ПРИНЦИП РОБОТИ ТЕПЛОВОГО НАСОСА
Тепловий
насос — 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.
Кожна теплонасосна система
має наступні складові компоненти:
- Бак-акумулятор — теплоізольована ємкість, призначена для
акумулювання наргрітої 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 (тепловго насоса), циркуляційного насоса грунтового 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).
Конструкція й основні елементи типового парокомпресійного
теплового насоса показана на малюнку нижче.
Схема теплового насоса
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 (грунту, природної водойми, зовншінього повітря) і "перекачуєтсья" 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.
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.
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 теплоомінник - 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 холодагнету 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:
ε = Т2/( Т2- Т1),
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 енегрії 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) грунтового 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 продажа 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).
Кількість годин роботи теплового насоса при температурі бівалентності -5°С
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 грунт-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.
Парокомпресійний цикл теплового насосу
Розрахунок коефіцієнта перетворення (трансформації) СОР теплового насоса
З метою наближення до простого циклу Карно, а фактично – з метою створення максимально ефективного в роботі теплового насосу, необхідно прагнути до підводу тепла за умов, близьких до ізотермічних. Для цього підбираються робочі тіла, що змінюють агрегатний стан при необхідних температурах і тисках. Вони поглинають тепло при випаровуванні і віддають при конденсації. Ці процеси утворюють ізотерми циклу. Стиснення пари, як правило, вимагає щоб пара була сухою, що зумовлено особливостями механіки більшості компресорів. Попадання рідини разом з парою на вхід компресора може зашкодити його клапанам, а надходження великої кількості рідини в компресор може взагалі вивести його з ладу (якщо не прийняті запобіжні заходи).
Цикл з механічною компресією пари та його зображення в p–V (тиск – питомий об’єм) діаграмі показані на рисунку нижче.
Термодинамічний цикл теплового насосу в p-V діаграмі
1-2 – відбір теплоти від низькотемпературного джерела, холодоагент закипає; 2-3 – процес стиснення холодоагенту в компресорі; 3-4 – передача теплоти в систему опалення та конденсація холодоагенту в конденсаторі; 4-1 – процес дроселювання рідкого холодоагенту до початкових умов.
Розглянуто цикл тільки з сухою компресією пари і розширенням у дросельному клапані. Цей клапан представляє собою регульоване сопло або капілярну трубку. Відсутність розширювальної машини в циклі означає, що деяка кількість корисної роботи втрачається і СОР зменшується. Як правило, це виправдано тим, що вартість розширювальної машини не окупається отриманою на ній роботою. Процес розширення в соплі незворотній. Зазвичай він розглядається як адіабатичний, тобто проходить без підведення або відведення тепла – при розширенні робочого тіла.
Тепер продемонструємо цикл іншим способом, за допомогою широко застосовуваної на практиці для парокомпрессіоних циклів діаграми тиск – питома ентальпія (ln p – h), представленої на рисунку нижче.
Термодинамический цикл теплового насоса в ln p-h диаграмме
Стиснуте робоче тіло під високим тиском залишає компресор в точці 1. Оскільки на вхід до компресора надходила тільки суха пара і завдяки нахилу ліній постійної ентропії, в точці 1 пара перегріта. Перш ніж пара почне конденсуватися в точці 2, її слід охолодити при постійному тиску. Між точками 2 і 3 відбувається конденсація при постійній температурі (якщо немає витоків пари). Звідси видно, що теплообмінний апарат, в якому відбувається конденсація (конденсатор), завжди повинен бути розрахований на прийом перегрітої пари. Адіабатичне розширення зображується в р-h діаграмі вертикальною прямою 3-4, і в цьому одна з ознак зручності такої діаграми. Для розрахунку циклу необхідно знати параметри робочого тіла тільки на вході в компресор і виході з нього. Все інше зображується прямими лініями. Випаровування відбувається при постійних тиску і температурі між точками 4 і 5. Слід зазначити, що розширення відбувається фактично в суміші рідини і пари. Суміш на вході у випарник містить значну частку пара, іноді до 50% за масою, і ця частка холодоагенту, відповідно, вже не бере участі в процесі випаровування і поглинанні теплоти. Між точками 5 і 1 відбувається ізоентропійне стиснення сухої пари. На практиці його реалізувати не можливо, але тут розглянуто ідеалізований цикл. Його ефективність менше, ніж у циклу Карно із-за незворотності процесу розширення.
Розглянемо ще одну важливу перевагу р-h діаграми. Оскільки на горизонтальній осі відкладається ентальпія, вона допускає прямий відлік Q1, Q2 та W. Тому з діаграми витікає просте співвідношення Q1=Q2+W. У той же час дана діаграма дозволяє відразу оцінити значення СОР. Очевидно, що воно буде тим вище, чим менше інтервал тисків 3-4 (або, що те ж саме, чим менше інтервал температур).
