёлого запаха. В 1930 г. компанией «Кинетик Кениканз Инк» (сшА) были выпущены первые партии дихлордифторметана, эта же компания ввела в обращение торговое наименование ФРеОН® 12.

Обозначение хладагента буквой R (Refrigerant — охладитель, хладагент), так же как наименование ФРеОН, стало общепринятым. Фреоны (хладоны) – техническое название группы насыщенных алифатических фторсодержащих углеводородов. Кроме атомов фтора, в молекулах фреонов содержатся обычно атомы хлора. Фреоны – бесцветные газы или жидкости, без запаха.

с 1935 г. было организовано производство хладагента R22, относящегося к группе гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ). В 1950 г. для систем кондиционирования получен азеотропный смесевой хладагент R500, по холодопроизводительности превосходящий R12. В состав R500 вошли хладагенты R12 и R152a, где R152a оказался первым, не содержащим хлор, галогенизированным углеводородом. Технология смешения хладагентов привела к появлению в 1952 г. смесевого хладагента R502, заменившего R22 в низкотемпературных холодильных установках.

К 80-м годам, когда ученые ряда стран начали заниматься вопросами изучения влияния ХФУ и ГХФУ на окружающую среду, эти хладагенты стали предметом беспокойства в связи с возникшими глобальными проблемами: повышением парникового эффекта и возможным разрушением озонового слоя. Дальнейшим важным шагом в решении этой проблемы стало подписание всеми индустриальными странами Монреальского протокола в 1987 г. В 1986 г. суммарное производство фреонов составляло 1,123 млн т (на долю сшА приходилось 30 %, европы 20 %, России и Японии по 10 %).

Для замены R12 с начала 90-х годов основными мировыми производителями химической продукции был разработаны и выпускается однокомпонентный озонобезопасный хладагент R134а. В дальнейшем были разработаны озонобезопасные сервисные смеси, относящиеся к группе гидрофторуглеродов (ГФУ) (R404A, R407C и др.). Для снижения эксплуатационных затрат были получены смесевые хладагенты группы гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ) [12].

В последние годы холодильная промышленность активно ищет замену хладагентам группы ГХФУ. Особенно остро этот вопрос стоит в сшА, где хладагенты группы ГХФУ используются в большинстве систем централизованного кондиционирования и тепловых насосов, а также во многих холодильных системах.

По степени озоноразрушающей активности озонового слоя Земли галоидопроизводные углеводороды разделены на 3 группы:

  • Хлорфторуглероды ХФУ (CFC) — Обладают высокой озоноразрушающей активностью. Хладагенты этого типа включают: R11, R12, R13, R113, R114, R115, R500, R502, R503, R12B1, R13B1.
  • Гидрохлорфторуглероды ГХФУ (HCFC) — Это хладагенты с низкой озоноразрушающей активностью. К ним относятся: R21, R22, R141b, R142b, R123, R124.
  • Гидрофторуглероды ГФУ (HFC), фторуглероды ФУ (FC), углеводороды (HC). Не содержащие хлора хладагенты, считаются полностью озонобезопасными. Таковыми являются хладагенты R134, R134a, R152a, R143a, R125, R32, R23, R218, R116, RC318, R290, R600, R600a, R717 и др.

В настоящее время, как правило, в качестве хладагента в тепловых насосах «воздух-вода» применяется азеотропная смесь R410a, однако уже разработаны компрессоры, использующие R290 (пропан) и CO2 (диоксид углерода).

В состав R410A входят равные доли дифторметана и пентафторэтана, при этом хлор (главное вещество-разрушитель озона) не добавляется ни в один из этих компонентов. В этой связи, фреон R410A относят к списку разрешённых «Монреальским протоколом» веществ.

Зеотропные и азеотропные хладагенты — это смеси отдельных хладагентов с различными параметрами.

Азеотропная смесь — это механическая смесь двух или более хладагентов, которые при правильных пропорциях составляют хладагент с одной температурой кипения, отличной от температур кипения отдельных составляющих. Азеотропная смесь кипит при постоянной температуре, сохраняя такой же состав пара, как и у жидкости. Параметры азеотропной смеси являются противоположными зеотропным хладагентам.

Зеотропная смесь — это механическая смесь хладагентов с различными температурами насыщения при одном и том же давлении. следовательно, при некоторых условиях хладагенты могут разделиться на составляющие.

Температуру насыщения считают такой температурой, при которой последняя капля жидкости смеси испаряется при данном давлении. Такую температуру называют точкой росы зеотропного хладагента. Также составляющие хладагента не конденсируются при одной температуре.

Температура насыщения конденсации — это температура, при которой последняя частица пара конденсируется при данном давлении. Такую температуру называют точкой начала кипения зеотропного хладагента.

В некоторых моделях тепловых насосов используется современный хладагент монокомпонентный газ R407c, он является зеотропной смесью, в которую входят следующие смеси в определенном процентном соотношении в виде R125 (25 %), R32 (23 %) и R134a (52 %). Каждый из них отвечает за обеспечение определенных свойств: первый – способствует увеличению производительности, второй — исключает возгорание, третий – определяет рабочее давление в контуре хладагента. При любых утечках хладагента, его фракции улетучиваются неравномерно и оптимальный состав меняется. Таким образом, при разгерметизации холодильного контура кондиционер нельзя просто дозаправить; остатки хладагента необходимо слить и заменить новым. Именно это и стало основным препятствием для распространения R407с.

Тепловые насосы на природном хладагенте, не разрушающем озоновый слой (ODP = 0), диоксиде углерода CО2 – машины нового поколения. В мире уделяется пристальное внимание применению диоксида углерода (CО2, R744) в качестве рабочего вещества холодильных машин и тепловых насосов.

R744 не горюч, не ядовит, не разрушает озоновый слой, имеет самый низкий среди применяемых рабочих веществ потенциал глобального потепления. Кроме того, он доступен в любых количествах и дешев.

Агентство Environmental Building News включило тепловой насос для нагрева воды от компании Sanden, использующий в качестве хладагента диоксид углерода, в список 10 лучших товаров 2016 года. Этот устройство производительностью 4,5 кВт, обеспечивающее эффективный нагрев воды до высоких температур даже в условиях холодного климата, уже доступно потребителям в США.

