1. Умовний ККД теплових насосів [ правити | правити код ]
2. Вибір потужності повітряного теплового насоса [ правити | правити код ]
3. Відбір тепла від повітря [ правити | правити код ]
4. Відбір тепла від гірської породи [ правити | правити код ]
5. Відбір тепла від грунту [ правити | правити код ]
6. Різне [ правити | правити код ]
7. Відбір тепла від водойми [ правити | правити код ]
8. Обмеження застосовності теплових насосів [ правити | правити код ]
9. Основні схеми опалення із застосуванням теплових насосів [ правити | правити код ]

Тепловий насос - пристрій для переносу теплової енергії від джерела низькопотенційної теплової енергії (з низькою температурою) до споживача (теплоносія) з більш високою температурою [1] . термодинамічно тепловий насос аналогічний холодильній машині . Однак якщо в холодильній машині основною метою є виробництво холоду шляхом відбору теплоти з будь-якого обсягу випарником, а конденсатор здійснює скидання теплоти в навколишнє середовище, то в тепловому насосі картина зворотна. конденсатор є теплообмінних апаратом, що виділяють теплоту для споживача, а випарник - теплообмінних апаратом, утилізують низькопотенційну теплоту: вторинні енергетичні ресурси і (або) нетрадиційні поновлювані джерела енергії.

за прогнозами Міжнародного енергетичного агентства , Теплові насоси будуть забезпечувати 10% потреб в енергії на опалення в країнах ОЕСР до 2020 року і 30% - до 2050 року [ Джерело не вказано 1 385 днів ]

Основу експлуатованого сьогодні в світі парку теплонасосного обладнання складають парокомпресійні теплові насоси, але застосовуються також і абсорбція, електрохімічні та термоелектричні.

Якщо ж цю роботу використовувати для приведення в дію теплового насоса, то одержувана нагрівається тілом теплота Q o u t {\ displaystyle Q_ {out}} буде більше, ніж здійснюються робота A: Q o u t> A {\ displaystyle A: Q_ {out}> A} . Нехай температура води в системі опалення дорівнює T o u t {\ displaystyle T_ {out}} , А температура навколишнього опалювальне приміщення середовища дорівнює T i n {\ displaystyle T_ {in}} , Причому T i n <T o u t {\ displaystyle T_ {in} <T_ {out}} . Тоді отримується опалювальною системою кількість теплоти Q out = AT out T out - T in = A 1 + 1 - T in T out {\ displaystyle Q_ {out} = A {\ frac {T_ {out}} {T_ {out} -T_ {in}}} = A {\ frac {1} {1 - {\ frac {T_ {in}} {T_ {out}}}}}} . Таким чином, чим менше температура опалювальної системи T o u t {\ displaystyle T_ {out}} відрізняється від температури навколишнього середовища T i n {\ displaystyle T_ {in}} , Тим більший виграш дає тепловий насос в порівнянні з безпосереднім перетворенням роботи в теплоту [2] .

Величину K = T o u t T o u t - T i n {\ displaystyle K = {\ frac {T_ {out}} {T_ {out} -T_ {in}}}} називають коефіцієнтом трансформації теплового насоса. Коефіцієнт трансформації теплового насоса, або теплонасосної системи теплопостачання (ТСТ) «Ktr» представляє собою відношення корисного тепла, що відводиться в систему теплопостачання споживачеві, до енергії, що витрачається на роботу теплонасосної системи теплопостачання, і чисельно дорівнює кількості корисного тепла, одержуваного при температурах Тоut і Тin , на одиницю енергії, витраченої на привід ТН або ТСТ. Реальний коефіцієнт трансформації відрізняється від ідеального, описаного формулою (1 1), на величину коефіцієнта h, враховує ступінь термодинамічної досконалості ГТСТ і незворотні втрати енергії при реалізації циклу. В [3] наведені залежності реального і ідеального коефіцієнтів трансформації (К тр) теплонасосної системи теплопостачання від температури джерела тепла низького потенціалу Тin і температурного потенціалу тепла, що відводиться в систему опалення Тоut. При побудові залежностей, ступінь термодинамічної досконалості ТСТ h була прийнята рівною 0,55, а температурний напір (різниця температур хладону і теплоносія) в конденсаторі і в випарнику теплових насосів дорівнював 7 ° C. Ці значення ступеня термодинамічної досконалості h і температурного напору між хладоном і теплоносіями системи опалення та теплосбора представляються близькими до дійсності з точки зору врахування реальних параметрів теплообмінної апаратури (конденсатор і випарник) теплових насосів, а також супутніх витрат електричної енергії на привід циркуляційних насосів, систем автоматизації , запірної і керуючої арматури.

