Тепловой цикл теплового насоса

При работе холодильной установки теплота отбирается из охлаждаемого объема и передается в окружающую среду с более высокой температурой, то есть результатом осуществления холодильного цикла является не только охлаждение теплоотдатчика, но и нагрев теплоприемника. В 1852 г. Кельвин предложил использовать холодильный цикл для нагревания теплоносителя, используемого в системе отопления помещений. Холодильная установка, которая используется для подвода теплоты к нагреваемому объекту, называется тепловым насосом. В таких условиях теплота как бы «перекачивается» от холодного источника к горячему.

Работа теплового насоса (рис. 8.11) мало отличается от работы паровой компрессорной холодильной установки. Источником теплоты низкой температуры для теплового насоса является окружающая среда, например, воздух или вода водоемов и т.д. Из водоема вода с помощью насоса (на рис. 8.11 не показан) подается в испаритель 1, где происходит процесс парообразования. Из испарителя пар высокой степени сухости направляется в компрессор 4, в котором он адиабатно сжимается от давления р1 до давления р2, а температура повышается от температуры Т1 до Т2. При этом степень сухости пара возрастает и из компрессора выходит перегретый пар.

Этот пар поступает в конденсатор 3, где за счет отдачи теплоты воде, циркулирующей в отопительной системе, происходит его конденсация. В конденсаторе сначала происходит изобарное охлаждение перегретого пара, а затем его полная конденсация по изобаре-изотерме. Из конденсатора хладагент выходит в состоянии насыщения. При давлении р1 и температуре Т1 он направляется в дроссельный вентиль 2, где дросселируется до давления р2 и температуры Т2. После вентиля влажный пар при температуре Т2 с малой степенью сухости поступает в испаритель 1. За счет теплоты, отбираемой у воды, содержащаяся во влажном паре жидкость испаряется, степень его сухости при этом возрастает. Затем хладагент направляется в компрессор 4 и цикл замыкается.

Идеальный цикл теплового насоса состоит из следующих процессов (рис. 8.12): 1-2 – испарение хладагента в испарителе; 2-3 – адиабатное сжатие хладагента в компрессоре; 3-4 – изобарное охлаждение перегретого пара; 4-5 – конденсация пара в конденсаторе с отдачей теплоты в отопительную систему; 5-1 – дросселирование хладагента.

В рассматриваемом цикле, как и в любом обратном цикле, теплота холодного тела (например, воды из водоема) посредством затраты работы передается горячему телу (воде отопительной системы). При этом в отопительную систему поступает теплота q1, равная сумме теплоты q2, отобранной у холодного источника, и работы l, затраченной для осуществления холодильного цикла:

q1 = q2 + l . (8.12)

Эффективность теплового насоса оценивается величиной отопительного коэффициента, или коэффициентом преобразования теплоты:

. (8.13)

Из рис. 8.12 видно, что q1 = i3 – i1; q2 = i2 – i1. Работа, затрачиваемая в цикле:

l = q1 – q2 = (i3 – i1) – (i2 – i1) = = (i3 – i2) . (8.14)

Тогда:

. (8.15)

Установим связь отопительного коэффициента φ с холодильным коэффициентом ε. Из выражений (8.13), (8.2) и (8.12) имеем:

φ = ε + 1 . (8.16)

Таким образом, чем больше холодильный коэффициент ε, тем выше отопительный коэффициент цикла φ. Так как в тепловом насосе q1 > l, то всегда имеем φ > 1,0. Этот вывод следует также из уравнения (8.16).

При работе теплового насоса по обратному циклу Карно отопительный коэффициент определяется по следующей формуле:

или:

. (8.17)

Так, если при отоплении здания зимой температура речной воды Т2 = 273 К, а температура хладагента, при которой он отдает теплоту в отопительную систему Т1 = 323 К, то максимальный отопительный коэффициент теплового насоса:

Таким образом, тепловой насос передает в отопительную систему количество теплоты, которое в 6,46 раз больше работы, затраченной в цикле. Эффективность работы теплового насоса можно увеличить, если в испаритель будет поступать вода с более высокой температурой, например, охлаждающая вода промышленных печей, конденсаторов турбин и других промышленных агрегатов. Если температура такой воды равна 293 К, то отопительный коэффициент φ увеличивается до 10,77.