В апреле 2016 года компания Toshiba Carrier объявила о поэтапном выводе на японский рынок 59 новых моделей серии Estia 5 линейки водонагревательных тепловых насосов EcoCute, использующих в качестве хладагента диоксид углерода. Компания Mitsubishi Electric выпустила на британский рынок систему Ecodan QUHZ, представляющую собой моноблочный тепловой насос «воздух-вода» производительностью 4 кВт, способный нагревать воду до 70°с и использующий диоксид углерода в качестве хладагента. В 2016 году тепловой насос Ecodan FTC5 был удостоен награды RAC Cooling Award в номинации «Инновации в области кондиционирования воздуха или тепловых насосов».

Компания Mayekawa представила свои тепловые насосы «воздух-вода», использующие в качестве хладагента аммиак, на выставке ATMOsphere Asia 2015. Аммиачные тепловые насосы позволяют получать горячую воду с коэффициентом преобразования COP, превышающим 8.

3. Характеристики источников низкотемпературной тепловой энергии

Воздух. Тепло, содержащееся в воздухе, может использоваться непосредственно в тепловом насосе. Этот источник является легкодоступным. Учитывая, что температура воздуха в отопительном периоде значительно меняется, применение данного источника в это время не всегда целесообразно для качественного и надежного теплоснабжения потребителя. Некоторыми компаниями внедряются решения, которые позволяют ТН в летний период за счет наружного воздуха вырабатывать горячую воду, а в отопительный сезон насос переключается на другой источник низкотемпературной тепловой энергии (например, на подземную воду).

В ряде зданий проведение мероприятий по модернизации и реконструкции ограждающих конструкций приводит к тому, что вентиляционные выбросы составляют значительную часть тепловых потерь. При этом внедряются системы приточно-вытяжной вентиляции, которые создают технические возможности для организации утилизации тепловых выбросов. ТН позволяет обеспечивать глубокую и круглогодичную утилизацию тепла вентиляционных выбросов.

Подземная вода. Тепло, содержащееся в подземной воде и подземных озерах, напрямую подается в ТН. Вода должна иметь соответствующий состав, температуру не менее + 8 °С на протяжении всего года, а также должна быть чистой (с точки зрения заноса теплообменника) и в достаточном количестве.

При использовании в качестве источника теплоты подземной воды также имеются нюансы, главный из них: охлажденную в ТН воду нельзя возвращать назад прямо в место отбора, т.к. при этом колодец охлаждается. Инженерные решения предлагают сбрасывать отдавшую тепловую энергию воду в другой колодец так, чтобы направление течения подземных вод было от места сброса к месту отбора.

Геотермальное тепло или тепло грунта. Известным фактом является то обстоятельство, что на определенной глубине почвы ее температура положительна (и по мере увеличения углубления температура растет). Тепловая энергия, содержащаяся в почве, посредством теплообменника (коллектора) в углублении и теплоносителя передается через циркуляционную схему в ТН. Теплоносителем в данном случае должна являться незамерзающая, экологически безвредная жидкость, а циркуляцию обеспечивает циркуляционный насос. Теплообменник может быть помещен в землю на различное расстояние, в зависимости от требуемой мощности. Для получения большой тепловой мощности рекомендуется скважина глубиной 100-150 м. Для получения низких мощностей достаточно поместить теплообменник в плоскостной или траншейный коллектор на глубину 1,5-2 м.

Минусом установки теплообменника на малую глубину является то обстоятельство, что вокруг площадки, куда погружен коллектор, температура почвы из-за постоянного теплосъема понижается, тем самым при определенных температурных условиях этот участок почвы также может промерзнуть. Наиболее качественным и надежным способом является бурение скважин и установка теплообменников на большой глубине.

Поверхностная вода. При использовании поверхностной воды к ней предъявляются определенные требования, как и для подземной воды. При внедрении ТН с использованием данного источника низкотемпературной тепловой энергии очень часто возникают проблемы с чистотой водой, а также с регулярностью температуры (в большинстве случаев температура поверхностной воды поддерживается за счет стоков промышленных предприятий).

В климатических зонах с мягким климатом и регулярностью температуры поверхностной воды ТН может быть отличным решением для решения проблем с ГВс. Некоторыми специалистами разрабатываются и внедряются решения по утилизации тепловой энергии морской воды.

Солнечная энергия. Использование солнечной энергии возможно при помощи солнечных коллекторов или в комбинации с дополнительным источником низкотемпературной тепловой энергии. Возможны варианты с использованием аккумуляторов солнечной энергии в виде прудов с рассолом.

Большинство специалистов склоняется к тому, что такое использование ТН экономически неэффективно из-за больших капитальных затрат. Более эффективно при достаточной солнечной интенсивности использовать системы теплоснабжения без ТН, которых разработано уже большое количество.

Отработанное тепло промышленных предприятий. В результате технологических процессов на промышленных предприятиях возникает большое количество низкотемпературной тепловой энергии, которая не используется в технологическом цикле. В зависимости от конкретных условий отработанную тепловую энергию можно использовать в ТН для теплоснабжения цехов, мастерских, складов промышленного предприятия и т.д. В частных домах, жилых многоквартирных домах отработанная тепловая энергия используется крайне редко из-за зависимости от графика работы промышленного оборудования и удаленности от потребителя промышленных предприятий.

Стоки. Вода, однократно потребляемая промышленными предприятиями (около 40 % всего объема), в конечном счете сбрасывается и канализируется в естественные водоемы. При современных требованиях к защите окружающей среды и промышленные, и коммунально-бытовые стоки перед сбросом в водоемы должны проходить сложную систему очистки на водоочистных сооружениях или на станциях аэрации (в крупных городах). В Москве, например, несколько станций аэрации сбрасывают в Москву-реку более 5 млн м3/сут. очищенной воды температурой 16-22 °С; вместе с водой поступает и тепловой поток в 34 млн кВт, который можно использовать в ТНУ и преобразовать низкопотенциальную теплоту в теплоту более высокой температуры, способную удовлетворить определенную часть потребностей и сократить расход топлива.

4. Классификация и краткий обзор тепловых насосов, нашедших практическое применение

4.1. Классификация тепловых насосов

В настоящее время создано и эксплуатируется большое число тепловых насосных установок, отличающихся по тепловым схемам, рабочим телам и по используемому оборудованию. По обозначению различных классов установок нет единого установившегося мнения, встречаются различные обозначения и термины.

Для практического применения классифицировать наиболее распространенные модели удобно либо по принципу действия ТН (парокомпрессионные или абсорбционные), либо по источнику тепловой энергии (геотермальные или окружающий воздух). В следующем параграфе каждый из этих признаков рассмотрен более подробно.

