Тепловой насос вода-вода: принцип действия, виды, особенности обустройства

От чего зависит и какие значения имеет эффективность теплового насоса? Как рассчитать КПД, какие коэффициенты измеряют работу тепловых насосов.

Тепловой насос. Конструкция обогрева дома

В системе отопления дома тепловой насос (ТН) играет ту же роль, что и котел, то есть является теплогенератором.

Разница состоит только в том, что котел сжигает топливо, а ТН «выкачивает» тепловую энергию из источников, которые, на первый взгляд, совсем ею не богаты.

Грунт и речная вода с температурой 5 – 7 градусов, или даже морозный зимний воздух, температура которого вообще оказалась ниже нуля.

Такие источники называются низкопотенциальными, и хотя с понятием тепла они никак не ассоциируются, ТН умудряется «выжать» из них внушительный объем живительной энергии. К этому следует добавить тепло, выделяемое электродвигателем компрессора ТН: здесь, в отличие от холодильника и кондиционера, оно не пропадает даром.

В остальном система отопления на базе ТН ничем не отличается от обычной: используется теплоноситель – вода или воздух, который нагревается, протекая через теплообменник, а затем разносит тепло по всему дому. Циркуляцию обеспечивает насос (для водяного отопления) или вентилятор (для воздушного). Точно также, как и традиционный теплогенератор, ТН можно одновременно подключить к контуру горячего водоснабжения (ГВС) как с накопительной емкостью (бойлером), так и без нее.

62. Состав топлива

Топливомназывается любое вещество, которое присгорании (окислении) выделяетсязначительное количество теплоты наединицу массы или объёма и доступно длямассового использования. В качестветопливо применяют природные и производныеорганические соединения в твердом,жидком и газообразном состояниях. Любоеорганическое топливо состоит из углерода,водорода, кислорода, азота, летучейсеры, а твердые и жидкие топлива — иззолы (минеральные остатки) и влаги.Топливо в том виде, в каком оно подаетсяв топку котель­ного агрегата и сгорает,называется рабочим.

Элементарныйсостав рабочего топлива характеризуетсясо­держанием следующих элементов:

+++++++=100%.

Индекс«р» при элементах топлива указывает нато, что это уравнение относится к«рабочему топливу». Важнейшими горючимиэлементами топлива являются угле­родС и водород Н. Так, при сгорании 1 кгуглерода выделяется 33,7 МДж теплоты, апри сгорании 1 кг водорода— 120 МДж. Серапри сгорании также выделяет теплоту (9МДж/кг), но это нежелательный горючийэлемент котельного топлива. При горе­ниилетучей серы образуется сернистый газS02,который вызы­вает коррозию металлатруб котельного агрегата и, попадая суходящими газами в атмосферу, загрязняетокружающую среду.

Всвязанном состоянии почти в любомтопливе находятся не­горючие элементы— кислород О и азот N,образующие внутрен­ний балласт.Наличие этих элементов уменьшаеттепловыделе­ние на единицу массытоплива. Зола Аивлага W—нежелательные примеси, составляющиевнешний балласт топлива. Содержаниезолы и влаги в топливе определяетсяглавным образом внешними факторами —спосо­бом добычи, хранением, доставкойи т. д. Наличие золы и влаги уменьшаетколичество выделяемой теплоты присгорании 1 кг топлива. Кроме того, частьтеплоты бесполезно теряется, так какрасходуется на нагревание золы и шлака,которые в нагретом состоянии удаляютсяиз котельного агрегата; теплота такжерасходуется на испарение влаги,содержащейся в топливе. Зола ускоряетизнос оборудования, загрязняет поверхностинагрева и газоходы, уменьшает коэффициенттеплоотдачи, требует установки специальныхустройств золоудаления и золоулавливание.Влага ухудшает процесс воспламенениятоплива; за счет водяных паров возрастаетколичество уходящих газов, вследствиечего увеличивается расход электроэнергиина работу дымососов.

Топливо,освобожденное от влаги, называетсясухой массой. Элементарный состав топливопределяется специальными лабораторнымиметодами.

Как работает теплонасос

Что же такое геотермальный насос или, другими словами, теплонасос? Это оборудование, способное перенести тепло от источника к потребителю. Рассмотрим принцип его действия на примере первой практической реализации идеи.