Тепловые насосы, в которых используются циклы паровых холодильных установок, менее совершенны, чем с обратным циклом Карно, и их отопительные коэффициенты имеют меньшую величину. В реальных тепловых насосах значение отопительного коэффициента составляет от 3 до 5.

Первая парокомпрессионная аммиачная теплонасосная станция для отопления помещения была построена в 1930 г. В настоящее время тепловые насосы широко используются для отопления помещений и в различных технологических процессах.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение холодильного коэффициента и холодопроизводительности.

2. Запишите выражение для холодильного коэффициента обратного цикла Карно.

3. Изобразите цикл воздушной холодильной установки в р-v и T-s диаграмме. Запишите выражение для холодильного коэффициента цикла.

4. Почему воздушные холодильные установки практически не используются на практике?

5. Сравните обратный цикл Карно и цикл воздушной холодильной установки в одинаковом интервале температур.

6. Изобразите схему паровой холодильной установки и ее цикл в Т–s диаграмме. Запишите выражение для холодильного коэффициента цикла.

7. Укажите преимущества паровых холодильных установок по сравнению с воздушными холодильными установками.

8. Перечислите основные требования, которые предъявляются к хладагентам паровых холодильных установок.

9. В чем отличие теплового насоса от холодильной установки?

10. Изобразите схему работы теплового насоса и рассмотрите его цикл.

11. Запишите выражение для отопительного коэффициента теплового насоса. Какова его связь с холодильным коэффициентом?

12. Какие параметры определяют эффективность работы теплового насоса?

Литература

1. Недужий И.А. Алабовский А.Н. Техническая термодинамика и теплопередача. Под ред. С.М. Константинова. К.: Высшая шк., 1981. – 248 с.

2. Бєляєв Н.М. Термодинамика. К.: Изд. Высшая шк. 1987. – 342 с.

3. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Изд. Энергия. 1974. – 436 с.

4. Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М. Изд. Высшая шк. 1991. – 480 с.

5. Болгарский А.В., Голдобеев В.И. и др. Сборник задач по термодинамике и теплопередаче. М.: Изд. Высшая шк. 1972.– 302 с.

6. Мелик-Пашаев Н.И., Кобельков В.И., Воротников Б.А., Березин Г.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского. 1983. 267 с.

Источник

Многие участники нашего портала давно пользуются тепловыми насосами и считают их наилучшим способом отопления. Тепловой насос до сих пор остается дорогим устройством, и срок окупаемости у него большой. Но есть удачные опыты самостоятельного изготовления тепловых насосов: это позволяет избежать каких-то нереальных расходов.

Содержание:

Принцип работы теплового насоса
Как сделать тепловой насос своими руками
Выгодно ли делать тепловой насос

Принцип работы теплового насоса

Объясняя принцип действия теплового насоса, люди часто вспоминают холодильник, где в радиатор на задней стенке сбрасывается тепло, «снятое» с продуктов в камере.

SagaУчастник FORUMHOUSE

Принцип работы теплового насоса, как холодильника: решетка на его обратной стороне греется, морозилка – охлаждается. Если мы удлиним трубки с фреоном и опустим их в ванну, то вода в ней будет охлаждаться, а решетка холодильника – нагреваться; холодильник будет перекачивать тепло из ванны и греть помещение.

По этому же принципу работают и кондиционеры, и тепловые насосы. Работа приборов основана на цикле Карно.

Теплоноситель движется по грунту или воде, в процессе «снимая» тепло и повышая свою температуру на несколько градусов. В теплообменнике теплоноситель отдает накопленное тепло хладагенту, тот становится паром, поступает в компрессор, где поднимается его температура. В этом виде он поставляется в конденсатор, отдает тепло теплоносителю ОС дома, и охладившись, снова превращается в жидкость и поступает в испаритель, где нагревается от новой порции нагретого теплоносителя. Цикл повторяется.

Хотя тепловой насос не будет работать без электричества, это выгодное устройство, поскольку тепла он выдает в 3-7 раз больше, чем тратит электроэнергии.

Мы разберем это на конкретном примере нашего пользователя, который сделал тепловой насос своими руками.

