Основні відомості про теплові насоси

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основні відомості про теплові насоси

1. Загальна інформація

Тепловий насос (теплонасос) - це спеціальний пристрій, що поєднує в собі котел, джерело гарячого водопостачання і кондиціонер для охолодження. Головною відмінністю теплонасоса від інших джерел тепла є можливість використання низькопотенційної енергії, взятої з навколишнього середовища (землі, води, повітря, стічних вод), для покриття потреб у теплі під час опалення, нагріву води, а також для виробництва холоду і охолодження будинку. Через це тепловий насос забезпечує якісне енергопостачання без газу та інших горючих джерел теплоти.

Тепловий насос - це установка, яка працює за принципом зворотної холодильної машини, передаючи тепло від джерела низької температури до середовища з більш високою температурою, наприклад, до системи опалення в будинку. тепловий насос ґрунтовий повітря

Кожна теплонасосна система має наступні складові компоненти:

- Бак-акумулятор - теплоізольована ємкість, призначена для акумулювання нагрітої води, з метою вирівнювання теплових навантажень та безперебійного гарячого водопостачання, це також подовжує строк роботи теплового насоса.

- Первинний ґрунтовий контур - закрита система, яка складається з випарника (теплового насоса), циркуляційного насоса ґрунтового контуру, трубопроводів, і призначена для передачі тепла від ґрунту до теплонасосної установки.

- Вторинний ґрунтовий контур - закрита система, яка включає в себе конденсатор (теплового насоса), циркуляційний насос, трубопроводи, і служить для передачі тепла від теплового насоса до системи опалення у будинку.

Принцип роботи теплового насоса подібний до роботи звичайного холодильника, тільки навпаки. Холодильник забирає тепло від харчових продуктів і переносить його назовні. Теплонасос переносить тепло, накопичене в ґрунті, землі, водоймі, підземних водах чи повітрі, до будинку. Як і холодильник, цей енергоефективний теплогенератор має наступні основні елементи:

- Конденсатор (високоефективний теплообмінник, в якому відбувається відбір тепла від холодоагенту і передача його до елементів системи опалення приміщення: низькотемпературних радіаторів, фанкойлів, теплій підлозі тощо);

- Дросель (пристрій, що служить для зниження тиску, температури і, як наслідок, замикає теплофікаційний цикл у тепловому насосі);

- Випарник (теплообмінник, в якому відбувається відбір тепла від низькотемпературного джерела до теплового насосу);

- Компресор (пристрій, що підвищує тиск і температуру пари холодоагенту).

Тепловий насос влаштований таким чином, щоб примусити тепло рухатися в зворотному напрямку. Наприклад, під час нагріву будинку, тепло відбирається від якого-небудь холодного зовнішнього джерела (ґрунту, природної водойми, зовнішнього повітря) і "перекачується" в будинок. Для охолодження (кондиціонування) будинку тепло відбирається від більш теплого повітря в будинку і передається назовні. У цьому відношенні тепловий насос також схожий на звичайний гідравлічний насос, який перекачує рідину з нижнього рівня на верхній, тоді як у звичайних умовах рідина завжди рухається з верхнього рівня на нижній.

Конструкція й основні елементи типового парокомпресійного теплового насосу показана на рис.

На сьогоднішній день найбільш поширеними є парокомпресійні теплові насоси. В основу принципу їх дії лежать два термодинамічні явища: по-перше, поглинання і виділення тепла рідиною при зміні агрегатного стану - випаровування і конденсація, відповідно; по-друге, зміна температури випаровування (і конденсації) при зміні тиску.

Рис. Схема теплового насоса

У випарнику теплового циркулює насоса робоче тіло - холодоагент, який не містить хлору, - він знаходиться під низьким тиском і кипить при низькій температурі, при цьому вбираючи тепло низькопотенційного джерела. Після цього робоче тіло стискується в компресорі, який живиться від електричного або іншого двигуна, і подається в наступний теплообмінник - конденсатор, де при високому тиску починає конденсуватися, при цьому, маючи більш високу температуру, холодоагент віддає тепло, виділене при конденсуванні, приймачу тепла, тобто, воді, що циркулює в системі опалення. З конденсатора робоче тіло проходить через дросель і знову потрапляє у випарник. У дроселюючому пристрої тиск холодоагенту знижується. Таким чином цикл замикається, і процес кипіння холодоагенту починається знову.

Тепловий насос здатний відбирати тепло від декількох джерел, наприклад, повітря, води або землі. Таким же шляхом він може скидати тепло в повітря, воду або землю. Тепліше середовище, яке сприймає тепло, називається теплоприймачем. Залежно від типу джерела і приймача тепла, випарник і конденсатор можуть бути виконані як теплообмінники типу "повітря-рідина", так і "рідина-рідина".