Однако возможно использовать и другие группировки по ряду сходных признаков. Каждая из них отражает только одну характерную особенность установки, поэтому в определении теплонасосной установки может быть два и более признака.

Таблица 1. Сопоставление различных источников низкопотенциального тепла

Характеристика источника Воздух Городской

водопровод

Подземная вода Открытые

водоемы

Сбросная

вода

Грунт Солнце
Классификация источника Первичный Первичный

или

дополни-тельный

Первичный Первичный

или

дополнительный

Первичный

или

дополнительный

Первичный

или

дополнительный

Первичный

или

дополни-тельный

сток тепла Хороший Хороший Хороший Хороший Зависит от дебита Обычно плохой Можно использовать для сброса тепла в воздух
Доступность по размещению Повсеместно Города Неопреде-ленная Редкая Ограниченная Обширная Повсеместная
Доступность по времени Непрерывная Непрерывная, за исключением локальных ограничений Непрерывная по графику подачи воды Непрерывная Переменный режим Непрерывная Температура снижается по мере отбора тепла Прерывистая и неопределенная
Капитальные затраты Низкие, ниже грунта и водяных источников, кроме городских Обычно наименьшие Изменяются со стоимостью бурения Низкие Переменные Большие Большие
Эксплуата-ционные издержки Относительно низкие Обычно недопустимо большие От низких до средних Относительно низкие Низкие Умеренные еще не проверенные.

Предложены как дополнение для снижения эксплуатационных

издержек

Температура (уровень) Благоприятный для стран и широте сшА Обычно удовлетвори-тельный Удовлетво-рительный Удовлетво-рительный Обычно достаточный В начале достаточный, падает по мере отдачи тепла Отличный
Температура (изменение) сильное Изменяется в зависимости от места (4-10 °с) слабое среднее Обычно умеренное сильное, но меньше, чем у воздуха сильное
Опыт констру-ирования Обычно достаточный Обычно достаточный Обычно достаточный Обычно достаточный Достаточный, если дебит и температура постоянны Недостаточный Практически освоен
Размеры оборудования среднее Мелкое Мелкое (за исключением бурильного) Мелкое Различное (обычно умеренное) Мелкое, за исключением подземных теплообменников Доступное для районов
Пригодность для производства Отличная, можно собрать и испытывать на заводе Отличная Отличная Отличная Плохая Плохая Плохая
Какие источники дополняет Воздух, грунт
Проблемы реализации Наименьшая теплопро-изводительность при наибольшей потребности в тепле. Дефростация требует дополнительной мощности и источников тепла. Могут требоваться работы по прокладке воздухопроводов Размеры теплообменников. местные ограничения при недостатке воды. температура воды может стать слишком низкой, чтобы продолжать извлечение тепла Коррозия и отложения на поверхностях теплообмена. сброс воды требует второй скважины. состав и температура воды обычно неизвестны до бурения. скважина может оказаться безводной Отложения, коррозия и обрастание водорослями Коррозия и отложения. недостаточный расход воды. необходимость индивидуального проектирования.

Опасность замерзания воды

Ограничено местными геологическими и климатическими условиями. стоимость трудно оценить. требуется площадь, трудно устранять течи Требует аккумулирования на стороне испарителя или конденсатора

Классификация ТН по циклам и схемам работы:

  • компрессионные, в т.ч.:
    • газокомпрессионные (ГТН);
    • парокомпрессионные (ПТН) (цикл Карно);
  • сорбционные ТН, в т.ч.:
    • абсорбционные (АБТН);
    • адсорбционные (АДТН);

(и мало распространенные):

  • тепловые насосы, основанные на использовании эффекта Ранка;
  • тепловые насосы, основанные на использовании двойного цикла Ренкина;
  • тепловые насосы, работающие по циклу стирлинга;
  • тепловые насосы, работающие по циклу Брайтона;
  • термоэлектрические тепловые насосы.
  • обращенный топливный элемент;
  • тепловые насосы с использованием теплоты плавления;
  • тепловые насосы с использованием механохимического эффекта;
  • тепловые насосы с использованием магнетокалорического эффекта.

Классификация по источникам низкопотенциального тепла ТН

  • окружающий воздух;
  • водоемы, озера, реки и т.п.;
  • грунтовые и подземные воды (колодцы, скважины);
  • поверхностный и глубинный грунт (грунтовые и геотермальные зонды);
  • технологические источники низкопотенциального тепла:
    • выходящий вентиляционный воздух;
    • канализационные и сточные воды;
    • промышленные сбросы;
    • тепловая энергия технологических и бытовых процессов.

Тепловой насос может забирать тепловую энергию из разных источников, например, воздуха, воды или земли. И таким же образом он может сбрасывать тепловую энергию в воздух, воду.

ТН, использующие низкопотенциальное тепло Земли (грунт, вода), называют «геотермальные тепловые насосы», в англоязычной технической литературе такие системы обозначаются как «GHP» – «geothermal heat pumps».

Таблица 2а. Особенности цикла 

Грунтовый горизонтальный теплообменник

Замкнутый контур теплообменника укладывается в горизонтальные траншеи глубиной 4…6 м и длиной до 100 м. Требуют большой площади поверхности Промежуточный теплоноситель – антифриз или рассол. Температура грунта на глубине свыше 4 м постоянна и соответствует среднегодовой температуре воздуха (2…10°с).
Грунтовый вертикальный теплообменник

Замкнутый контур теплообменника устанавливается вертикально в пробуренные отверстия на глубину до 100 м. Применяется в тяжелом грунте или при ограниченной площади поверхности. То же
Воздушный теплообменник

Испаритель помещается в вентиляционные воздуховоды, удаляющие нагретый воздух из помещения, или в атмосферный воздух.

Использование воздуха характеризуется быстрым снижении его температуры, образованием измороси на поверхности испарителя при температуре воздуха ниже 6°C

Промежуточного контура нет, температура вытяжного воздуха 18…25°C, атмосферного воздуха в отопительный период –10…10°C

По принципу взаимодействия рабочих тел классифицируют:

  • открытого цикла, в которых рабочее тело забирается и отдается во внешнюю среду;
  • замкнутого цикла, в которых рабочее тело движется по замкнутому контуру, взаимодействуя с источником и потребителем теплоты лишь посредством теплообмена в аппаратах поверхностного типа.

Простое устройство открытых систем позволяет нагревать проходящую внутри воду, которая впоследствии вновь поступает в землю. Идеально такая система работает лишь при наличии неограниченного объема чистого жидкого теплоносителя, который после потребления не наносят вред среде.