У загальному випадку ступінь термодинамічної досконалості теплонасосних систем теплопостачання h залежить від багатьох параметрів, таких, як: потужність компресора, якість виробництва комплектуючих теплового насоса і необоротних енергетичних втрат, які, в свою чергу, включають:

• втрати теплової енергії в сполучних трубопроводах;
• втрати на подолання тертя в компресорі;
• втрати, пов'язані з неідеальної теплових процесів, що протікають в випарнику і конденсаторі, а також з неідеальної теплофізичних характеристик хладонов;
• механічні та електричні втрати в двигунах та інше.

У табл.1-1 представлені «середні» значення ступеня термодинамічної досконалості h для деяких типів компресорів, що використовуються в сучасних теплонасосних системах теплопостачання.

Таблиця 1-1. Ефективність деяких типів компресорів, що використовуються в сучасних теплонасосних системах теплопостачання [ Джерело не вказано 2731 день ]

Потужність, кВт Тип компресора Ефективність
(Ступінь термодинамічної досконалості)
h, частки од. 300-3000 Відкритий відцентровий 0,55-0,75 50-500 Відкритий поршневий 0,5-0,65 20-50 напівгерметичними 0,45-0,55 2-25 Герметичний, з R-22 0,35-0, 5 0,5-3,0 Герметичний, з R-12 0,2-0,35 <0,5 Герметичний <0,25

Як і холодильна машина, тепловий насос споживає енергію на реалізацію термодинамічної циклу (привід компресора). Коефіцієнт перетворення теплового насоса - відношення теплопродуктивності до електроспоживанню - залежить від рівня температур в випарнику і конденсаторі. Температурний рівень теплопостачання від теплових насосів в даний час може варіюватися від 35 ° C до 55 ° C, що дозволяє використовувати практично будь-яку систему опалення. Економія енергетичних ресурсів досягає 70% [4] . Промисловість технічно розвинених країн випускає широкий асортимент парокомпрессионних теплових насосів тепловою потужністю від 5 до 1000 кВт.

Концепція теплових насосів була розроблена ще в 1852 році видатним британським фізиком і інженером Вільямом Томсоном (Лордом Кельвіном) і в подальшому вдосконалена і деталізована австрійським інженером Петером Ріттер фон Ріттінгером . Петера Ріттера фон Ріттінгера вважають винахідником теплового насоса, адже саме він спроектував і встановив перший відомий тепловий насос в 1855 році [5] . Але практичне застосування тепловий насос придбав значно пізніше, а точніше в 40-х роках XX століття, коли винахідник-ентузіаст Роберт Вебер (Robert C. Webber) експериментував з морозильною камерою [6] . Одного разу Вебер випадково доторкнувся до гарячої трубі на виході камери і зрозумів, що тепло просто викидається назовні. Винахідник задумався над тим, як використовувати це тепло, і вирішив помістити трубу в бойлер для нагріву води. В результаті Вебер забезпечив свою сім'ю такою кількістю гарячої води, яке вони фізично не могли використовувати, при цьому частина тепла від нагрітої води потрапляла в повітря. Це підштовхнуло його до думки, що від одного джерела тепла можна нагрівати і воду, і повітря одночасно, тому Вебер удосконалив свій винахід і почав проганяти гарячу воду по спіралі (через змійовик ) І за допомогою невеликого вентилятора розповсюджувати тепло по будинку з метою його опалення. Згодом саме у Вебера з'явилася ідея «викачувати» тепло з землі, де температура не дуже змінювалася протягом року. Він помістив в грунт мідні труби, по яким циркулював фреон, який «збирав» тепло землі. Газ конденсировался, віддавав своє тепло в будинку, і знову проходив через змійовик, щоб підібрати наступну порцію тепла. Повітря приводився в рух за допомогою вентилятора і поширювався по дому. У наступному році Вебер продав свою стару вугільну піч.

