Тепловые насосы

Тепловые насосы
Принцип работы теплового насоса
Тепловой насос в солнечных установках
Колодезная вода в тепловом насосе

Принцип работы теплового насоса
Тепловой насос представляет собой устройство, способное передавать тепло от низкотемпературного источника к высокотемпературному. В обычном водяном насосе вода перекачивается с низкого уровня на высокий. Для работы теплового насоса, как и водяного, требуется электрическая энергия. Отношение мощности, необходимой для перекачивания определенного количества тепла тепловым насосом, к мощности, используемой для получения такого же количества тепла с помощью электроэнергии, называют тепловым коэффициентом, или коэффициентом трансформации тепла (КТТ).


Рис. 1. Цикл работы теплового насоса:
1 - тепловое излучение QC; 2 - конденсатор; 3 - компрессор; 4 - испаритель; 5 - энергия AL; 6 - абсорбированное тепло QE; 7 - дросселирующий клапан; 8 - раствор рабочего вещества.

Схема устройства теплового насоса включает компрессор, конденсатор, испаритель, расширительный бак и др. Кроме того, в схему входят трубопровод и преобразователь энергии (мотор). По трубопроводам циркулирует рабочее тепло — хладагент.

В испарителе из окружающей среды отбирается низкотемпературное тепло QE, и хладагенту в компрессоре передается тепло AL, соответствующее количеству подводимой энергии. В конденсаторе происходит выделение высокотемпературной тепловой энергии

QC = QE + AL
КТТ выражается отношением выходной мощности, необходимой для перекачивания определенного количества тепла, к мощности, используемой для получения такого же количества тепла с помощью электроэнергии. Эта величина обязательно должна быть больше 1.



Тепловой насос в солнечных установках

Тепловой насос, включенный в систему воздушного отопления, используя электроэнергию, отбирает тепло от наружного воздуха с низкой температурой и нагнетает в помещение тепло более высокой температуры. Расход электроэнергии при этом на 35...50% меньше, чем в отопительной системе с электрическим нагревателем такой же мощности. В системе с тепловым насосом тепловой коэффициент, или коэффициент трансформации тепла (КТТ), достигает 2...4. КТТ зависит от значения разности температур низко- и высокотемпературного источника тепла.

В зимний период при температуре воздуха ниже 0°C, целесообразно в тепловом насосе использовать подземные воды с температурой более 15°C, что обеспечивает высокий КТТ. Таким образом, при использовании при использовании подземных вод расход энергии составляет 17...25% затрат энергии на работу системы отопления. Однако, подходящие для этой цели подземные воды можно обнаружить не везде, поэтому в качестве низкотемпературного источника тепла можно использовать солнечное излучение.


Рис. 1. Схема системы солнечного отопления (охлаждения) и горячего водоснабжения с тепловым насосом:
1 - коллектор; 2 - подача воды; 3 - охлаждающая башня (используется летом, когда необходимо охлаждение; 4 - коллекторный насос; 5 - в зимний период бак-аккумулятор с водой низкой температуры, в летний период накопительный бак-аккумулятор с водой высокой температуры; 6 - тепловой насос вода-вода; 7 - зимой - высокотемпературный аккумуляторный бак, летом - бак с охлаждающей водой; 8 - дополнительный бойлер (двухконтурный); 9 - подача горячей воды; 10 - насос для системы отопления (охлаждения); 11 - змеевики вентиляторов.

Солнечное тепло в установках с тепловыми насосами используют, когда необходимо отопление, а источник электроэнергии включают в период работы систем охлаждения. В системе солнечного отопления на основе теплового насоса, как правило, используют воздух, нагретый солнечной энергией до температуры 10...20°C, что обеспечивает высокий коэффициент использования солнечного излучения. Это способствует тому, что строится достаточно много солнечных домов с системами на основе тепловых насосов. Однако для этих систем, хотя и в небольших количествах, но все же необходима электроэнергия, что не позволяет их считать экономичными.

Сравнительно недавно появились установки горячего водоснабжения на основе тепловых насосов, использующие тепло даже холодного воздуха. Сейчас такие системы конкурируют с солнечными системами горячего водоснабжения.


Рис. 2. Система горячего водоснабжения с тепловым насосом:
1 - наружный воздух; 2 - электроэнергия ночного тарифа; 3 - хладагент; 4 - часть системы, находящаяся вне помещения; 5 - нагреватель; 6 - накопительный бак; 7 - подача воды потребителю; 8 - ванна; 9 - туалет; 10 - кухня.

Солнечная установка горячего водоснабжения с тепловым насосом наиболее эффективна с точки зрения экономии энергии в летний период. Установку горячего водоснабжения с использованием теплового насоса лучше использовать для охлаждения дома, а не для его отопления. В такие периоды она обходится практически бесплатно. Недостатком таких солнечных установок является лишь очень высокая стоимость, которая тем не менее имеет тенденцию к постепенному снижению, что приведет, конечно же, к их более широкому применению уже в ближайшие годы.




Колодезная вода в тепловом насосе

Системы с тепловыми насосами требуют малого количества энергии и очень удобны для отопления и охлаждения, но зимой им необходим теплоисточник, а летом — хладоисточник. В некоторых регионах колодезная вода в зимнее время вполне подходит в качестве теплоисточника для теплового насоса.


Рис. 1. Схема системы с тепловым насосом, использующим колодезную воду (авт. Танака):
1 - коллектор; 2 - бак предварительного нагрева воды; 3 - подача горячей воды потребителю; 4 - накопительный бак; 5 - подача питательной воды; 6 - тепловой насос; 7 - колодец; 8 - напольная аккумулирующе-излучающая система; 9 - змеевик.

На схеме (рис. 1) представлена простая система с использованием колодезной воды для отопления. В процессе обогрева температура воды понижается до 5°C, после чего ее уже нельзя употреблять. В этой системе в качестве теплоисточника можно дополнительно использовать солнечную энергию. На схеме показан наклонно расположенный дешевый коллектор, применяемый для низкотемпературного нагрева, хотя чаще такие коллекторы устанавливаются горизонтально. Летом тепловой насос обеспечивает охлаждение; контур отопления переключают на горячее водоснабжение; в этом случае тепловой насос можно использовать для непосредственного отбора тепла.

В летний период система горячего водоснабжения может быть полностью обеспечена за счет солнечного излучения и не требуется нагружать тепловой насос. Сейчас существуют проекты использования теплового насоса в этот период для аккумулирования тепла. Предполагается в местах, где вода не выходит на поверхность, выкопать воздушные колодцы и, оборудовав водонепроницаемым покрытием их поверхность, создавать аккумуляторы грунтовых вод.