Наиболее распространены модели замкнутого цикла.

Таблица 2б.  Особенности цикла

Наименование Особенности схемы Параметры теплоносителя
Открытый цикл

Используются грунтовые воды, теплоноситель забирается из водоносного слоя и возращается в него. схема характеризуется простотой, так как отсутствует промежуточный контур теплоносителя, но стоимость монтажа водозабора может быть высокой При использовании теплоты грунтовых вод промежуточный теплоноситель – вода с температурой 8…15°C, воды из открытых водоемов – антифриз или рассол (1…10°C),
Закрытый цикл

Промежуточный теплоноситель прокачивается через замкнутый контур, расположенный в водоеме, водоносном слое или бытовых стоках. Высокая стоимость монтажа испарителя. При использовании теплоты грунтовых вод теплоноситель – вода с температурой 8…15°C, воды из открытых водоемов – антифриз или рассол (1…10°C), бытовых стоков – вода (10…17°C)

По режиму температур ТН:

  • высокотемпературные;
  • среднетемпературные;
  • низкотемпературные.

Температура в круговом цикле ограничивается термодинамическими свойствами хладагента и конструктивными особенностями компрессоров.

По основному внешнему источнику энергии (работы) ТН:

  • механическая энергия:
    • электродвигатель;
    • ДВс (дизель, бензин и др.)
    • газовая турбина;
    • двигатель стерлинга;
    • гидропривод или ветропривод;
  • тепловая энергия:
    • термоэлектрический нагреватель;
    • сжигание топлива (газ, жидкое и твердое топливо).

Наиболее распространены модели с приводом от электрической энергии.

По виду теплоносителя в контурах:

  • «грунт—вода»
  • «грунт—воздух»
  • «вода—вода»
  • «вода—воздух»
  • «воздух—вода»
  • «воздух—воздух».

ТН «грунт-вода» и «грунт—воздух» (с горизонтальным или вертикальным теплообменником, геотермальный зонд). Отопление/охлаждение помещений при любой температуре наружного воздуха. В качестве источника низкопотенциального тепла используется тепловая энергия земли. В качестве системы отопления водяная (обычно «теплый пол») или воздушная соответственно.

ТН «воздух-вода» и ТН «воздух—воздух». Отопление/охлаждение при температуре наружного воздуха от +5°C до +45°C. В регионах с отрицательными температурами использование малоэфективно или невозможно. В качестве источника низкопотенциального тепла используется тепловая энергия окружающего воздуха.

Можно сказать, что тепловой насос «воздух-воздух» – это «кондиционер наоборот». В силу того, что тепловые насосы данного типа нагревают лишь воздух в помещениях (происходит прямой нагрев воздуха), то такие теплонасосы можно использовать только для отопления.

Японские производители разработали тепловые насосы «воздух-вода», способные эффективно нагревать воду даже при экстремально низкой уличной температуре. Такие устройства работают без заметного снижения производительности при температуре наружного воздуха до минус 15 °с и продолжают бесперебойно функционировать даже при минус 28 °с. Ключевым моментом в обеспечении стабильной работы тепловых насосов в условиях холодного климата является поддержание высокой производительности во время процедуры разморозки. Каждый производитель стремится предложить свою технологию разморозки: использование теплоаккумуляторов, байпасного контура, применение теплообменников из необмерзающих материалов.

В регионах, где температура наружного воздуха может опускаться до минус 40 °с и ниже, привлекательным решением могут стать гибридные системы, объединяющие тепловой насос и газовый котел.

По функциям ТН (для потребителей тепла):

  • система отопления;
  • система ГВс;
  • система подогрева чего-либо;
  • утилизации сбросного тепла;
  • смешанные системы.

Бытовые тепловые насосы «воздух — вода», способные нагревать воду до 35– 40 °C, применяются в составе систем «теплый пол», устройства, нагревающие воду до 40–75 °C, используются при организации горячего водоснабжения жилья.

Существует два основных режима работы теплонасосной системы отопления: моновалентный и бивалентный.

В моновалентном режиме тепловой насос способен полностью обеспечивать всю тепловую нагрузку в здании. При этом мощность теплового насоса должна быть не менее, чем пиковая мощность системы теплоснабжения. Также необходимо, чтобы максимальная температура подачи теплового насоса была выше, чем максимальная расчетная температура в системе отопления и горячего водоснабжения.

Данный режим работы наиболее подходит для тепловых насосов со стабильной температурой низкопотенциального источника тепловой энергии (грунт, грунтовые воды, промышленная утилизация тепла и т.д.) в сочетании с низкотемпературной системой отопления (теплые полы, фанкойлы и т.д.).

Несмотря на то, что тепловой насос в моновалентном режиме полностью решает вопрос теплоснабжения в здании, существенным недостатком являются высокие начальные капиталовложения на оборудование.

Бивалентная системы теплоснабжения – система, которая использует два или более источника тепловой энергии на различных видах топлива.

Для повышения рентабельности теплового насоса следует выбирать бивалентный режим работы. Бивалентный режим подразумевает работу теплового насоса в сочетании с другим нагревательным прибором: газовым, электрическим, твердотопливным котлом и др. Выбор данного режима может быть обусловлен так же необходимостью подачи более высокой температуры в систему отопления при низких наружных температурах воздуха.

При температурах ниже точки бивалентности тепловой насос может отключаться или работать в паре с дополнительным источником тепла, но при этом не покрывать всю потребность в тепле. В связи с этим, существует три вида бивалентного режима работы теплового насоса:

  • Бивалентный альтернативный
  • Бивалентный вспомогательный
  • Бивалентный комбинированный

Тепловой насос в альтернативном режиме обеспечивает полную тепловую нагрузка здания, пока не достигнет точки бивалентности. После этого он отключается, а всю нагрузку берет на себя вспомогательный теплогенератор, который обеспечивает необходимый температурный график.

Дополнительный источник тепла рассчитывается на максимальную тепловую нагрузку. Чаще всего такой режим встречается, когда в качестве вспомогательного нагревателя выступает твердотопливный котел или камин с водяной рубашкой.

При вспомогательном режиме работы тепловой насос также полностью обеспечивает тепловую нагрузку до точки бивалентности, однако при достижении точки он не выключается, а работает в паре с дополнительным теплогененратором.