Регулювання роботи системи опалення з використанням теплових насосів у більшості випадків здійснюється за допомогою його включення і виключення за сигналом датчика температури, який встановлений у приймальнику (при нагріванні) або джерелі (при охолодженні) тепла. Налаштування теплового насоса зазвичай здійснюється зміною перерізу дроселя (теплорегулюючі вентиля).

Подібно до всіх інших холодильних машин, тепловий насос використовує механічну (електричну або іншу) енергію для реалізації термодинамічного циклу. Ця енергія затрачається на привід компресора. Коефіцієнт перетворення теплової енергії (або коефіцієнт ефективності) теплового насосу - це відношення кількості виробленої теплової енергії до кількості енергії (електричної), затраченої на привід теплового насоса. Він залежить від температур у випарнику і конденсаторі. Значення коефіцієнта перетворення коливається для різних систем в межах від 2,5 до 7, що означає, що на 1 кВт спожитої електричної енергії тепловий насос виробляє від 2,5 до 7 кВт теплової енергії, а це, погодьтеся, не під силу ні конденсаційному газовому котлу, ні будь-якому іншому генератору тепла. Тому можна стверджувати, що парокомпресійні теплові насоси виробляють тепло, використовуючи мінімальну кількість дорогої електричної енергії.

Температурний рівень теплопостачання від теплових насосів - 35-60 ° С. Економія енергетичних ресурсів досягає 75 %.

Теоретичний коефіцієнт перетворення ідеального теплового насоса розраховується за формулою Карно:

(1.1)

де Т₂ - температура конденсації, а Т₁ - температура кипіння холодильного агента, в градусах Кельвіна. Якби тепловий насос працював по ідеальному циклу, то при температурі кипіння +5 °С (Т₁ = 278К) і при температурі конденсації 55 °С (Т₂ = 328К) він міг би працювати з коефіцієнтом перетворення, рівним 6,56. Насправді коефіцієнт СОР дещо менше, тому що повністю ідеальних теплових машин не існує.

Ефективне зберігання енергії при опаленні будинків з використанням теплового насоса досягається завдяки тому, що теплонасосна установка більше ніж дві третини виробленої теплової енергії "витягує" з навколишнього середовища: ґрунту, водойм, повітря, підземних вод або іншого джерела.

Зовнішній контур (колектор) ґрунтового теплового насоса представляє собою укладений в ґрунт або воду поліетиленовий трубопровід, в якому протікає незамерзаюча рідина. Одначе джерелом тепла також може бути озеро, річка, море, і навіть зовнішнє і вентиляційне повітря.

Енергозбереження та ефективність використання теплового насоса в першу чергу залежить від того, звідки ви вирішите черпати низькотемпературне тепло, в другу - від способу опалення вашого будинку (водою або повітрям). Справа в тому, що тепловий насос працює як перевалочна база між двома тепловими контурами: одним, гріючим на вході (на стороні випарника) і другим, опалювальним, на виході (конденсатор). За видом теплоносія у вхідному і вихідному контурах теплові насоси діляться на шість типів: ґрунт-вода, вода-вода, повітря-вода, ґрунт-повітря, вода-повітря, повітря-повітря.

У вітчизняних умовах поки що застосовуються лише перші три і останній. Повітряне опалення з використанням теплового насоса в Україні приживається погано, хоча і має свої переваги (наприклад, в США продаж повітряних теплових насосів є найбільшою). Для всіх типів теплонасосів є характерним ряд особливостей, про які потрібно пам'ятати при виборі моделі. По-перше, тепловий насос виправдовує себе лише в добре утепленому будинку, тобто з тепловтратами не більше 65 Вт/м2. Чим тепліший будинок, тим більша вигода при використанні цього пристрою. Як ви розумієте, опалювати вулицю з допомогою теплового насоса, збираючи з неї ж крихти тепла, не зовсім розумно. По-друге, чим більше різниця температур теплоносіїв у вхідному й вихідному контурах, тим менший коефіцієнт перетворення тепла (СОР), тобто менша економія електричної енергії. Саме тому більш вигідне підключення теплового насосу до низькотемпературних систем опалення. Перш за все, мова йде про опалення водною теплою підлогою або теплим повітрям з використанням фанкойлів, оскільки в цих випадках теплоносій (наприклад, вода) за медичними вимогами не повинен бути гарячіше 35-40 °С. Чим більш гарячу воду тепловий насос готує для вихідного контуру (радіаторів або душової), тим меншу потужність він розвиває і тим більше споживає електрики. По-третє, для досягнення більшої вигоди практикується експлуатація теплового насоса з додатковим генератором тепла (у таких випадках говорять про використання бівалентної схеми опалення).