Принцип работы геотермальных насосов стал известен еще в 50-х годах XIX века. На практике эти принципы реализовали только в середине прошлого века.

Однажды, экспериментатор по фамилии Вебер, разбирался с морозилкой и случайно прикоснулся к обжигающей трубе конденсатора. Ему пришла в голову идея, почему тепло уходит в никуда и не приносит никакой пользы? Недолго думая, он удлинил трубу и уложил ее в бак для подогрева воды.

Горячей воды, получившейся в результате этого, стало столько, что он не знал куда ее девать. Нужно было идти дальше — как обогреть с помощью этой нехитрой системы воздух? Решение оказалось очень простым и от этого не менее гениальным.

Горячая вода прогоняется по спирали через змеевик, а затем вентилятором теплый воздух раздувается по дому. Все гениальное — просто! Вебер был человеком размеренным, и со временем ему пришла мысль, как обойтись без морозильной камеры. Надо извлекать тепло из земли!

Закопав трубы из меди и накачав их фреоном (тот же газ, который используется в холодильниках) он стал получать тепловую энергию уже из недр. Думаем, что на таком примере каждый поймет принцип работы теплового насоса.

Также предлагаем вам прочитать о чудо печи на солярке в следующей статье: //6sotok-dom.com/dom/otoplenie/chudo-pech-na-solyarke.html

Настало время предметно изучать зарубежный опыт

О тепловых насосах, способных отобрать тепло окружающей среды для отопления зданий, теперь уже знают почти все, и, если еще недавно потенциальный заказчик, как правило, задавал недоуменный вопрос «как это возможно?», то теперь все чаще звучит вопрос «как это правильно сделать?».

Ответить на этот вопрос непросто.

В поисках ответа на многочисленные вопросы, которые неизбежно возникают при попытке проектировать системы отопления с тепловыми насосами, целесообразно обратиться к опыту специалистов тех стран, где тепловые насосы на грунтовых теплообменниках применяются уже давно.

Посещение* американской выставки AHR ЕХРО-2008, которое было предпринято, главным образом, с целью получения информации о методах инженерных расчетов грунтовых теплообменников, прямых результатов в этом направлении не принесло, но на выставочном стенде ASHRAE продавалась книга , некоторые положения которой послужили основой для этой публикации.

Следует сразу сказать, что перенос американской методики на отечественную почву – дело непростое. У американцев все не так, как принято в Европе. Только время они измеряют в тех же единицах, что и мы. Все остальные единицы измерения – чисто американские, а точнее – британские. Особенно не повезло американцам с тепловым потоком, который может измеряться как в британских тепловых единицах, отнесенных к единице времени, так и в тоннах охлаждения, которые придуманы, вероятно, в Америке.

Главная проблема, однако, состояла не в техническом неудобстве пересчета принятых в США единиц измерения, к которым со временем можно и привыкнуть, а в отсутствии в упомянутой книге четкой методической основы построения алгоритма вычислений. Рутинным и широко известным расчетным приемам там уделяется слишком много места, в то время как некоторые важные положения остаются вовсе нераскрытыми.

В частности, такими физически связанными исходными данными для расчета вертикальных грунтовых теплообменников, как температура циркулирующей в теплообменнике жидкости и коэффициент преобразования теплового насоса, нельзя задаваться произвольно, и, прежде чем приступать к вычислениям, связанным с нестационарным теплообменом в грунте, необходимо определить зависимости, связывающие эти параметры.

Критерием эффективности теплового насоса служит коэффициент преобразования ?, величина которого определяется отношением его тепловой мощности к мощности электропривода компрессора. Эта величина является функцией температур кипения в испарителе tu и конденсации tk, а применительно к тепловым насосам «вода-вода» можно говорить о температурах жидкости на выходе из испарителя t2И и на выходе из конденсатора t2K:

? = ?(t2И,t2K).         (1)

Анализ каталожных характеристик серийных холодильных машин и тепловых насосов «вода-вода» позволил отобразить эту функцию в виде диаграммы (рис. 1).

При помощи диаграммы нетрудно определиться с параметрами теплового насоса на самых начальных стадиях проектирования. Очевидно, например, что, если система отопления, присоединенная к тепловому насосу, рассчитана на подачу теплоносителя с температурой в подающем трубопроводе 50°C, то максимально возможный коэффициент преобразования теплового насоса будет около 3,5. При этом температура гликоля на выходе из испарителя не должна быть ниже +3°С, а это означает, что потребуется дорогой грунтовый теплообменник.