Функция вспомогательного теплогенератора заключается в обеспечения соответствующего температурного режима после температуры бивалентности. В таком случае мощность дополнительного источника нагрева может выбираться исходя из недостающей мощности пиковой нагрузки (чаще всего это может быть небольшой электронагреватель), мощность теплового насоса подбирается для точки бивалентности.

Комбинированный режим совмещает в себе характеристики предыдущих режимов работы теплового насоса. При достижении точки бивалентности тепловой насос не отключается, а работает параллельно со вспомогательным теплогенератором до минимальной возможной температуры воздуха.

По виду холодильного агента:

  • воздух;
  • вода (пар);
  • фреоны;
  • аммиак;
  • углекислота;
  • водород;
  • гелий;
  • прочие газы и смеси.

Подробнее о холодильных агрегатах – в разделе «Хладагенты». На российском рынке в основном представлены модели ТН с хладагентами R410a и R407c.

По производительности:

  • бытовые (малые) – от 5 кВт до 20 кВт;
  • промышленные (средние) – от 20 кВт до 600 кВт;
  • большие тепловые насосы – от 1 МВт и выше.

Тепловые насосы могут соединяться, и тогда можно классифицировать теплонасосные установки как одно- и двухступенчатые, а также ТНУ с последовательным соединением по нагреваемому и охлаждаемому теплоносителям с противоточным их движением. ТН могут быть объединены в единую систему, это так называемые кольцевые теплонасосные системы, их целесообразно использовать на средних и крупных объектах, см. раздел «Кольцевые ТНУ».

По режиму работы:

  • стационарные,
  • нестационарные,
  • непрерывные или цикличные,
  • нестационарные с аккумулятором тепловой энергии.

ТН могут выпускается серийно либо изготавливаться по специальным проектам, имеются экспериментальные установки, опытно-промышленные образцы, много теоретических разработок. Этот список можно продолжать и далее.

4.2. Компрессионные тепловые насосы

Такое название компрессионные ТН получили, поскольку одним из основных рабочих органов в их работе является компрессор (поэтому их также называют компрессорными).

В основу принципа действия наиболее распространенных парокомпрессионных тепловых насосов положены два физических явления:

  • поглощение и выделение тепла веществом при изменении агрегатного состояния – испарении и конденсации, соответственно;
  • изменение температуры испарения (и конденсации) при изменении давления.

Различают:

  • газовые (воздушные) компрессионные тепловые насосы,
  • паровые компрессионные тепловые насосы

Газовые компрессионные тепловые насосы – это установки, в которых рабочее тело во всех процессах остаётся в газообразном состоянии. В газовых тепловых насосах получение низких температур осуществляется за счёт адиабатного расширения газа (например, воздуха) при совершении внешней работы. Наиболее распространены из них воздушные и гелиевые.

Установки такого типа практически не применяются из-за их неэкономичности и больших расходов воздуха (т.к. этот хладоноситель обладает малой теплоёмкостью), что делает установку громоздкой и повышает её стоимость. Однако история знает такие примеры – машина Томсона (иногда такие установки называют – ТН типа Томсона). Паровые компрессионные холодильные машины это установки, в которых рабочее тело в процессах работы совершает фазовый переход (газ-жидкость).

В цикле паровой компрессионной холодильной машины происходит непрерывное фазовое превращение рабочего тела (кипение, испарение, а затем конденсация). Основными элементами оборудования установки являются компрессор, конденсатор, детандер (расширитель) и испаритель. Цикл машины, представляющий собой обратный цикл Карно, происходит в области влажного пара. Холодильный агент кипит в испарителе при низком давлении и низкой температуре; при этом извлекается тепловая энергия от охлаждаемого тела. Газ из испарителя засасывается компрессором и сжимается адиабатно с повышением температуры.

Компрессор нагнетает газ в конденсатор, где он конденсируется при высоком постоянном давлении и высокой температуре, отдавая тепловую энергию обогреваемому телу. Жидкий хладагент поступает в детандер и расширяется адиабатно, производя полезную работу за счёт внутренней энергии. Далее хладагент поступает в испаритель, и рабочий цикл повторяется снова.

Это самый распространенный тип теплового насоса (и не только теплового насоса, но и всей холодильной техники). Такие насосы имеют весьма высокую эффективность. Практически все тепловые насосы для бытовых нужд (отопление домов, бассейнов, ГВс) работают по такому принципу.

Таблица 2в. Классификация компрессионных ТН

Теплоноситель Классификация
Наружный Внутренний
Воздух Воздух Тепловой насос воздух/воздух или кондиционер с воздушным охлаждением
Вода Воздух Тепловой насос вода/воздух или кондиционер с водяным охлаждением
Рассол Воздух Тепловой насос рассол/воздух или охлаждаемый рассолом кондиционер
Воздух Вода Тепловой насос воздух/вода или охлаждаемый воздухом агрегатированный охладитель жидкости
Вода Вода Тепловой насос вода/вода или охлаждаемый водой агрегатированный охладитель жидкости
Рассол Вода Тепловой насос рассол/вода или охлаждаемый рассолом агрегатированный охладитель жидкости

Компрессионные ТН в соответствии с ГОсТ Р 54671-2011 (EH 14511-1:2011) «Кондиционеры, агрегатированные охладители жидкости и тепловые насосы с компрессорами с электроприводом для обогрева и охлаждения помещений. Термины и определения» обозначаются следующим образом: на первом месте указывается теплоноситель для наружного теплообменника, на втором месте – теплоноситель для внутреннего теплообменника.

Достоинства компрессионных тепловых насосов. Главное достоинство этого типа тепловых насосов – их высокая эффективность, самая высокая среди современных тепловых насосов. соотношение подведённой извне и перекачанной энергии у них может достигать 1:7 – то есть на каждый киловатт подведённой к приводу компрессора ТН электроэнергии из зоны охлаждения будет откачано 7 киловатт тепла.

Недостатки компрессионных тепловых насосов. Во-первых, само наличие компрессора, неизбежно создающего шум и подверженного износу, а во-вторых, необходимость использования специального хладагента и соблюдение абсолютной герметичности на всём его рабочем пути. Почти все компрессионные ТН имеют компрессоры со встроенным электродвигателем. Преимущество – естественное охлаждение электродвигателя компрессора газообразным хладагентом в процессе его циркуляции, но в то же время при нарушении режимов работы и отказе защитной автоматики происходит короткое замыкание на обмотках электродвигателя с последующим выходом его из строя.

