Тепловой насос

В 1852 году Томсон (лорд Кельвин) предложил устройство, названное им умножителем теплоты, и показал, как можно эффективно использовать холодильную машину для целей отопления. С тех пор принцип действия парокомпрессионного теплового насоса (ТН) не претерпел существенных изменений. ТН, как и всякая парокомпрессионная холодильная установка, состоит из компрессора, конденсатора, расширительного вентиля и испарителя.

Рис.1. Принципиальная схема работы ТН "воздух – воздух"

Разница между холодильником и ТН заключается в том, какой процесс (кипение или конденсация) является полезным, хотя для технологических задач и в кондиционировании (при осушении воздуха) возможно одновременное использование обоих процессов. В этом случае происходит самая эффективная работа парокомпрессионной холодильной установки.

Основной термодинамической характеристикой ТН является коэффициент преобразования μ ( μ = 1 + ε , где ε – холодильный коэффициент), который определяется отношением количества теплоты, отданной в конденсаторе, к затраченной в компрессоре работе.

Электроэнергия затрачивается не столько на "производство" теплоты, сколько на ее перемещение с улицы в помещение. ТН, затрачивая единицу электрической энергии, "перекачивает" в помещение от 2 до 6 единиц тепловой энергии.

Системы отопления бывают моновалентными и бивалентными. Различие состоит в том, что моновалентные системы имеют один источник теплоты, который полностью покрывает потребность в отоплении. Бивалентные системы имеют в своем составе два источника теплоты для расширения диапазона рабочих температур, снижения капитальных затрат и увеличения надежности. Например, ТН работает до температуры наружного воздуха –25°С, а при дальнейшем понижении температуры в дополнение к нему или вместо него включается газовый или жидкотопливный котел.

Источником низкопотенциальной теплоты может служить воздух, грунт, водоемы, тепловые выбросы промышленных предприятий и пр. (рис.1 и 2).

ТН можно представить в виде системы из трех зон: в первой, внешней, происходит отбор теплоты от окружающей среды; во второй — хладагент, который кипит с низкой температурой, отбирая теплоту от внешнего теплоносителя, отдает теплоту при конденсации с высокой температурой; в третьей, внутренней зоне находятся системы отопления и горячего водоснабжения здания.

Внешняя зона представляет собой воздухоохладитель (в системах "воздух – воздух" или трубопровод с циркулирующей незамерзающей жидкостью — антифризом, уложенный в землю, скважину или воду.

Вторая зона включает теплообменники (испаритель, взаимодействующий с внешним контуром; конденсатор, взаимодействующий с отопительным контуром системы), расширительный вентиль, компрессор, устройства автоматического управления ТН и системы отопления в целом.

Третья зона - отопительный контур, включает воздухонагреватель или традиционные радиаторы отопления, системы "теплый пол", бойлеры для нагрева воды и др.

Рис.2. Принципиальная схема забора низкопотенциальной теплоты ТН от разных источников (скважины - энергетический колодец, поверхностное тепловое поле, водоем и артезианские скважины)

При использовании вертикальных скважин глубиной от 50 до 150 м в них погружаются U-образные металлопластиковые или пластиковые трубы диаметром 40 мм. В одну скважину возможна установка двух U-образных петель. Расстояние между скважинами должно быть больше 6 м. Можно ориентироваться на следующие данные по теплосъему, в зависимости от типа грунта: сухие осадочные породы – 20 Вт/м; каменистая почва и насыщенные водой осадочные породы – 50 Вт/м; каменные породы с высокой теплопроводностью – 70 Вт/м; подземные воды – 80 Вт/м.

Температура грунта на глубине 15…20 м составляет примерно + 10°С и увеличивается на каждые 100 м скважины вглубь примерно на 2 К. Скважина является наиболее эффективным, компактным и независимым от погодных условий источником теплоты.

Тепловое поле состоит из пластиковых труб того же диаметра, равномерно уложенных в грунт на глубину 1,2...1,5 метра с шагом 0,75...0,9 м. Ориентировочно можно считать, что для горизонтальных коллекторов в зависимости от типа грунта теплосъем составляет: сухой песок – 10 Вт/м; сухая глина – 20 Вт/м; влажная глина – 25 Вт/м; глина с большим содержанием воды – 35 Вт/м.

На участке над коллектором не следует возводить строений, чтобы земля нагревалась за счет солнечной радиации.

Для сбора теплоты речной или озерной воды используют такие же пластиковые трубы, которые спирально укладываются на дно водоема. Ориентировочно можно считать, что для водяных коллекторов в зависимости от типа водоема, скорости течения воды, теплосъем составляет 35...50 Вт/м. Температура воды при этом не опускается ниже 5°С в холодное время, что позволяет обеспечивать эффективный теплосъем в течение всего года.

Как правило, теплоту атмосферного воздуха используют до температуры - 15... - 10°С, а далее используют дополнительный источник тепловой энергии (бивалентные системы). ТН типа «воздух –воздух» ZUBADAN Mitsubishi Electric сохраняет свои тепловые характеристики до -15°С и может работать до - 25°С. Учитывая, что отопительный сезон длится около 250 дней в году, а температура атмосферно воздуха опускается ниже - 15°С не более 10...30 дней в течение года, использование теплоты атмосферного воздуха позволяет существенно экономить затраты на отопление.

Применение ТН в частном загородном строительстве решает задачи отопления и горячего водоснабжения, многократно сокращает эксплуатационные затраты.

Для системы отопления загородного дома, основанной на ТН наиболее оптимальны теплые полы. Водяной теплый пол – низкотемпературная система отопления (температура теплоносителя 30...45°С). В сравнении с традиционной радиаторной системой отопления, экономия тепловой энергии может достигать 40...50 %. Кроме того, теплый пол решает проблему неравномерности распределения теплоты, нагревая в первую очередь пространство жизнедеятельности человека.

В силу технических ограничений оптимальная температура, подаваемая в систему отопления дома из ТН, не превышает 65°C, а температура обратной воды не должна превышать 58°С.

Работы по монтажу оборудования лучше всего проводить параллельно со строительством дома. В процессе эксплуатации оборудование не нуждается в специальном обслуживании. Стоимость ТН и монтажа системы отопления загородного дома составляет до $1200 на 1 кВт необходимой мощности. Но расчет убедительно доказывает экономическую целесообразность применения этих установок.

Группа компаний "Фармина" предлагает комплектующие к Тепловым Насосам.

Поскольку "сердцем" Теплового Насоса является холодильная машина, то элементы автоматики "Danfoss" являются его неотъемлемой частью. Кроме того пластинчатые теплообменники "Danfoss" и спиральные компрессоры Performer H ("обзорный каталог PDF", "каталог продукции" ) могут использоваться в тепловых насосах.