У будинку зі значними тепловими втратами ставити тепловий насос великої потужності не вигідно. Він буде працювати на повну силу не більше місяця, оскільки кількість дійсно холодних днів не перевищує 10-15 % від тривалості опалювального періоду, а капітальні витрати на теплонасосну систему, особливо типу ґрунт-вода, будуть значними, якщо теплову потужність системи збільшити навіть на декілька кВт. Тому часто потужність теплонасоса вибирають рівною 70-80 % від розрахункового опалювального навантаження, при цьому він буде покривати всі потреби будинку в теплі доти, поки зовнішня температура повітря не опуститься нижче певного розрахункового рівня (температура бівалентності), наприклад мінус 10-15 °С. З цього моменту в роботу включається другий генератор тепла. Є багато варіантів використання теплового насоса з додатковим джерелом тепла. Найчастіше таким помічником служить невеликий електричний нагрівач, але можна поставити і газовий, твердопаливний або рідкопаливний котел [1].

Рис. 1.2. Кількість годин роботи теплового насоса при температурі бівалентності -5 °С

Теплові насоси поділяються на наступні види:

1. Геотермальні (використовують тепло землі, наземних або підземних ґрунтових вод) або так звані ґрунтові теплові насоси

v замкнутого типу:

ь горизонтальні ґрунтові теплові насоси (рис. 1.3.). Колектор розміщується на площині горизонтально нижче глибини промерзання ґрунту (зазвичай від 1,20 м і більше). Цей спосіб можливо застосовувати за умови наявності земельної площі під контур.

ь вертикальні ґрунтові теплові насоси (рис. 1.4). Колектор розміщується вертикально у свердловини глибиною до 200 м;

ь водні або водяні теплові насоси. Колектор розміщується у водоймі (озеро, ставок, річка) нижче глибини промерзання.

Рис. 1.3. Тепловий насос з горизонтальним ґрунтовим колектором

v відкритого типу (рис. 1.5). У такій системі вода після віддачі тепла повертається назад у землю.

Рис. 1.4. Тепловий насос з вертикальним ґрунтовим колектором

Рис. 1.5. Тепловий насос відкритого типу з використанням ґрунтових вод

2. Повітряні теплові насоси (рис. 1.6). Джерелом відбору тепла є повітря навколишнього середовища.

Рис. 1.6. Повітряний тепловий насос

2. Основні переваги та недоліки теплових насосів

· Економічність. Тепловий насос використовує електричну енергію на багато ефективніше електричних котлів, адже споживаючи 1 кВт електроенергії тепловий насос видає 4,5 кВт теплової енергії, в той час як електрокотел на 1 кВт витраченої електроенергії видає той же 1 кВт тепловій енергії. Єдиний раз інвестувавши в систему опалення ви будете застраховані в майбутньому від постійного зростання цін на традиційні енергоносії.

· Екологічність. При спалюванні палива (газовий та твердопаливний котел, піч, камін) утворюються шкідливі окиси типу CO, СO₂, NО_х, SO₂, PbО₂ і навколо будинку на ґрунті з'являються сліди сірчаної, азотистої, фосфорної кислот і бензольних з'єднань. У тепловому насосі не відбувається спалювання тому й шкідливих викидів немає. Окрім того тепловий насос - прилад низькотемпературний, тому застосовується здебільшого для обігріву приміщень шляхом теплих підлог, а тепла підлога, як ми знаємо, створює більш рівномірний прогрів приміщення, що забезпечує додатковий комфорт та корисніше для здоров'я (адже немає конвекції, яку створюють радіатори, а значить немає руху пилу в повітрі).

· Універсальність. Теплові насоси, обладнані реверсивним клапаном, працюють як на опалення, так і на охолодження. Влітку тепловий насос може відбирати тепло з повітря приміщення, охолоджуючи його, а надлишкове тепло віддавати для підігріву води або для басейну.

· Безпека. Теплові насоси вибухо- і пожежобезпечні. У процесі опалення відсутні небезпечні гази, відкритий вогонь або шкідливі суміші. Деталі теплового насоса не нагріваються до високих температур, здатних стати причиною пожежі. Зупинка теплового насоса не приведе до його поломки, ним можна сміло користуватися після тривалого простою. Також виключене замерзання рідин у компресорі або інших складових частинах [2].

Список використаних джерел

1. Принцип роботи теплового насоса - Прогрес - XXI нові енергетичні системи - http://progress21.com.ua/ua/heat-pumps/operating-principle.

2. Тепловий насос: надійна інвестиція у майбутнє - Інжинірингова компанія "ТеплоВам" - http://teplovam.com/index.php/opalennya/5-teplovi-nasosy.

3. Биомасса как источник энергии/ под. ред. С. Соуфера, О. Заборски. - М.: Мир, 1985. - 368 с.

4. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика. - М.: Колос, 1982. - 148 с.

5. И.В. Семененко. Проектирование биогазовых установок. - Сумы: ПФ МакДен, ИПП Мрия-1 ЛТД. - 1996. - 347 с.

6. Веденеев А.Г., Веденеева Т.А., ОФ "Флюид". Биогазовые установки в Кыргызской республике. - Б.: Евро. - 2006. - 90 с.

Размещено на Allbest.ru