При монтаже ТН мало внимания уделяется контролю сварных швов и качеству сборки, в результате чего в процессе работы появляются течи, потеря хладона. Заделка «свищей» на сварных швах производится только при пустом фреоновом контуре, а это опять потеря времени и дополнительные расходы. Внедрение ТН — мероприятие дорогостоящее, поэтому экономить приходится на всем, и иногда оборудование устанавливается не качественное. Все это потом сказывается на эффективности, аварийности и дополнительных расходах, что, в конечном счете, может скомпрометировать саму идею внедрения ТН.

Применение компрессионных тепловых насосов. В силу своей высокой эффективности именно этот тип тепловых насосов получил практически повсеместное распространение, вытеснив все остальные в различные экзотические области применения. Даже сложность конструкции и её чувствительность к повреждениям не могут ограничить их широкое использование – практически на каждой кухне стоит компрессионный холодильник, а в каждом офисе есть кондиционер.

К преимуществам ПТН с электроприводом следует отнести простоту их энергоснабжения. На некоторых объектах это может быть определяющим фактором в их пользу.

4.3. Сорбционные тепловые насосы

Сорбция относится к действию абсорбции или адсорбции:

Абсорбция (absorbere – поглощать) – объёмное слияние (или поглощение) двух веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях (например: жидкости, абсорбирующиеся твёрдыми телами или газами, газы, абсорбирующиеся жидкостями и т.д.) – это явление поглощения сорбата всем объёмом сорбента. Абсорбция, как правило, означает поглощение газов в объёме жидкости или реже твёрдого тела.

Адсорбция – физическое сцепление ионов и молекул на поверхности тела другого состояния (например: реагенты адсорбируются к целой поверхности катализатора) – это явление поглощения адсорбата всей поверхностью адсорбтива. Под адсорбцией часто понимают поглощение примеси из газа или жидкости твёрдым веществом – адсорбентом.

Абсорбционые тепловые насосы. Абсорбционный (испарительный, диффузионный, абсорбционно-диффузионный, испарительно-абсорбционный, испарительно-диффузионный) тепловой насос – устройство, в которых сжатие пара основано на абсорбции рабочего тела (поглощении из раствора или смеси газов твёрдым телом или жидкостью) при температуре окружающей среды и его десорбции (выделении в окружающую среду из твёрдого тела) при более высокой температуре. Установки такого типа достаточно распространены из-за их простоты, надёжности и экономичности. В абсорбционных холодильных машинах применяется бинарная смесь, компоненты которой имеют различные температуры кипения при одинаковом давлении. Холодильный агент должен иметь низкую температуру кипения, абсорбент (поглотитель) – более высокую.

Абсорбционные тепловые насосы подразделяются на два основных вида — водоаммиачные и солевые. В водоаммиачных машинах абсорбентом является вода, а хладагентом аммиак. В солевых машинах абсорбентом является водный раствор соли, а хладагентом вода.

В водоаммиачных ТН пары аммиака, образовавшиеся в испарителе, засасываются в абсорбер, где поглощаются слабым водоаммиачным раствором. Теплота, выделяющаяся при поглощении паров аммиака, отводится охлаждающей водой. Процесс абсорбции происходит при постоянном давлении, несколько меньшем давления в испарителе. Полученный в абсорбере раствор насосом перекачивается в генератор (кипятильник).

При этом насосом затрачивается работа. В генераторе водоаммиачный раствор выпаривается при давлении, несколько большем, чем давление в конденсаторе. Тепло, затраченное на получение водоаммиачного пара, подводится от внешнего источника (пар, горячая вода). Водоаммиачный пар с большой концентрацией аммиака поступает в конденсатор и в нём конденсируется, отдавая тепловую энергию охлаждающей воде. Из конденсатора жидкий аммиак через регулирующий вентиль (дроссель) направляется в испаритель, где кипит, производя охлаждающий эффект. В мировой практике в настоящее время применяют преимущественно солевые ТН, в которых абсорбентом является водный раствор соли бромистого лития (H2O/LiBr) – АБТН. В АБТН процессы переноса теплоты совершаются с помощью совмещенных прямого и обратного термодинамического циклов, в отличие от парокомпрессионных ТН, в которых рабочее тело (хладон) совершает только обратный термодинамический цикл.

По отечественной классификации абсорбционные бромистолитиевые машины подразделяются на повышающие и понижающие термотрансформаторы. В настоящей работе рассматривается понижающий термотрансформатор как наиболее распространенный тип.

По виду потребляемой высокотемпературной теплоты АБТН подразделяются на машины:

  • с паровым (водяным) обогревом;
  • с огневым обогревом на газообразном или жидком топливе.

По термодинамическому циклу АБТН бывают с одноступенчатой или двухступенчатой схемами регенерации раствора, а также двухступенчатой абсорбцией.

Достоинства абсорбционных тепловых насосов. Главное достоинство абсорбционных тепловых насосов – это возможность использовать для своей работы не только электричество, но и любой источник тепловой энергии с достаточной температурой и мощностью – перегретый или отработанный пар, пламя газовых, бензиновых и любых других горелок – вплоть до выхлопных газов и солнечной энергии и т.д. Другое достоинство этих агрегатов, особенно ценное в бытовых применениях, – это возможность создания конструкций, не содержащих движущихся деталей, а потому практически бесшумных.

Недостатки абсорбционных тепловых насосов. Главный недостаток этого типа тепловых насосов – весьма низкая эффективность, так же сложность конструкции самого агрегата и довольно высокая коррозионная нагрузка от рабочего тела.

Использование абсорбционных тепловых насосов. Несмотря на несколько меньшую эффективность и относительно более высокую стоимость по сравнению с компрессионными установками, применение абсорбционных тепловых машин абсолютно оправдано там, где нет электричества или где есть большие объёмы бросового тепла (отработанный пар, высокотемпературные выхлопные или дымовые газы и т.п. – вплоть до солнечного нагрева). В частности, выпускаются специальные модели с газовыми горелками для путешественников, прежде всего автомобилистов и яхтсменов.

В настоящее время в европе газовые котлы иногда заменяют абсорбционными тепловыми насосами с нагревом от газовой горелки или от солярки – они позволяют не только утилизировать теплоту сгорания топлива, но и «подкачивать» дополнительную тепловую энергию с улицы. широкое распространение получили бромисто-литиевые абсорбционные насосы.

С точки зрения воздействия на окружающую среду и безопасность АБТН имеют явное преимущество перед ПТН, т.к. не используют хладоныфторхлорсодердащие углеводороды.