В то же время, если дом обогревается посредством теплого пола, из конденсатора теплового насоса будет поступать в систему отопления теплоноситель с температурой 35°С. В этом случае тепловой насос сможет работать более эффективно, например, с коэффициентом преобразования 4,3, если температура охлажденного в испарителе гликоля будет около –2°С.

Пользуясь электронными таблицами Excel, можно выразить функцию (1) в виде уравнения:

? = 0,1729 • (41,5 + t2И – 0,015t2И • t2K – 0,437 • t2K      (2)

Если при желаемом коэффициенте преобразования и заданном значении температуры теплоносителя в системе отопления, работающей от теплового насоса, нужно определить температуру охлажденной в испарителе жидкости, то уравнение (2) можно представить в виде:

         (3)

Выбрать температуру теплоносителя в системе отопления при заданных величинах коэффициента преобразования теплового насоса и температуры жидкости на выходе из испарителя можно по формуле:

    (4)

В формулах (2)…(4) температуры выражены в градусах Цельсия.

Определив эти зависимости, можно теперь перейти непосредственно к американскому опыту.

Принцип работы тепловых насосов

В любом ТН имеется рабочая среда, именуемая хладагентом. Обычно в этом качестве выступает фреон, реже – аммиак. Само устройство состоит всего из трех компонентов:

• испаритель;
• компрессор;
• конденсатор.

Испаритель и конденсатор – это два резервуара, имеющие вид длинных изогнутых трубок – змеевиков. Конденсатор одним концом присоединяется к выходному патрубку компрессора, а испаритель – ко входному. Концы змеевиков стыкуются и в месте соединения между ними устанавливается редукционный клапан. Испаритель контактирует – непосредственно или косвенно – со средой-источником, а конденсатор – с системой отопления или ГВС.

Работа ТН основана на взаимозависимости объема, давления и температуры газа. Вот что происходит внутри агрегата:

1. Аммиак, фреон или другой хладагент, двигаясь по испарителю, нагревается от среды-источника, допустим, до температуры +5 градусов.
2. Пройдя испаритель, газ достигает компрессора, который перекачивает его в конденсатор.
3. Нагнетаемый компрессором хладагент удерживается в конденсаторе редукционным клапаном, поэтому его давление здесь выше, чем в испарителе. Как известно, с ростом давления температура любого газа увеличивается. Именно это происходит с хладагентом – он разогревается до 60 – 70 градусов. Поскольку конденсатор омывается циркулирующим в системе отопления теплоносителем, последний также нагревается.
4. Через редукционный клапан хладагент небольшими порциями сбрасывается в испаритель, где его давление снова падает. Газ расширяется и остывает, а поскольку часть внутренней энергии была потеряна им в результате теплообмена на предыдущем этапе, его температура опускается ниже изначальных +5 градусов. Следуя по испарителю, он снова нагревается, далее закачивается в конденсатор компрессором – и так по кругу. По-научному этот процесс называется циклом Карно.

Что такое тепловой насос и как он работает?

Под термином тепловой насос понимается набор определенного оборудования. Основной функцией этого оборудования является сбор тепловой энергии и ее транспортировка к потребителю. Источником такой энергии может стать любое тело или среда, обладающая температурой от +1º и более градусов.

В окружающей нас среде источников низкотемпературного тепла более чем достаточно. Это промышленные отходы предприятий, тепловых и атомных электростанций, канализационные стоки и пр. Для работы тепловых насосов в сфере отопления дома нужны три самостоятельно восстанавливающихся природных источника – воздух, вода, земля.

Тепловые насосы “черпают” энергию из процессов, регулярно происходящих в окружающей среде. Течение процессов никогда не прекращается, потому источники признаны неисчерпаемыми по человеческим критериям

Три перечисленных потенциальных поставщика энергии напрямую связаны с энергией солнца, которое путем нагревания приводит в движение воздух с ветром и сообщает тепловую энергию земле. Именно выбор источника является основными критерием, согласно которому классифицируют тепловые насосные системы.