У 1940-х роках тепловий насос був відомий завдяки своїй надзвичайній ефективності, але реальна потреба в ньому виникла після нафтової кризи 1973 року , Коли, незважаючи на низькі ціни на енергоносії, з'явився інтерес до енергозбереження .

В процесі роботи компресор споживає електроенергію. Співвідношення перекачується теплової енергії і споживаної електричної називається коефіцієнтом трансформації (або коефіцієнтом продуктивності ( англ. COP - скор. від coefficient of performance) і служить показником ефективності теплового насоса. Для обчислення COP використовується наступна формула:

де

C O P {\ displaystyle {COP}} - безрозмірний коефіцієнт; A {\ displaystyle A} - робота, здійснена насосом [Дж]; Q i n {\ displaystyle Q_ {in}} - теплота, що забирається тепловим насосом з джерела низько потенційного тепла [Дж]; Q c o n s u m e r {\ displaystyle Q_ {consumer}} - теплота, отримана споживачем [Дж]. k- коефіцієнт корисної дії

Величина A показує, яку роботу необхідно здійснити теплового насосу для «перекачування» певного обсягу тепла. Ця величина залежить від різниці рівня температур в випарнику і конденсаторі: тобто температура теплоносія в «холодній частині пристрою» повинна бути завжди нижче температури джерела низько потенційного тепла, щоб енергія від джерела низько потенційного тепла змогла довільно перетекти до теплоносія або робочого тіла (Другий закон термодинаміки) .

тобто COP = 2 означає, що тепловий насос переносить корисного тепла в два рази більше, ніж витрачає на свою роботу.

приклад:

Тепловий насос споживає Pтн = 1 кВт, COP = 3.0 - означає, що споживач отримує Pтн * COP = 1 * 3 = 3 кВт;

споживач отримує Рп = 3 кВт, COP = 3.0 - означає, що тепловий насос споживає Рп / COP = 3/3 = 1 кВт

вважаємо що ККД компресора або процесу його замінює 100%

З цієї причини тепловий насос повинен використовувати по можливості більш ємний джерело низько потенційного тепла, не прагнучи домогтися його сильного охолодження. Справді, при цьому зростає ефективність теплового насоса, оскільки при слабкому охолодженні джерела тепла зберігається можливість тепла мимовільно перетікати від джерела низько потенційного тепла до теплоносія. З цієї причини теплові насоси роблять так, щоб запас теплоти (С * m * T, c - теплоємність, m - маса, T - температура) низько потенційного джерела тепла був би якомога більше.

Наприклад: газ (робоче тіло) віддає енергію «гарячої» частини теплонасоса (для цього газ стискають), після чого охолоджують нижче джерела низько потенційного тепла (може бути використаний дросельний ефект (ефект Джоуля - Томсона)). Газ надходить в джерело низькопотенційного тепла і нагрівається від цього джерела, потім цикл повторюється.

Проблема прив'язки теплового насоса до джерела низько потенційного тепла, що має великий запас теплоти може бути вирішена введенням в тепловий насос системи перенесення тепла теплоносієм, який здійснює перенесення теплоти до робочого тіла. Таким посередником можуть бути речовини зі значною теплоємністю, наприклад вода.

Добре видно, щоб побудувати ефективну машину, необхідно підібрати таке робоче тіло, щоб для стиснення (для отримання тепла з робочого тіла) компресор використовував би мінімум енергії, і як можна нижче (різко зростає можливе число джерел) була б температура робочого тіла при підводі його до джерела низько потенційного тепла.

Умовний ККД теплових насосів [ правити | правити код ]

ККД теплового насоса призводить багатьох в замішання, так як якщо виконати «очевидний розрахунок», то він принципово більше 1, однак робота теплового насоса повністю підкоряється закону збереження енергії. Тобто якщо вважати тепловий насос «чорним ящиком», то дійсно, пристрій споживає енергії менше, ніж виробляє тепла, що принципово.

Однак, подібні розрахунки просто неправильні і не враховують джерело енергії, крім споживаної електрики. Таким джерелом зазвичай є тепле повітря або вода, нагріті Сонцем або геотермальними процесами. Електроенергія в пристрої не витрачається безпосередньо на нагрівання, а витрачається на «концентрацію» енергії джерела низько потенційного тепла, як правило забезпечуючи енергією роботу компресора. Тобто тепловий насос має два джерела енергії - електрика і джерело низько потенційного тепла, а офіційні дані не включають друге джерело, і виходять значення більше одиниці.