Тепловые насосы работают на энергии природных источников тела:

грунта;
воды;
воздуха.

Собирать тепло с грунта (ниже глубины промерзания его температура всегда около +5 – +7 градусов), можно двумя способами:

горизонтальный грунтовый коллектор
уложенные горизонтально разными способами трубы.

По трубам течет «рассол» – на FORUMHOUSE часто используют пропиленгликоль, который забирает тепло земли, передает его хладагенту, и остыв, снова отправляется в грунтовый коллектор.

Горизонтальный грунтовый коллектор – самый дешевый способ получения энергии для работы теплового насоса. Проблема в том, что он занимает большую площадь. Чтобы обогреть дом 100 кв.м. потребуется около 5 соток на участке, и над коллектором нельзя будет возводить капитальных строений и сажать деревья с мощной корневой системой.

Люди с небольшими участками вынуждены использовать более дорогой способ – вертикальный грунтовый зонд. Это целая U-образная труба, опущенная на большую глубину (около 150 метров), или несколько таких труб, заглубленных на 20 метров (в итоге это получается дешевле и не требует получения разрешения).

SagaУчастник FORUMHOUSE

Для экономии места можно бурить маленьким буром много неглубоких скважин. Получится дешевле чем бурить одну большую.

Также для работы теплового насоса используется вода – или из открытого водоема, или из скважины.

Способ устройства теплового насоса для отопления дома «вода- вода» считается самым выгодным (нет расходов на бурение и прокладку траншей), но только если дом, в котором будет установлен тепловой насос, стоит на берегу, не дальше, чем в 50 метрах от водоема. В этом случае трубопровод с «рассолом» опускается на дно реки – и все.

При втором способе необходимо пробурить две скважины: из одной вода будет поступать к тепловому насосу и передавать ему свое тепло, а во вторую будет отправляться уже «отработанная», остывшая вода. Расстояние между скважинами должно быть не менее 20 метров.

Тепловые насосы «воздух-воздух» эффективны только в южных регионах, где температура зимой не опускается ниже -5 градусов.

Для нашей зимы лучше использовать геотермальный тепловой насос.

Самодельный тепловой насос

При всех преимуществах, которые имеет тепловой насос, цена этого устройства даже без обустройства коллектора составляет несколько тысяч у.е. Сократить расходы можно, сделав его самостоятельно.

Участник FORUMHOUSE c ником Saga сделал тепловой насос для отопления трехуровневого дома площадью 300 квадратных метров, собрав его из компрессора, пластинчатых теплообменников, фильтра-осушителя, ТРВ и других компонентов. В качестве хладагента использовал фреон R22.

На участке на глубине полутора метров проложил два контура трубы ПНД по 450 метров и один контур, на 600 метров, поместил в речку рядом с домом. Копал траншеи и все соединения делал сам – сейчас, с опытом, сделал бы все надежнее и экономнее.

Спустя три года домовладелец не пожалел о своем решении установить тепловой насос. Он смонтировал к нему еще и вентиляцию (ТН подогревает воздух перед рекуператором), а холодным воздухом летом бесплатно остужает дом. Отопление, подогрев воды и кондиционирование обходится ему в 25 000 в год.

На этой исторической фотографии видно, сколько электричества было потрачено за три года на отопление и подогрев воды – 38586 киловат (напомнаем, площадь дома – 300 кв.метров).

SagaУчастник FORUMHOUSE

Счетчик на фото специально для теплового насоса: когда-то сам не верил.

Соседи, оценив потенциал теплового насоса, сделали себе такие же. Главной ошибкой в устройстве теплового насоса наш пользователь считает чрезмерную длину холодных контуров – 200 метров было бы достаточно. Еще один промах – теплообменник в системе вентиляции, его надо делать с большим запасом; обязательно пригодится.

Все мелкие ошибки связаны с попытками сэкономить.

SagaУчастник FORUMHOUSE

Не экономьте на диаметре труб, покупайте фирменные фитинги и циркуляционные насосы и будет вам счастье.

