Устройство теплового насоса. Термодинамические процессы.

Секреты теплового насоса

Внутрение процессы, работа, термодинамика.

  Структура теплового насоса.

Использование альтернативных экологически чистых источников энергии может предотвратить назревающий энергетический кризис в Молдове. Наряду с поисками и освоением традиционных источников (газ, нефть) перспективным направлением является использование энергии, накапливаемой в водоемах, грунте, геотермальных источниках, технологических выбросах (воздух, вода, стоки и др.). Однако температура этих источников довольно низкая (0–12°С) и для эффективного их использования необходимо осуществить перенос этой энергии на более высокий температурный уровень (50–60 °С). Реализуется такое преобразование тепловыми насосами (TH), которые, по сути, являются парокомпрессионными холодильными машинами (рис. 1).

Типовая схема теплового насоса

Рис. 1. Схема гидравлическая теплового насоса:


1 – компрессор;
2 – источник теплоты низкого уровня (ИНТ);
3 – испаритель теплового насоса;
4 – конденсатор теплового насоса;
5 – потребитель теплоты высокого уровня (ПВТ);
6 – низкотемпературный теплообменник;
7 – регулятор потока хладагента;
8 – высокотемпературный теплообменник

Низкотемпературный источник (ИНТ) нагревает испаритель (3), в котором хладагент кипит при температуре –10°С…+5°С. Далее тепло, переданное хладагенту, переносится классическим парокомпрессионным циклом к конденсатору (4), откуда поступает к потребителю (ПВТ) на более высоком уровне.
Тепловые насосы используют в различных отраслях промышленности, жилом и общественном секторе. В настоящее время в мире эксплуатируется более 10 млн. тепловых насосов различной мощности: от десятков киловатт до мегаватт. Ежегодно парк ТН пополняется примерно на 1 млн. штук. Так, в Стокгольме тепловая насосная станция мощностью 320 МВт, используя зимой морскую воду с температурой +4 °С, обеспечивает теплом весь город [4]. В 2004 г. мощность тепловых насосов, установленных в Европе, составляла 4 531 МВт, а во всем мире тепловыми насосами была получена тепловая энергия эквивалентная 1,81 млрд. м3 природного газа.
Тепловой насос с гидравлической обвязкой (водяными насосами, теплообменниками, запорной арматурой и др.) называют тепловой насосной установкой. Если среда, охлаждаемая в испарителе, такая же, как и среда, нагреваемая в конденсаторе (земля-вода, вода-вода, воздух-вода), то путем изменения потоков этих сред можно изменить режим ТН на обратный (охлаждение на нагрев и наоборот). Если среды – газы, то такое изменение режима называют обратимым пневматическим циклом, если жидкости – обратимым гидравлическим циклом (рис. 2).

Типовая схема теплового насоса

Рис. 2. Схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом:


В случае, когда обратимость цикла осуществляется изменением направления хладагента с помощью клапана обратимости цикла, используют термин «тепловой насос, работающий в обратимом холодильном цикле».


  Низкопотенциальные источники тепла.

В системах кондиционирования широко используются тепловые насосы типа «воздух-воздух». Наружный воздух продувается через испаритель, а тепло, отводимое от конденсатора, нагревает воздух в помещении. Преимуществом таких систем является доступность воздуха. Однако температура воздуха (источника тепла) изменяется в большом диапазоне, достигая отрицательных значений. При этом эффективность теплового насоса сильно снижается. Так, изменение температуры наружного воздуха с 7°С до минус 10°С приводит к снижению производительности теплового насоса в 1,5–2 раза.
В тепловых насосах с водяными источниками тепла (реки, озера, моря) используется накопленная энергия солнца. Эта энергия является идеальным источником для тепловых насосов, так как она поступает непрерывно, хотя и является менее доступной, чем воздух. Температура воды в незамерзающих водоемах не опускается ниже 4°С, а артезианская вода имеет почти постоянную температуру 10°С. Учитывая, что при отборе тепла воду нельзя охлаждать ниже 0°С, перепад температуры на теплообменнике составляет несколько градусов. При этом для отбора необходимого количества тепла требуется увеличивать расход воды.
Контур отбора тепла из водоема может быть открытым или закрытым. В первом случае вода из водоема перекачивается через охладитель, охлаждается и возвращается в водоем. Такая система требует фильтрации подаваемой в охладитель воды и периодической чистки теплообменника. Закрытый контур укладывается на дно водоема. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода закрытого контура составляет порядка 30 Вт. То есть для получения 10 кВт тепла контур должен иметь длину 300 м. Для того, чтобы контур не всплывал, на 1 погонный метр необходимо устанавливать груз около 5 кг.
Энергетически эффективны тепловые насосы, использующие геотермальные и подземные воды. В США федеральным законодательством утверждены требования по обязательному использованию геотермальных тепловых насосов (ГТН) при строительстве новых общественных зданий. В Швеции 50% всего отопления обеспечивается геотермальными тепловыми насосами. К 2020 г. по прогнозам Мирового энергетического комитета доля геотермальных тепловых насосов составит 75%. Срок службы ГТН составляет 25–50 лет.
В грунтовых ТН используется тепловая энергия, накопленная в грунте за счет нагрева ее солнцем или другими источниками. При горизонтальном исполнении трубопровод, в котором циркулирует жидкость, зарывается в землю на глубину ниже уровня промерзания почвы (1,0–1,5 м). Минимальное расстояние между трубами 0,8–1,0 м. Предпочтительным является влажный грунт. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода составляет 20–30 Вт. Таким образом, для получения 10 кВт тепла необходим земляной контур длиной 350–500 м, который можно разместить на участке земли площадью 400–500 м2.
При вертикальном исполнении грунтового ТН бурится скважина глубиной 60–100 м, в которую опускается U-образный трубопровод. Срок службы грунтового коллектора зависит от кислотности почвы: при нормальной кислотности (pH =5,0) – 50–75 лет, при повышенной (pH ›5,0) – 25–30 лет.
Типовая принципиальная схема тепловой насосной установки приведена на рис. 3.