В соответствии с Монреальским протоколом от 1987 года, фактически все хладоны, используемые в ПТН, проходят более тщательный контроль на «озонобезопасность», «парниковый эффект» и облагаются жесткими штрафами при их неправильном применении и утилизации. АБТН имеют значительно больший срок службы, т. к. по существу являются теплообменным оборудованием, высокую ремонтопригодность, они малошумные в работе.

Адсорбционный тепловой насос. Принцип работы адсорбционных ТН основан на явлении адсорбции паров жидкости твердыми телами (сорбентами). Наиболее широкое применение в качестве сорбентов получили активированные угли, цеолиты и силикагели. В последние годы рассматриваются возможности использования силикагелей совместно с солями металлов. Большой интерес при создании тепловых насосов представляют активированный уголь и аммиак, а также активированное углеволокно и аммиак, цеолит и вода.

Простейший тепловой насос содержит один адсорбер, испаритель, конденсатор и вентили. Эффективность его работы (СОР) зависит от особенностей конструкции и выбранной пары сорбат (жидкость)/сорбент (твердое тело). Затраты, приходящиеся на оборудование, однако, достаточно велики по причине использования вакуумной техники.

Адсорбционные тепловые насосы для жилых домов находятся еще в стадии разработки. Адсорбционные тепловые насосы иногда называют твердотельными тепловыми насосами, поскольку рабочее тело всегда находиться в твердом состоянии. Разрабатываются новые высокоэффективные сорбенты.

К тепловым насосам на твердых сорбентах также относятся водородные тепловые насосы, в которых в качестве сорбентов применяются гидриды металлов LaNi4 Al0.52 Мn0.37 – Ti0.99 Zr0.01 V0.43 Fe0.09 Cr0.05 Mn1.5 и др. Рабочим телом гибридных ТН является обратимо циркулирующий водород. При сорбции водорода выделяется теплота, при его десорбции поглощается теплота из окружающей среды (генерируется холод). Диапазон температур таких ТН находится в пределах –50…200 °с.

Наибольших успехов в настоящее время в этом направлении добились японские ученые, причем основным направлением опытно-конструкторских работ является создание холода. Водородные тепловые насосы обладают высокой термодинамической эффективностью, обеспечивают широкий диапазон изменения температуры, однако они требуют обеспечения высокого уровня надежности эксплуатации и относительно дороги.

Достоинства адсорбционных тепловых насосов. По сравнению с абсорбционными является возможность их использования в широком диапазоне температуры, нечувствительность к силе тяжести (что особенно важно при использовании тепловых насосов на транспорте).

Недостатки адсорбционных тепловых насосов. Невысокая эффективность, периодичность их работы (требуется периодический процесс нагрева/охлаждения сорбента), приводящий к затратам дополнительной энергии на нагрев/охлаждение не только сорбента, но и корпуса адсорбера.

Применение адсорбционных тепловых насосов. Практическое применение ТН на твердых сорбентах: отопление, транспорт, системы охлаждения электроники, сушка. Например, фирма Vaillant разработала газовый адсорбционный тепловой насос, основанный на взаимодействии цеолита и воды – цеолитовый тепловой насос Vaillant zeoTHERM VAS для отопления жилых помещений и ГВс.

5. Энергетическая эффективность тепловых насосов

Парокомпрессионные (ПТН) и абсорбционные (АБТН) тепловые насосы для осуществления термодинамических циклов потребляют различные виды энергии: ПТН – механическую (чаще всего электрическую), АБТН – тепловую.

Для сравнения эффективности различных типов ТН необходим общий показатель. Таким показателем может быть удельный расход топлива на выработку теплоты или коэффициент его использования. Такой подход правомерен ещё и потому, что в России базовыми электростанциями являются тепловые, работающие на органическом топливе. Кроме того, для сравнения можно использовать эксергетический КПД. Энергетическая эффективность ПТН характеризуется коэффициентом преобразования энергии

Энергетическая эффективность

где QП – произведенная теплота; φ = QП /QК

QК – мощность в тепловом эквиваленте, затраченная на привод компрессора.

перепад температур между нагретой водой и охлажденной водой

Рис. 4. Зависимость коэффициента преобразования φ ПТН от перепада температур между нагретой водой (tW2) и охлажденной водой (tS2).

Величина коэффициента преобразования ПТН (φ) зависит, в основном, от температур низкотемпературного источника теплоты и температуры нагреваемой среды на выходе из ТН (рис. 4). Чем больше перепад температур между нагреваемой и охлаждаемой средами, тем ниже эффективность ПТН.

В инструкциях ТН западных производителей для оценки эффективности электроприводных компрессионных тепловых насосов согласно стандарту EN 14511 определены параметры коэффициента мощности и коэффициента использования.

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности ε описывает соотношение отданной в данный момент тепловой мощности и эффективной потребляемой мощности прибора.

Коэффициент мощности

где PH – тепло, отдаваемое тепловым насосом теплоносителю в единицу времени (Вт)

PE – средняя электрическая потребляемая мощность прибора в течение определенного периода времени, включая потребляемую мощность контроллера, компрессора, подающих устройств и оттаивания (Вт).

Коэффициенты мощности измеряются в установленных рабочих точках. Рабочая точка определяется входной температурой среды источника тепла (воздух A, рассол B, вода W) в тепловой насос и выходной температурой теплоносителя (температурой подачи во вторичном контуре). Пример:

  • Воздушно-водяные тепловые насосы A2/W35: входная температура воздуха 2 °C, выходная температура теплоносителя 35 °C
  • Рассольно-водяные тепловые насосы B0/W35: входная температура рассола 0 °C, выходная температура теплоносителя 35 °C
  • Водо-водяные тепловые насосы W10/W35: входная температура воды 10 °C, выходная температура теплоносителя 35 °C

Чем меньше разность между входной и выходной температурой, тем выше коэффициент мощности. Так как входная температура источника тепла определяется окружающими условиями, для повышения коэффициента мощности следует стремиться к минимально возможной температуре подачи, например, 35 ºC, в сочетании с внутрипольным отоплением.

Коэффициент использования

Коэффициент использования β представляет собой отношение отданного количества тепла за год к потребленной за этот период времени электроэнергии теплонасосной установки в целом. При этом учитываются также доли электроэнергии насосов, контроллеров и т.п.

где QТН – отданное тепловым насосом в течение года количество тепла (кВт-ч) Wэл – внесенная в тепловой насос в течение года работа электроэнергии (кВтч)

Эффективность АБТН характеризуется коэффициентом трансформации

коэффициент трансформации

где QП – количество произведенной теплоты; QГ – количество высокотемпературной теплоты, подведенной к генератору ТН.