Для отримання високого СОР значення Q1 повинно бути велике, а W (робота стиснення) повинна бути мала. Також при розгляді р-h діаграми будь-якого з холодоагентів можна досить швидко оцінити його придатність до роботи.
Реальний парокомпресійний цикл теплового насоса
Робочі цикли, розглянуті вище, дещо ідеалізовані. Хоча в них і враховувалися практичні обмеження, пов'язані з необхідністю стиснення тільки сухої пари, а також відсутність розширювальної машини, проте припускалось, що ККД всіх елементів дорівнює 100%. Розглянемо тепер, чим реальна машина відрізняється від ідеальної.
Головним компонентом теплового насоса є компресор. Як вже було сказано, компресор повинен стискати тільки сухий пар і робоче тіло на вході в компресор повинно бути дещо перегріто. Перегрів створює зону безпеки для зменшення потрапляння крапель рідини до компресору. Це досягається ціною деякого збільшення об’єму компресора, оскільки він повинен стискати більш розріджений пар при тій же масовій витраті. Більш серйозна проблема полягає в підвищенні температури на виході з компресора, значення якої обмежується стійкістю вихлопних клапанів.
Інше істотне відхилення від ідеалізованого циклу визначається ККД компресора. Через теплообмін між робочим тілом і компресором і незворотністю течії всередині останнього, підвищення ентальпії в ньому більше, ніж у ідеалізованому циклі, що також підвищує вихідну температуру. Підвищення ентальпії оцінюється ізоентропічним ККД компресора. На практиці поршневі компресори мають ізоентропічний ККД близько 70%. Відзначимо, що ізоентропічне стиснення вимагає мінімальної роботи при неохолоджуваному компресорі. Роботу можна знизити шляхом його охолодження, але оскільки завданням теплового насоса є віддача теплоти при високій температурі, таке охолодження невигідне або фактично неможливе.
Існують ще два показники ефективності компресора: механічний ККД (показує, яка частка роботи, підведеної до валу компресора, віддана робочому тілу – зазвичай він дорівнює 95%) і об'ємний ККД, який впливає не на СОР, а на капіталовкладення в обладнання, так як визначає розміри компресора (його значення також в районі 95%).
Втрати є і в інших елементах робочого циклу, а не тільки в компресорі. Коли робоче тіло проходить через теплообмінник, тиск дещо падає, наслідком чого є відхилення від ізотермічних умов при теплообміні. Фактично, відхилення зазвичай не перевищує 1 градуса. Воно проявляється як у випарнику, так і в конденсаторі.
Розглянемо на прикладі реальний парокомпресійний цикл теплового насосу, в якому в якості холодоагенту використовується фреон R–134а .
Парокомпресійний цикл теплового насосу з використанням холодоагенту R–134а в діаграмі
Розрахуємо СОР для теплового насосу, у якому використовується холодоагент R-134a.
По-перше, необхідно вибрати температури випаровування та конденсації холодоагенту. Вони залежать від розмірів теплообмінників.
Приймемо температури випаровування та конденсації рівними – Твип=8°С та Тконд=40°С.
Зображення циклу завжди починається зі стиснення. Приймемо, що перегрів пари на вході в компресор (т. А на рисунку вище) становить 5°С, тоді температура перед компресором складатиме ТА=13°С.
В точці А питома ентальпія дорівнює
.
Провівши по ізоентропі лінію до перетину с ізобарою 1.5 МПа, яка відповідає температурі конденсації 40°С, отримаємо умови на виході із компресору в точці В з питомою ентальпією
.
Реальні умови на виході із компресору в точці С розраховуються за допомогою ізоентропійного ККД
.
звідки випливає, що при (для поршневого компресору)
ентальпія в точці С становить
Зміну ентальпії в конденсаторі і відповідну точку D при
знаходимо по перетині ізобари конденсації з лівою пограничною кривою, нехтуючи при цьому падінням тиску при теплообміні.
У точку Е прийдемо шляхом дроселювання (при постійній ентальпії) рідкого холодоагенту до початкових параметрів.
Таким чином, для реального циклу коефіцієнт перетворення COP визначається за залежністю
Крім того, необхідно пам’ятати про механічний ККД компресора, котрий потребує затрати додаткової роботи. Отже, повний COP теплового насосу становить
Оскільки тепловий насос досить складний пристрій, що оснащується сучасною автоматикою, не намагайтеся зробити його власноруч! Крім того, ви повинні розуміти, що не достатньо просто купити тепловий насос, система потребує правильного розрахунку, кваліфікованих проектувальників і якісного монтажу.
Ціни на теплові насоси, що пропонуються нашою компанією, показані тут.
Вибір найкращого для Вас варіанту – наше завдання.
При використанні матеріалів з сайту, посилання на www.progress21.com.ua є обов'язковим.