приклад:

Нехай тепловий насос споживає з електричної мережі 1 КВт і віддає споживачеві 4 Квт, і забирає з низько потенційного джерела 5 Квт.

Розрахунок типу Pпотребітеля / Pсеті = 4/1 = 4 - неправильний, тому що не враховує джерело низько потенційного тепла.

Правильний розрахунок для ККД теплового насоса:

Pпотребітеля / (Pсеті + Pісточніка) = 4 / (1 + 5) = 0.67

Як правило, оцінити, скільки тепловий насос переносить тепла з джерела низько потенційного тепла, досить важко, що і призводить до помилки.

Однак якщо в розрахунку врахувати і джерело низько потенційного тепла, то ККД машини стане принципово менше одиниці. Для уникнення плутанини були введені коефіцієнти: COP і ступінь термодинамічної досконалості. COP показує у скільки разів теплова енергія передана споживачу перевищує кількість роботи необхідної для перенесення тепла від низькопотенційного джерела, а ступінь термодинамічної досконалості показує наскільки реальний теплової цикл теплового насоса наближений до ідеального теплового циклу.

Вибір потужності повітряного теплового насоса [ правити | правити код ]

Після врахування кліматичних умов, аналізу системи розподілу тепла в будинку і визначення температури подачі в контурах, обліку можливого розташування основних блоків і допоміжних модулів - роблять розрахунок теплової теплового насоса. Теплова потужність ТН повинна бути достатньою, щоб повністю перекривати всі тепловтрати будівлі в найхолодніший період року.

Всі розрахунки краще довірити фахівцям, однак для попередньої оцінки потужності можна зробити і самостійний розрахунок.

Спочатку визначають теплове навантаження, необхідну для забезпечення будинку опаленням і гарячим водопостачанням.

Рот. = 0,050 * 200 = 10 кВт,

де 0,050 кВт / м2 - норма тепловтрат утепленого будинку; 200 - площа будинку.

Ргвс = 0,25 * 4 = 1кВт,

де 0,25 - теплова потужність для ГВС на 1 людину; 4 - кількість проживаючих в будинку людей.

Робщ. = 10 + 1 = 11кВт

З урахуванням різниці температур і точки бівалентності, розрахункове значення теплової потужності ТН:

РТН = (10 + 1) * (20 - (- 7)) / (20 - (- 22)) = 11 * 27/42 = 7,07кВт,

де +20, -7, -22 - значення температури повітря в приміщенні, температури точки бівалентності і зовнішньої розрахункової температури.

Аналогічно по відповідним теплопоступленія визначають необхідну потужність ТН при роботі на кондиціонування будинку. Потім вибирають модель з найближчими великими показниками.

Від правильності і грамотності проведення розрахунків залежить ефективність роботи системи тепло / холодопостачання.

Залежно від принципу роботи теплові насоси підрозділяються на компресійні і абсорбція . Компресійні теплові насоси завжди наводяться в дію за допомогою механічної енергії (електроенергії), в той час як абсорбція теплові насоси можуть також використовувати тепло в якості джерела енергії (за допомогою електроенергії або палива).
Також відомі напівпровідникові теплові насоси, які використовують у своїй роботі ефект Пельтьє [7] . Залежно від джерела відбору тепла теплові насоси підрозділяються на [8] :

1) Геотермальні (використовують тепло землі, наземних або підземних ґрунтових вод)

а) замкнутого типу

Колектор розміщується кільцями або извилисто в горизонтальних траншеях нижче глибини промерзання грунту (зазвичай від 1,2 м і більше) [9] . Такий спосіб є найбільш економічно ефективним для житлових об'єктів за умови відсутності дефіциту земельної площі під контур.

Колектор розміщується вертикально в свердловини глибиною до 200 м [10] . Цей спосіб застосовується у випадках, коли площа земельної ділянки не дозволяє розмістити контур горизонтально або існує загроза пошкодження ландшафту.

Колектор розміщується извилисто або кільцями у водоймі (озері, ставку, річці) нижче глибини промерзання. Це найбільш дешевий варіант, але є вимоги по мінімальній глибині і обсягом води у водоймі для конкретного регіону.