Подведение итогов

Участники нашего портала используют тепловой насос, как полноценную систему отопления (а не вспомогательную). По нашим наблюдениям, тепловой насос становится все более популярным способом отопления загородного дома. По отзывам наших пользователей, тепловой насос лучше всего работает в домах с низкими теплопотерями, поэтому в идеале дом нужно «затачивать» под это устройство еще на этапе проектирования. Хорошим вариантом будет каркасник со всеми необходимыми утеплениями, мембранами и пленками, или каменный дом. Второй момент: тепловой насос наиболее эффективен в альянсе с низкотемпературными отопительными приборами, так что лучше сразу ориентироваться на теплый пол.

На FORUMHOUSE можно найти огромное количество информации для тех, кто решится сделать тепловой насос своими или чужими руками. Есть рекомендации по правильному устройству геотермального контура теплового насоса, бесценные подсказки для самостоятельного изготовления теплового насоса, узнайте, как сделать самую бюджетную, «народную» систему отопления на основе теплового насоса, посмотрите наше видео про дом, который успешно отапливается тепловым насосом.

Источник

Реально ли до 70% снизить затраты на отопление загородного дома? Ответ можно найти в весьма нестандартном источнике энергии — недрах земли. Мы расскажем об устройстве и принципе работы тепловых насосов, а также поможем сделать правильный выбор отопительной системы.

Постоянный рост цен на энергоресурсы дает отличный повод задуматься над более современными и экономичными средствами получения тепла и горячей воды. На сегодняшний день уже существуют десятки инновационных способов обустроить эффективные схемы отопления, сделав его абсолютно бесплатным.

Тепловые насосы и устройства геотермального кондиционирования

Почти четверть энергии, вырабатываемой в мире сегодня, является экологически чистой, а одну восьмую часть получают без сжигания биологических масс. Наиболее эффективным и практически неисчерпаемым источником энергии можно по праву считать ресурс, скрытый в недрах нашей планеты — геотермальную теплоту. Примечательно, что направление передачи энергии можно обратить: в жаркое время года почва может эффективно поглощать теплоту. Этот двухсторонний процесс принято называть геотермальным кондиционированием.

Для сбора и преобразования тепловой энергии применяются специальные установки — так называемые тепловые насосы. Благодаря высокому КПД и незначительным энергозатратам при работе они приобретают все большую популярность.

Сама идея работы таких установок далеко не нова. В 50-х годах XIX века уже был сконструирован и запатентован первый прототип, ориентированный на массовое производство. Идея лорда Кельвина в то время не получила практического применения из-за того, что понятие энергетического кризиса было еще неведомо, но спустя почти одно столетие Роберт Вебер (Robert C. Webber) начал успешно применять такие системы в быту и промышленности. Поразительно, что еще в далеком 1931 году в знаменитом небоскребе Эмпайр-Стейт-билдинг была применена технология геотермального отопления, основанная на работе тепловых насосов. В России и на постсоветском пространстве геотермальные источники энергии используются еще со времен СССР, а производственные комплексы позволяют выпускать необходимое оборудование без привлечения иностранных партнеров.

Тепловая энергия низкого потенциала. Принцип действия

Второе правило термодинамики гласит, что передача тепловой энергии возможна только от более нагретого тела к менее нагретому. Но если между двумя средами с небольшой разницей температур поместить вещество с изменяемыми физическими свойствами, оно может послужить посредником, способным обратить естественный процесс передачи теплоты. Цепь таких преобразований осуществляется в процессе работы теплового насоса. При сильном сжатии газов выделяется большое количество теплоты, а сам газ охлаждается и переходит в жидкое состояние. Это называется компрессией, и конечным результатом этого процесса является тепло в доме. Чтобы цикл компрессии можно было повторять бесконечно долго, в качестве газа используется хладагент с очень низкой температурой кипения. Его можно вернуть в газообразное состояние в процессе испарения при температуре до +10 °С. Тепловая энергия с низким потенциалом, как правило, добывается из грунта ниже глубины промерзания, но может быть получена и любым другим способом. В целом, принцип работы теплового насоса прямо противоположен действию холодильной установки, хотя и основывается на идентичных процессах.

Современные тепловые насосы

Подобные системы, применяемые в современном мире, являются более продвинутыми, в сравнении с их предшественниками. В качестве хладагента применяются сложные соединения газов, все элементы конструкции и исполнительные механизмы выполняются с большим запасом износостойкости и надежности. Развитие точного машиностроения дало возможность воссоздать геотермальные установки в миниатюре. Портативные тепловые насосы не отличаются ничем от своих промышленных родственников, а низкая цена и возрастающая конкуренция делают установки доступными широкому кругу потребителей.