Принцип действия тепловых насосов базируется на способности тел или сред передавать тепловую энергию другому телу или среде. Получатели и поставщики энергии в тепловых насосных системах работают обычно в паре.

Так различают следующие виды тепловых насосов:

• Воздух – вода.
• Земля – вода.
• Вода – воздух.
• Вода – вода.
• Земля – воздух.
• Вода – вода
• Воздух – воздух.

При этом первое слово определяет тип среды, у которой система отбирает низкотемпературное тепло. Второе указывает на вид носителя, которому и передается эта тепловая энергия. Так, в тепловых насосах вода – вода, тепло отбирается у водной среды и в качестве теплоносителя используется жидкость.

Тепловые насосы по конструктивному типу являются парокомпрессионными установками. Они извлекают тепло из природных источников, обрабатывают и транспортируют его к потребителям (+)

Современные тепловые насосы используют три основных источника тепловой энергии. Это – грунт, вода и воздушная среда. Самый простой из этих вариантов – воздушный тепловой насос. Популярность таких систем связана с их довольно несложной конструкцией и простотой монтажа.

Однако несмотря на такую популярность, эти разновидности имеют довольно низкую производительность. К тому же КПД нестабилен и зависим сезонных колебаний температурного режима.

С понижением температуры их производительность значительно падает. Такие варианты тепловых насосов можно рассматривать как дополнение к имеющемуся основному источнику тепловой энергии.

Варианты оборудования, использующего тепло грунта, считаются более эффективными. Грунт получает и аккумулирует тепловую энергию не только от Солнца, он постоянно подогревается за счет энергии земного ядра.

То есть грунт является своеобразным тепловым аккумулятором, мощность которого, практически, не ограничена. Причем температура грунта, особенно на некоторой глубине, постоянна и колеблется в незначительных пределах.

Сфера применения энергии, вырабатываемой тепловыми насосами:

Постоянство температуры источника является важным фактором стабильной и эффективной работы данного вида энергетического оборудования. Аналогичными характеристиками обладают системы, в которых водная среда является основным источником тепловой энергии. Коллектор таких насосов располагают либо в скважине, где он оказывается в водоносном слое, либо в водоеме.

Среднегодовая температура таких источников, как грунт и вода, варьируется от +7º до + 12º С. Такой температуры вполне достаточно для того, чтобы обеспечить эффективную работу системы.

Наиболее эффективными считаются тепловые насосы, извлекающие тепловую энергию из источников со стабильными температурными показателями, т.е. из воды и грунта

Основные разновидности

• воздух-воздух — это, по сути своей, обычный кондиционер;
• воздух-вода — добавляем к кондиционеру теплообменник и мы уже греем воду;
• земля-вода — закапываем коллектор из труб в землю, а на выходе подогреваем воду;
• вода-вода — трубы размещаются в открытом или подземном водоеме и отдают тепло системе обогрева здания.

(С подробной классификацией тепловых насосов для отопления Вы можете ознакомиться в этой статье).

Обзор производителей тепловых насосов, представленных на российском рынке

Тепловой насос – это устройство, которое нагревает воду систем отопления и горячего водоснабжения, сжимая фреон, изначально подогретый от источника низкопотенциального тепла, компрессором до 28 бар. Подвергаясь высокому давлению, газообразный теплоноситель с изначальной температурой 5-10 °С; выделяет большое количество тепла. Что позволяет прогреть теплоноситель системы потребления до 50-60 °С, без применения традиционных видов топлива. Поэтому считается, что тепловой насос обеспечивает пользователя самым дешёвым теплом.

Подробнее о достоинствах и недостатках смотрите видео:

Подобное оборудование уже более 40 лет эксплуатируется в Швеции, Дании, Финляндии и других странах, на государственном уровне поддерживающих развитие альтернативной энергетики. Не так активно, но увереннее с каждым годом, тепловые насосы выходят на российский рынок.

Цель статьи: сделать обзор популярных моделей тепловых насосов. Информация будет полезна тому, кто стремится максимально сэкономить на отоплении и горячем водоснабжении собственного дома.

Виды конструкций тепловых насосов

Тип ТН принято обозначать словосочетанием, указывающим на среду-источник и теплоноситель системы отопления.

Существуют следующие разновидности:

• ТН «воздух – воздух»;
• ТН «воздух – вода»;
• ТН «грунт – вода»;
• ТН «вода – вода».