• З безпосереднім теплообміном (DX - скор. Від англ. direct exchange - «прямий обмін»)

На відміну від попередніх типів, холодоагент компресором теплового насоса подається по мідних трубках, розташованим:

• Вертикально в свердловинах довжиною 30 м і діаметром 80 мм
• Під кутом в свердловинах довжиною 15 м і діаметром 80 мм
• Горизонтально в грунті нижче глибини промерзання

Циркуляція холодоагенту компресором теплового насоса і теплообмін фреону безпосередньо через стінку мідної труби з більш високими показниками теплопровідності забезпечує високу ефективність і надійність геотермальної опалювальної системи. Також використання такої технології дозволяє зменшити загальну довжину буріння свердловин, зменшуючи таким чином вартість установки DX Direct Exchange Heatpump

б) відкритого типу
Подібна система використовує в якості теплообмінної рідини воду, яка циркулює безпосередньо через систему геотермального теплового насоса в рамках відкритого циклу, тобто вода після проходження по системі повертається в землю. Цей варіант можливо реалізувати на практиці лише при наявності достатньої кількості відносно чистої води і за умови, що такий спосіб використання грунтових вод не заборонений законодавством.

2) Повітряні (джерелом відбору тепла є повітря) Використовують як джерело низькопотенційної теплової енергії повітря. Причому джерелом теплоти може бути не тільки зовнішній (атмосферне) повітря, а й витяжний вентиляційний повітря (загальнообмінної або місцевої) вентиляції будівель [11] .

3) Використовують похідне (вторинне) тепло (наприклад, тепло трубопроводу центрального опалення). Подібний варіант є найбільш доцільним для промислових об'єктів, де є джерела паразитного тепла, яке вимагає утилізації .

По виду теплоносія у вхідному і вихідному контурах насоси ділять на вісім типів: «грунт-вода», «вода-вода», «повітря-вода», «грунт-повітря», «вода-повітря», «повітря-повітря» « фреон-вода »,« фреон-повітря ». Теплові насоси можуть використовувати тепло випускається з приміщення повітря, при цьому підігрівати припливне повітря - рекуператори .

Відбір тепла від повітря [ правити | правити код ]

Ефективність і вибір певного джерела теплової енергії сильно залежать від кліматичних умов, особливо, якщо джерелом відбору тепла є атмосферне повітря. По суті цей тип більш відомий у вигляді кондиціонера. У жарких країнах таких пристроїв десятки мільйонів. Для північних країн найбільш актуальний обігрів взимку. Системи «повітря-повітря» і «повітря-вода» використовуються і взимку при температурах до мінус 25 градусів, деякі моделі продовжують працювати до -40 градусів. Але їх ефективність невисока, близько 1.5 рази, а за опалювальний сезон в середньому близько 2.2 рази в порівнянні з електричними нагрівачами. При сильних морозах використовується додаткове опалення. Коли потужності основної системи опалення тепловими насосами недостатньо, включаються додаткові джерела теплопостачання. Таку систему називають бівалентної.

Відбір тепла від гірської породи [ правити | правити код ]

Скельна порода вимагає буріння свердловини на достатню глибину (100-200 метрів) або декількох таких свердловин. У свердловину опускається U-образний вантаж з двома пластиковими трубками, складовими контур. Трубки заповнюються антифризом. З екологічних міркувань це 30% розчин етилового спирту. Свердловина заповнюється ґрунтовими водами природним шляхом, і вода проводить тепло від каменю до теплоносія. При недостатній довжині свердловини або спробі отримати від грунту сверхрасчётную потужність, ця вода і навіть антифриз можуть замерзнути що і обмежує максимальну теплову потужність таких систем. Саме температура повертається антифризу і служить одним з показників для схеми автоматики. Орієнтовно на 1 погонний метр свердловини припадає 50-60 Вт теплової потужності. Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідна свердловина глибиною близько 170 м. Недоцільно бурити глибше 200 метрів, дешевше зробити кілька свердловин меншої глибини через 10 - 20 метрів один від одного. Навіть для маленького будинку в 110-120 кв.м. при невеликому енергоспоживанні термін окупності 10 - 15 років. Майже всі наявні на ринку установки працюють і влітку, при цьому тепло (по суті сонячна енергія) відбирається з приміщення і розсіюється в породі або грунтових водах. У скандинавських країнах зі скельними ґрунтами граніт виконує роль потужного радіатора, який отримує тепло влітку / вдень і розсіює його назад взимку / вночі. Також тепло постійно приходить з надр Землі і від ґрунтових вод.