Особенность тепловых насосов, отличающая их от традиционных отопительных приборов, — возможность работы в четко заданном диапазоне уличных температур, который определяется физическими свойствами вещества-хладагента и типом системы. Воздушные тепловые насосы могут извлекать тепловую энергию из воздуха положительной температуры, но плохо работают при отрицательной. Геотермальные насосы способны обогреть дом даже в сильный мороз, но их применение в осенне-зимний период не всегда является оправданным. Для каждой климатической зоны выбор оборудования осуществляется индивидуально. В домашнем хозяйстве наилучшим образом себя рекомендует комбинация разных типов устройств.

Шесть главных вопросов о тепловых насосах

Хотя тепловые насосы и получили широкую известность, многим свойственно сомневаться в их экономической выгоде. Тем не менее, существует всего шесть вопросов, ответы на которые дадут полное представление о преимуществах тепловых насосов.

Что представляет собой геотермальная система в частном доме

В загородном доме система занимает столько же места, сколько заняла бы обычная газовая котельная. Можно разделить установку на две части: видимую и скрытую. На виду у владельца будут функциональные элементы: тепловой и циркуляционные насосы, обвязка, краны, фильтры, измерительные приборы и автоматика. Скрытым от человеческих глаз останется первичный теплообменник, спрятанный глубоко под землей. Система полностью бесшумна и может быть размещена даже на улице. Сборка и наладка могут быть произведены самостоятельно, но при желании можно обратиться в специализированную монтажную компанию, полный спектр услуг будет стоить от $1000.

Насколько эффективна работа насоса

Для обеспечения комфортного климата в жилых помещениях достаточно температуры воды в контуре отопления 40–45 °C. Если газовые котлы нагревают воду с избытком, а их автоматика рассчитана на значительно больший диапазон температур при срабатывании, то тепловые насосы поддерживают постоянную температуру, работая непрерывно. Если помещения закрытые и только периодически проветриваются — можно быть уверенным, что температура внутри них будет достигать 30 градусов. С использованием более мощных установок становится возможным как наличие проточной горячей воды для бытовых нужд, так и подогрев бассейнов.

Варианты размещения теплообменников

Многих людей, столкнувшихся с ГТО-системами, интересует вопрос о размещении первичного теплообменника. Он может быть расположен на глубине до трех метров под землей и иметь горизонтальную ориентацию. При этом на прилегающем к дому участке роется глубокий котлован, в котором размещается кольцевой змеевик теплообменника.

Современные системы способны работать и с вертикальным размещением первичного контура. Этот вариант более предпочтителен с точки зрения сохранности ландшафта приусадебного участка, хотя и требует наличия дополнительного оборудования — циркуляционных насосов высокого давления. При вертикальном расположении первичного контура на участке бурят от трех скважин, глубина которых может достигать в отдельных случаях100 м. В скважину помещается петля трубопровода (зонд), которая соединяется с общим коллектором. Бурение скважин нельзя произвести без специального оборудования, а потому следует прибегнуть к помощи профессионалов. Стоимость такой услуги зависит от условий проведения работ и глубины бурения, но менее чем на $450 за устройство одной скважины рассчитывать не стоит.

Обслуживание оборудования

Принцип действия и устройство систем автоматики в тепловых насосах сильно отличаются от их аналогов, применяемых в тандеме с газовым оборудованием. Характеризуется высокой технической сложностью и ряд функциональных агрегатов: испарителей, компрессоров и систем промежуточного теплообмена. Несмотря на очевидную сложность, тепловые насосы не требуют обслуживания в процессе эксплуатации. Единственный подверженный сильному износу элемент — компрессор, который имеет срок эксплуатации более 30 лет и легко заменяется. Сам же насос фабричной сборки может служить до ста лет без плановых ремонтов. Система автоматики также не требует специального обслуживания и легко управляется через единый цифровой контроллер.