Самый первый вариант – это обычная сплит-система, работающая в режиме обогрева. Испаритель монтируется на улице, а внутри дома устанавливается блок с конденсатором. Последний обдувается вентилятором, благодаря чему в помещение подается теплая воздушная масса.

Если такую систему оснастить специальным теплообменником с патрубками, получится ТН типа «воздух – вода». Он подключается к водяной системе отопления.

Испаритель ТН типа «воздух – воздух» или «воздух – вода» можно разместить не на улице, а в канале вытяжной вентиляции (она должна быть принудительной). В этом случае эффективность ТН будет увеличена в несколько раз.

Теплонасосы типа «вода – вода» и «грунт – вода» для отбора тепла используют так называемый наружный теплообменник или, как его еще называют, коллектор.

Это длинная закольцованная труба, как правило, пластиковая, по которой циркулирует жидкая среда, омывающая испаритель. Обе разновидности ТН представляют собой одно и то же устройство: в одном случае коллектор погружается на дно поверхностного водоема, а во втором – в грунт. Конденсатор такого ТН расположен в теплообменнике, подключаемом к системе водяного отопления.

Подключение ТН по схеме «вода – вода» является гораздо менее трудоемким, чем «грунт – вода», поскольку отпадает необходимость в проведении земляных работ. На дно водоема труба укладывается в виде спирали. Разумеется, для данной схемы подойдет только такой водоем, который зимой не промерзает до дна.

Тепловой насос обогревает дом бесплатной энергией природы

В теории, отбор тепла возможен из воздуха, грунта, грунтовых вод, сточных вод (в том числе из септика и КНС), открытыъ водоёмов. На практике – для большинства случаев доказана целесообразность использования оборудования, забирающего тепловую энергию из воздуха и грунта.

Варианты с отбором тепла от септика или канализационной насосной станции (КНС) – самые заманчивые. Прогоняя через ТН теплоноситель с 15-20 °С, на выходе можно получить не менее 70 °С. Но приемлем этот вариант только для системы горячего водоснабжения. Отопительный контур снижает температуру в «заманчивом» источнике. Что ведёт к ряду неприятных последствий. Например, обмерзанию стоков; а если теплообменный контур теплового насоса размещён на стенках отстойника, то и самого септика.

Самые популярные ТН под потребности СО и ГВС – геотермальные (использующие тепло земли) устройства. Они выделяются наилучшими эксплуатационными показателями в условиях тёплого и холодного климата, в песчаном и глинистом грунте с разным уровнем грунтовых вод. Потому что температура грунта ниже глубины промерзания почти не изменяется на протяжении всего года.

КПД и СОР

Для начала определимся в терминах:

• КПД — коэффициент полезного действия, т.е. сколько полезной энергии получается в процентном соотношении от энергии, затраченной на действие системы;
• СОР — коэффициент эффективности трансформации (англ. — coefficient of performance).

Как сделать пеллетный котел своими руками, читайте в этой статье: //6sotok-dom.com/dom/otoplenie/pelletnyj-kotel-svoimi-rukami.html

Такой показатель, как КПД, часто используют в рекламных целях: «КПД нашего насоса 500%!». Вроде и правду говорят — на 1 кВт потраченной энергии (для полноценной работы всех систем и агрегатов) произвели 5 кВт тепловой энергии.

Однако помните, что КПД не бывает выше 100% (этот показатель рассчитывается для замкнутых систем), поэтому логичнее будет использовать показатель COP (применяется для расчетов открытых систем), который показывает коэффициент преобразования использованной энергии в полезную.

Обычно COP измеряется в цифрах от 1 до 7. Чем выше цифра тем более эффективный теплонасос. В примере, приведенном выше (с КПД 500%), COP равняется 5.

Современному дому с хорошей теплоизоляцией должно хватать ТН воздух/вода, ведь линейки производителей имеют мощности до 16 кВт.

Для примера демонстрационный дом Hauswerk-135 в КП Заповедник мы оснастили тепловым насосом мощностью 7 кВт. Тепловые потери дома не превышают 4,8 кВт в пике (-320С), хотя у нас целых 135 кв.м. Соответственно мощная система отопления не требуется.

Тепловые насосы для отопления дома

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.

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