Відбір тепла від грунту [ правити | правити код ]

Найефективніші, але і найдорожчі схеми передбачають відбір тепла від грунту, чия температура не змінюється протягом року вже на глибині декількох метрів, що робить установку практично незалежною від погоди. За даними[ Джерело не вказано 3023 дня ] 2006 року в Швеції півмільйона подібних установок, в Фінляндії 50 000, в Норвегії встановлювалося в рік до 70 000. При використанні в якості джерела тепла енергії грунту трубопровід, в якому циркулює антифриз, заривають у землю на 30-50 см нижче рівня промерзання грунту в даному регіоні. На практиці 0,7 - 1,2 метра [ Джерело не вказано 3023 дня ]. Мінімальна рекомендована виробниками відстань між трубами колектора - 1,2 ... 1,5 метра. Тут не потрібно буріння, але потрібні більш великі земельні роботи на великій площі, і трубопровід більш схильний до ризику пошкодження. Ефективність така ж, як при відборі тепла з свердловини. Спеціальної підготовки грунту не потрібно. Але бажано використовувати ділянку з вологим грунтом, якщо ж він сухий, контур треба зробити довше. Орієнтовне значення теплової потужності, що припадає на 1 м трубопроводу: в глині ​​- 50-60 Вт, в піску - 30-40 Вт для помірних широт, на півночі значення менше. Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідний земляний контур довжиною 350-450 м, для укладання якого буде потрібно ділянку землі площею близько 400 м² (20х20 м). При правильному розрахунку контур мало впливає на зелені насадження [ Джерело не вказано 3023 дня ].

Різне [ правити | правити код ]

У свердловинах діаметром 218-324 мм можна істотно знизити необхідну глибину свердловини до 50-70 м, збільшити відбір теплової енергії мінімум до 700 Вт на 1 пог. м. свердловини і забезпечити стабільність цілорічної експлуатації [12] дозволяє застосування активного контуру первинного перетворювача теплового насоса, розміщеного в стовбурі водозабірної свердловини (застосовується в свердловинах мають погружной насос , З пристроєм беструбного водопідйому, який створює проточність рідини в стовбурі свердловини, що можуть провітрювати струмом рідини теплообмінний контур з холодоагентом первинного перетворювача теплового насоса, збільшуючи відбір тепла не тільки від прилеглого масиву грунту, але і від рідини).

Відбір тепла від водойми [ правити | правити код ]

При використанні в якості джерела тепла довколишнього водойми контур укладається на дно. Глибина не менше 2 метрів. Коефіцієнт перетворення енергії тепловим насосом такий же, як при відборі тепла від грунту. Орієнтовне значення теплової потужності на 1 м трубопроводу - 30 Вт. Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідно укласти в озеро контур довжиною 300 м. Щоб трубопровід не спливав, на 1 пог. м встановлюється близько 5 кг вантажу. Промислові зразки: 70 - 80 кВт * год / м в рік.

Якщо тепла із зовнішнього контуру все ж недостатньо для опалення в сильні морози, практикується експлуатація насоса в парі з додатковим генератором тепла (в таких випадках говорять про використання бівалентної схеми опалення). Коли вулична температура опускається нижче розрахункового рівня (температури бівалентності), в роботу включається другий генератор тепла - найчастіше невеликий електронагрівач .

До переваг теплових насосів в першу чергу слід віднести економічність: для передачі в систему опалення 1 кВт · год теплової енергії установці необхідно затратити всього 0,2-0,35 кВт · год електроенергії. Так як перетворення теплової енергії в електричну на великих електростанціях відбувається з ККД до 50%, ефективність використання палива при застосуванні теплових насосів підвищується - тригенерація . Спрощуються вимоги до систем вентиляції приміщень і підвищується рівень пожежної безпеки. Всі системи функціонують з використанням замкнутих контурів і практично не вимагають експлуатаційних витрат, крім вартості електроенергії, необхідної для роботи обладнання.

Ще однією перевагою теплових насосів є можливість перемикання з режиму опалення взимку на режим кондиціонування влітку: просто замість радіаторів до зовнішнього колектору підключаються фен-койли або системи « холодний стеля ».

Тепловий насос надійний, його роботою керує автоматика. В процесі експлуатації система не потребує спеціального обслуговування, можливі маніпуляції не вимагають особливих навичок і описані в інструкції.

Важливою особливістю системи є її суто індивідуальний характер для кожного споживача, який полягає в оптимальному виборі стабільного джерела низькопотенційної енергії, розрахунку коефіцієнта перетворення, окупності та іншого.

Теплонасос компактний (його модуль за розмірами не перевищує звичайний холодильник) і практично безшумний.

Хоча ідея, висловлена ​​лордом Кельвіном в 1852 році, була реалізована вже через чотири роки, практичне застосування теплонасоси отримали тільки в 1930-х роках. До 2012 року в Японії, експлуатується понад 3,5 мільйона установок [13] , В Швеції близько 500 000 будинків обігрівається тепловими насосами різних типів.

До недоліків геотермальних теплових насосів, які використовуються для опалення, слід віднести велику вартість встановленого обладнання, необхідність складного і дорогого монтажу зовнішніх підземних або підводних теплообмінних контурів. Недоліком повітряних теплових насосів є більш низький коефіцієнт перетворення тепла, пов'язаний з низькою температурою кипіння холодоагенту в зовнішньому «повітряному» випарнику. Загальним недоліком теплових насосів є порівняно низька температура води, що нагрівається, в більшості не більше +50 ° С ÷ +60 ° С, причому, чим вище температура води, що нагрівається, тим менше ефективність і надійність теплового насоса.

Для установки теплового насоса необхідні початкові витрати: вартість насоса і монтажу системи складає 300-1200 доларів на 1 кВт необхідної потужності опалення. Час окупності теплонасосів становить 4-9 років, при терміні служби 15-20 років до капітального ремонту.

Існує і альтернативний погляд на економічну доцільність установки теплонасосів. Так, якщо установка теплонасоса проводиться на кошти, взяті в кредит, економія від використання теплового насосу може бути менше, ніж вартість використання кредиту. Тому масове використання теплонасосів в приватному секторі можна очікувати, якщо вартість теплонасосного обладнання буде порівнянна з витратами на установку газового опалення та підключення до газової мережі.

Ще більш багатообіцяючою є система, що комбінує в єдину систему теплопостачання геотермальний джерело і тепловий насос. При цьому геотермальний джерело може бути як природного (вихід геотермальних вод), так і штучного походження (свердловина із закачуванням холодної води в глибокий шар і виходом на поверхню нагрітої води).

Іншим можливим застосуванням теплового насоса може стати його комбінування з існуючими системами централізованого теплопостачання. До споживача в цьому випадку може подаватися відносно холодна вода, тепло якої перетворюється тепловим насосом в тепло з потенціалом, достатнім для опалення. Але при цьому внаслідок меншої температури теплоносія втрати на шляху до споживача (пропорційні різниці температури теплоносія і навколишнього середовища) можуть бути значно зменшені. Також буде зменшений знос труб центрального опалення, оскільки холодна вода має меншу корозійної активністю, ніж гаряча.

Обмеження застосовності теплових насосів [ правити | правити код ]

Основним недоліком теплового насоса є зворотна залежність його ефективності від різниці температур між джерелом теплоти і споживачем. Це накладає певні обмеження на використання систем типу «повітря - вода». Реальні значення ефективності сучасних теплових насосів становлять близько COP = 2.0 при температурі джерела -20 ° C, і порядку COP = 4.0 при температурі джерела +7 ° C. Це призводить до того, що для забезпечення заданого температурного режиму споживача при низьких температурах повітря необхідно використовувати обладнання зі значною надлишковою потужністю, що пов'язане з нераціональним використанням капіталовкладень (втім, це стосується і будь-яких інших джерел теплової енергії). Вирішенням цієї проблеми є застосування так званої бівалентної схеми опалення, при якій основну (базову) навантаження несе тепловий насос, а пікові навантаження покриваються допоміжним джерелом (газовий або електрокотел). Оптимальна потужність теплонасосної установки становить 60 ... 70% від необхідної встановленої потужності, що також впливає на закупівельну вартість установки опалення тепловим насосом. В цьому випадку тепловий насос забезпечує не менше 95% потреби споживача в тепловій енергії за весь опалювальний сезон. При такій схемі среднесезонний коефіцієнт перетворення енергії для кліматичних умов Центральної Європи дорівнює порядку COP = 3. Коефіцієнт використання первинного палива для такої системи легко визначити, виходячи з того, що ККД теплових електростанцій становить від 40% (теплові електростанції конденсаційного типу) до 55% (парогазові електростанції). Відповідно, для розглянутої теплонасосної установки коефіцієнт використання первинного палива лежить в межах 120% ... 165%, що в 2 ... 3 рази вище, ніж відповідні експлуатаційні характеристики газових котлів (65%) або систем центрального опалення (50 ... 60%). Зрозуміло, що системи, що використовують геотермальний джерело теплоти або теплоту грунтових вод, вільні від цього недоліку. З ростом ступеня стиснення компресором зростає температура нагнітання, що обмежує температуру конденсації. Обмеження в ступені стиснення компресора і зниження його ККД з ростом ступеня стиснення призводить до необхідності використання низькотемпературних систем опалення (системи поверхневого нагріву типу «тепла підлога», тепла стіна, теплий плінтус, повітряні системи опалення із застосуванням фен-Койл і т. П.) . Це обмеження стосується тільки високотемпературних радіаторних систем опалення. З розвитком холодильних компресорів з'явилися компресори дозволяють досягати високих температур конденсації при використанні упорскування пара і рідкого фреону (хладону) в процесі стиснення, що дозволяє підвищити ступінь стиснення і зменшити перегрів компресора. Вихід із ситуації, можливий застосуванням водокільцевого компресора високого тиску. Де в процесі стиснення атмосферного повітря відбувається миттєве поглинання тепла водою, при цьому досягається подвійна вигода; гаряча вода + стиснене повітря, що дозволяє отримати електроенергію як на ГПА так і на ГТУ.

Основні схеми опалення із застосуванням теплових насосів [ правити | правити код ]

• Копп О. А., Семененко Н. М. Геотермальне опалення. Теплові насоси. // Науково-методичний електронний журнал «Концепт» 2017. [14]
• Луньова С. К., Чистовіч А. С., Емірів І. Х. До питання застосування теплових насосів. // Журнал «Техніко-технологічні проблеми сервісу», 2013. [15]

1. ↑ Тепловий насос // Велика Радянська Енциклопедія : [В 30 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров . - 3-е изд. - М.: Радянська енциклопедія, 1969-1978.
2. ↑ Бутиків Є.І., Биков А. А., Кондратьєв А. С. Фізика в прикладах і задачах. - М., наука , 1989. - Тираж 310000 прим. - с. 212
3. ↑ Васильєв Г. П. теплохолодопостачання будівель і споруд з використанням низькопотенційної теплової енергії поверхневих шарів Землі (Монографія). Видавничий дім «Кордон». М., «Червона зірка» - 2006. - 220 ° C.
4. ↑ Васильєв Г. П., Хрустачев Л. В., Розін А. Г., Абуев І. М. та ін. Керівництво по застосуванню теплових насосів з використанням вторинних енергетичних ресурсів і нетрадиційних відновлюваних джерел енергії // Уряд Москви Москомархитектура, ГУП «НІАЦ », 2001.
5. ↑ Burg Rabenstein Читальний зал 11 вересня 2010 року.
6. ↑ About Us. What is IGSHPA? / International Ground Source Heat Pump Association (англ.)
7. ↑ Бальян С. В. Технічна термодинаміка та теплові двигуни. - Л., Машинобудування, 1973. - Тираж 23000 прим. - с. 141
8. ↑ System Theory Models of Different Types of Heat Pumps // WSEAS Conference in Portoroz, Slovenia. 2007. (англ.)
9. ↑ Energy Savers: Types of Geothermal Heat Pump Systems Читальний зал 29 грудня 2010 року.
10. ↑ Bedrock heat pump (Недоступна посилання з 12-08-2015 [тисячі триста дев'яносто сім днів])
11. ↑ Опалення за допомогою теплових насосів
12. ↑ Васильєв Г. П. теплохолодопостачання будівель і споруд з використанням низькопотенційної теплової енергії поверхневих шарів Землі (Монографія). Видавничий дім «Кордон». М., «Червона зірка» - 2006. - 220c.
13. ↑ Розвиток ринку теплових насосів в Японії - Портал-Енерго.ru - енергоефективність та енергозбереження, 27.03.2013
14. ↑ Геотермальне опалення. теплові насоси
15. ↑ До питання застосування теплових насосів