Сколько стоит производство энергии таким методом

Системы отопления, основанные на тепловых насосах, отличаются крайне низким потреблением электроэнергии. При наибольшей разнице температур в первичном и вторичном теплообменниках, система выдает тепловую мощность втрое большую, чем потребляемая электрическая. При минимальной разнице температур воздуха и источника тепла (до 12–14 градусов) потребление энергии будет в семь раз меньше, чем производимое количество теплоты. При желании потребителя пойти дальше, обеспечив полную автономность системы и избежав материальных затрат на электричество, можно прибегнуть к помощи солнечной энергии: установка на 3 кВт будет компактной и не потребует больших денежных вложений.

С какими инстанциями нужно согласовывать установку подобных приборов

На установку теплового насоса не требуется каких либо специальных разрешений или проектной документации. Единственным исключением могут стать коммерческие объекты и муниципальные заведения, оснащение которых таким отоплением должно сопровождаться актами экологического соответствия и сертификатами на используемое оборудование. К счастью, тепловые насосы любого типа являются экологически безопасными и соответствуют всем нормам производственной и бытовой санитарии.

Производители тепловых насосов

Мировой и отечественный рынки тепловых насосов активно развиваются, что создает высокую конкуренцию и ощутимый демпинг цен. Нельзя сказать, что некоторые производители обладают абсолютным превосходством над другими: каждый имеет свои преимущества и недостатки. Однако можно разбить рынок оборудования на три сегмента.

Тепловые насосы европейского производства

Одним из основных поставщиков геотермального оборудования является Европа, где такие установки применяются очень давно, а технология их изготовления тщательно отработана. Особых отличий между европейскими брендами нет, разве что некоторые компании стремятся сделать установки более компактными и бесшумными. Отлично сочетаются технические характеристики тепловых насосов у швейцарского концерна NIBE.

К достоинствам данного производителя можно отнести огромный опыт в массовом производстве теплового оборудования. Компания специализируется именно на создании и совершенствовании установок, работающих на экологически безопасных источниках энергии. Начиная с 1949 года NIBE купила более двадцати крупнейших производителей высокоточного оборудования в Европе, Азии и Северной Америке. Это позволило предприятию обеспечить своим агрегатам наибольший срок службы за счет использования компонентов от самых известных мировых производителей. Но и цена за такое приобретение будет соответствующей: от 7 тысяч евро для насоса тепловой мощностью в 5 кВт.

Российские производители тепловых насосов

Российский рынок также не стоит на месте. Всего за пару десятков лет в России появились и получили развитие несколько крупных компаний, специализирующихся на производстве тепловых насосов.

Наиболее крупные и активно совершенствующие свою продукцию — компании ПЭА, ALTAL и Henk. Главная особенность отечественного производителя — наилучшее соотношение цены и качества. При обеспечении срока эксплуатации оборудования от 50 лет и предоставлении гарантийного и сервисного обслуживания, насосы малой мощности будут иметь цену в диапазоне 2,6–3,7 тысяч долларов.

Большинство русских компаний производят оборудование по заграничным патентам и франшизе, а это дает гарантию того, что оборудование является качественным и пригодным для использования в отечественных условиях.

Тепловые насосы, произведенные в Китае

Самой низкой стоимостью обладают тепловые насосы китайского производства. Компаний-производителей, как таковых, в Китае не наблюдается: каждый насос имеет узкий модельный ряд, который назван короткой аббревиатурой.

Отличительная черта китайских производителей — очень низкая цена и сомнительное качество. Так, тепловой насос с полезной мощностью в 12 кВт обойдется в 1100–1300 долларов без учета таможенной пошлины и затрат на перевозку. Относительно качества продукции нельзя дать однозначного заключения: некоторые агрегаты работают по году и выходят из строя, но есть и такие, которые уже 5 или 7 лет продолжают исправно вырабатывать тепло. К счастью, китайские насосы имеют блочное устройство и все комплектующие могут быть легко заменены.

По заявлениям многих энергетических компаний, в течение следующего десятилетия 95% используемого в индивидуальных хозяйствах отопительного оборудования будут составлять тепловые насосы. Этому способствует их безопасность и неприхотливость, а также возрастающее стремление человечества сохранить природные ресурсы. Но все же главным аргументом остается постоянно растущая цена на газ и электричество, что заставляет потребителей искать альтернативные, менее дорогостоящие варианты отопления.

Источник