Схема теплосъема

Рис. 3. Типовая принципиальная схема тепловой насосной установки:

а – водоем;
б – грунтовой коллектор;
в – геотермальная скважина;
1 – датчик наружной температуры;
2 – датчик температуры в помещении;
3 – фэнкоил;
4 – обогреваемый пол;
5 – гидромодуль;
6 – система горячего водоснабжения;
7 – бойлер;
8 – расширительный бак;
9 – тепловой насос;
10 – бак-аккумулятор;
11 – промежуточный теплообменник


  Эффективность тепловых насосов

В качестве основного показателя эффективности теплового насоса применяется коэффициент преобразования или отопительный коэффициент СОР (coefficient of performance), равный отношению теплопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором. В режиме охлаждения для оценки эффективности применяется холодильный коэффициент EER (energy efficiency ratio), равный отношению холодопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором.

Формула1
Формула1

где Qr– энергия, отдаваемая ПВТ;
Qc – тепловая энергия, отбираемая у ИНТ;
N – затраченная электроэнергия;
Tk и To – температуры конденсации и кипения в тепловом насосе.


Температура Tk определяется давлением конденсации хладагента в ТН, а To – температурой ИНТ. Так, если принять To= 281,16 К (8 °C) и Tk= 323,16 К (50 °С), то COP будет равен 7,7. Если тепло отводится водой, то различные хладагенты позволяют достичь следующих температур: R717, R502, R407 около +50 °С, R22 – около +60 °С, R134a – +70 °С, R142 – +100 °С. Когда в тепловых насосах одновременно используется тепло и холод (например, охлаждение холодильных камер и нагрев офисных помещений), то:

Формула1

При равнопотенциальном цикле Qr=Qc

Формула1

При указанных выше температурах суммарный коэффициент преобразования может достигать 12, 7, что характеризует высокую энергетическую эффективность теплового насоса. Реальные СОР несколько ниже и составляют порядка 3–5.
В абсорбционных тепловых насосах коэффициент преобразования ниже, чем в компрессионных из-за больших потерь в элементах абсорбционного контура. Так, при использовании грунтовых вод с T0 = 281,16 К (8°C) и температурой полезного тепла Тк= 323,16 К (50°С), коэффициент преобразования абсорбционного ТН составит всего 1,45. Температура полезного тепла в абсорбционных тепловых насосах зависит также от температуры нагрева генератора. При указанных выше температурах нагрев генератора должна быть не меньше 150°С.
По данным www.aeroprof.by применение ТН в 1,2–3,5 раза выгоднее самой эффективной газовой котельной и в 6–7 раз выгоднее электрических котлов. Годовая экономия относительно обогрева электроэнергией при отопительной мощности 5 кВт составит 1200–1600 кВт·ч. Повысить эффективность тепловых насосов можно, используя аккумуляторы холода.
Эксплуатационные расходы на отопление жилого дома площадью 180 м2 (при расчете общей работы ТН 1700 часов в год) с помощью электрического котла составят около 4500 Лей, а с помощью ТН – 500-600 Лей.
Стоимость теплового насоса ориентировочно можно оценивать из расчета 280–370 Евро за 1 кВт вырабатываемой тепловой мощности.