Реальные коэффициенты трансформации АБТН приведены на рис. 5. В зависимости от перепада температур между нагреваемой и охлаждаемой средами применяют различные типы машин: с одноили двухступенчатой схемами регенерации раствора; с двухступенчатой схемой абсорбции.

Зависимость коэффициента трансформации М АБТН от перепада температур

Рис. 5. Зависимость коэффициента трансформации М АБТН от перепада температур между нагретой водой (tW2) и охлажденной водой (tS2).

  1. – с двухступенчатой схемой регенерации раствора (М = 2,2).
  2. – с одноступенчатой схемой регенерации раствора (М = 1,7).
  3. — 3 – с двухступенчатой абсорбцией (М = 1,35).

В ПТН при использовании электроэнергии на привод компрессора от тепловой электростанции удельный расход топлива (здесь и далее в тепловом эквиваленте) составит

где ηэл – КПД электростанции с учетом потерь электроэнергии в сетях (в России ~ 0,32).

В ПТН при использовании в качестве привода компрессора двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины с утилизацией теплоты продуктов сгорания топлива удельный расход топлива на выработку теплоты составит

где ηм – механический КПД привода; ηт – тепловой КПД привода.

Удельный расход топлива на выработку теплоты в АБТН составит

где η – КПД источника высокотемпературной теплоты или генератора ТН при огневом обогреве.

Удельный расход топлива на выработку теплоты в котле составит

где η – КПД котла.

Рассмотрим различные варианты автономного источника для получения горячей воды. Для сравнения возьмем котел на органическом топливе и различные варианты тепловых насосов (рис. 6).

ТН с электроприводом от тепловой электростанции при коэффициенте преобразования φ < 2,6–3 по сравнению с котлом экономию топлива не дает (меньшее значение φ для котлов на твердом топливе, большее на газовом или жидком топливе). с учетом более высоких по сравнению с котлом удельных капитальных вложений на ТНУ и электрогенерирующие мощности использование ПТН с электроприводом может быть экономически оправдано (приемлемый срок окупаемости дополнительных капитальных вложений) при φ = 4-5.

ППТН с приводом компрессора от двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины при утилизации теплоты продуктов сгорания топлива и системы охлаждения двигателя дает экономию топлива уже при φ ≥ 1,5.

Однако экономическая целесообразность применения данного типа ТН должна определяться на основе технико-экономических расчётов, т.к. удельные капитальные затраты на данный тип ТН в несколько раз выше затрат на котел. Применение ПТН с низким коэффициентом преобразования приводит к неоправданно высоким срокам окупаемости капитальных вложений.

АБТН всех типов по сравнению с котлом имеют удельный расход топлива на 40 ÷ 55 % ниже. Т.е. эффективность использования топлива в АБТН в 1,7-2,2 раза выше, чем в котле. При этом себестоимость производимой в АБТН теплоты на 25-30 % ниже, чем в котле.

Энергетические балансы различных схем производства теплоты

Рис. 6. Энергетические балансы различных схем производства теплоты: а) котел на органическом топливе; б) ПТН с электроприводом от тепловой электростанции; в) ПТН с приводом от ДВс или газовой турбины; г) АБТН на газообразном или жидком топливе

Характерные режимы для оценки эффективности ТНУ

Характерные режимы для оценки эффективности ТНУ

Рис. 7. Характерные режимы для оценки эффективности ТНУ

Некоторые авторы, ссылаясь на зарубежный опыт, в частности, шведский, отмечают, что электроприводные ПТН применяют даже при φ < 3. Действительно некоторые теплонасосные установки в швеции и других странах европы имеют φ ≤ 3 и достаточно рентабельны (срок окупаемости 3-4 года). Это связано, в первую очередь, со структурой электроэнергетики данных стран. В ряде европейских стран базовыми электрогенерирующими мощностями являются атомные и гидроэлектростанции, а значит, относительно дешева электроэнергия.

Поэтому ТНУ с электроприводом в данных странах даже при φ ≤ 3 экономически целесообразны, т.к. позволяют реально экономить дорогостоящее органическое топливо, сократить вредные выбросы в окружающую среду, экономить электроэнергию, замещая электрообогрев.

При выборе типа теплового насоса кроме энергетической и экономической эффективности следует учитывать также особенности различных типов машин (срок службы, воздействие на окружающую среду, ремонтопригодность, требуемая квалификация обслуживающего персонала, возможность регулирования мощности в широком диапазоне и т.д.).

Как правило, производители используют коэффициенты энергетической эффективности EER и COP. Для их измерения стандартизированы значения температуры наружного воздуха: +35 °С – для режима охлаждения и +7 °С – для режима нагрева, а измерение проводились при максимальной мощности системы.

Такой подход достаточен для оценки простых систем и стандартных условий применения, но недостаточен для корректного экономического анализа систем с учетом климатических условий и режимов эксплуатации. Более правильно выполнять расчеты с показателями на основе измерения эффективности при четырех различных температурах наружного воздуха (рис. 8а, 8б). Более того, для режима нагрева принимается во внимание климатическая зона, в которой предполагается эксплуатировать оборудование. с этой целью введены 3 зоны, имеющие разное распределение градусо-часов: теплая, средняя и холодная.

Образец новой энергоэтикетки для ТН в ес

Рис. 8а. Образец новой энергоэтикетки для ТН в ЕС

Дополнительно принимается во внимание повышение эффективности системы с инверторным приводом при работе с частичной нагрузкой, а также электропотребление в неосновных режимах: «температура в помещении достигнута», «система выключена, но находится в режиме готовности» и др.

Новая маркировка энергоэффективности ТНУ в ес

Рис 8б. Новая маркировка энергоэффективности ТНУ в ЕС

1 января 2013 г. в Евросоюзе вступил в силу блок требований, относящихся к системам кондиционирования воздуха холодопроизводительностью до 12 кВт (или теплопроизводительностью до 12 кВт, если изделие имеет только режим нагрева воздуха). Новый стикер, введенный при этом, дает покупателям информацию в унифицированном виде для объективного сравнения энергетических и шумовых характеристик систем охлаждения и отопления (рис. 8).

Вместо коэффициентов EER и COP на новом стикере производитель указывает сезонные значения энергоэффективности: SEER и SCOP, что более точно отражает реальную картину эксплуатации климатического оборудования в течение года в условиях европейского климата.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *