Принцип работы теплового насоса
1 ноября 2018 17:00
// Тепловые насосы
Тепловой насос — это устройство компрессионного типа, приводимое в действие с помощью механической работы, совершаемой компрессором за счет потребления электроэнергии.
Принцип работы теплового насоса или принцип действия теплового насоса, термодинамически аналогичен холодильной машине. В качестве рабочего тела в компрессионных тепловых насосах выступает хладагент (фреон), который и осуществляет перенос тепла от источника к потребителю за счет работы, совершаемой компрессором теплового насоса.
Резкое повышение температуры фреона до 70-110 °С происходит за счет сжатия фреона в компрессоре теплового насоса.
Температуры кипения и конденсации фреона зависят от свойств самих фреонов, но рабочие диапазоны температур фреонов в тепловых насосах, зависят уже от типа и назначения конкретного теплового насоса.
Основные типы делятся на подтипы и разновидности. Например, водяные тепловые насосы делятся на тепловые насосы с открытым и замкнутым первичным контуром отбора тепла. Так, существуют водяные тепловые насосы, которые перекачивают воду через себя, как обычный водяной насос, но при этом отбирают у воды часть ее тела.
Подробно о принципах действия и о работе тепловых насосов можно прочесть в открытых источниках сети Интернет, например, в Википедии. На этом введение в теорию работы теплового насоса закончена, и мы переходим к самому интересному — к принципу работы теплового насоса для отопления.
Теперь мы знаем, что любой тепловой насос только совершает работу по переносу тепла от источника к потребителю. Но поскольку источником тепла для теплового насоса являются различные среды, то и тепловые насосы делятся по типу источника тепла на воздушные и водяные (геотермальные).
Потребители тепла, в свою очередь, тоже делятся на воздушные и водяные. Отсюда и появляется условное разделение тепловых насосов по источнику и потребителю тепла на три основных типа.
Основные типы тепловых насосов:
Основные типы тепловых насосов:
- воздух-воздух
- воздух-вода
- вода-вода
Основные типы делятся на подтипы и разновидности. Например, водяные тепловые насосы делятся на тепловые насосы с открытым и замкнутым первичным контуром отбора тепла. Так, существуют водяные тепловые насосы, которые перекачивают воду через себя, как обычный водяной насос, но при этом отбирают у воды часть ее тела.
Существуют тепловые насосы, которые отбирают тепло верхних слоев земли через замкнутый геотермальный контур (конструктивно такой контур можно представить как обычный водяной теплый пол).
Воздушные тепловые насосы могут передавать тепло непосредственно потребителю, как это делают кондиционеры. Такие тепловые насосы называются воздух-воздух. Но тепловые насосы могут передавать тепло жидкому теплоносителю, например воде в водяной системе отопления. Такие тепловые насосы называются воздух-вода (это самые распространенные и универсальные тепловые насосы).
У большинства читателей возникает резонный вопрос — ну хорошо, допустим вода имеет положительную температуру, но откуда же взяться теплу в воздухе, когда его температура ниже нуля, скажем, -25 °С?
Из школьного курса физики все мы помним, что такого понятия, как холод в физике просто не существует. Есть только тепло и его потенциал. Тепло есть всегда и везде вплоть до 0 К (Кельвин), температуры, которая недостижима. Напомню, что температура 0 К — это почти -273 °С.
Мы уже знаем, как работает тепловой насос. Теперь давайте разберемся с принципом работы теплового насоса для отопления дома.
Стало понятно, что подключение теплового насоса принципиально не отличается от подключение обычного котла. Однако, для каждого типа теплового насоса есть свои особенности подключения, которые влияют на эффективность его работы.
Несмотря на простоту такого теплового насоса и ряд его неоспоримых преимуществ, у него есть и ряд недостатков, которые ограничивают возможности его применения для отопления дома.
В целом, это самый доступный способ отопления дома тепловым насосом, но подходит только для небольших домов. Организовать равномерное отопление большого дома будет задачей непростой и одного теплового насоса будет недостаточно.
Принцип работы теплового насоса воздух-вода позволяет отапливать значительные площади, практически без ограничений. Но и здесь есть свои плюсы и минусы.
В целом, это самый предпочтительный тип теплового насоса для решения задачи сокращения расходов для отопления дома в любых климатических условиях, в том числе, арктических. Идеально подходит для модернизации существующей водяной системы отопления или как альтернатива, при переходе на другой источник тепла.
Здесь все очень сложно, запутанно и неоднозначно. Этот вид тепловых насосов подвергается самым частым экспериментам по способу отбора тепла из верхних слоев почвы. В сети очень много информации на этот счет.
Воздушные тепловые насосы могут передавать тепло непосредственно потребителю, как это делают кондиционеры. Такие тепловые насосы называются воздух-воздух. Но тепловые насосы могут передавать тепло жидкому теплоносителю, например воде в водяной системе отопления. Такие тепловые насосы называются воздух-вода (это самые распространенные и универсальные тепловые насосы).
У большинства читателей возникает резонный вопрос — ну хорошо, допустим вода имеет положительную температуру, но откуда же взяться теплу в воздухе, когда его температура ниже нуля, скажем, -25 °С?
Из школьного курса физики все мы помним, что такого понятия, как холод в физике просто не существует. Есть только тепло и его потенциал. Тепло есть всегда и везде вплоть до 0 К (Кельвин), температуры, которая недостижима. Напомню, что температура 0 К — это почти -273 °С.
Мы освежили в памяти тот факт, что тепло есть всегда и везде. Теперь пора переходить к главного секрету магии теплового насоса — его КПД или COP (Coefficient Of Performance), который ВСЕГДА больше 1 (единицы).
Условный КПД теплового насоса — это величина не тождественная физическому КПД, который всегда меньше 1, а всего лишь показатель преобразования электрической энергии, потребленной тепловым насосом, на совершение работы по переносу тепла от источника к потребителю.
КПД (СОР) теплового насоса всегда больше 1. Диапазон рабочих значений СОР современных тепловых насосов равен 3-5.
Например, при КПД (СОР) теплового насоса равным 3, тепловой насос потребит всего 1 кВт электрической энергии на передачу потребителю 3 кВт тепла от источника.
Факт: Геотермальные тепловые насосы переносят тепло не от ядра нашей планеты, а от Солнца, которое нагревает верхние слои почвы и воды, содержащейся в ней. Таким образом, все бытовые тепловые насосы переносят солнечное тепло.
Принцип работы теплового насоса для отопления дома
Мы уже знаем, как работает тепловой насос. Теперь давайте разберемся с принципом работы теплового насоса для отопления дома.
При отоплении дома, тепловой насос выступает в качестве котла в системе отопления дома. Соответственно и говорить мы будем о том, как тепловой насос работает в системе отопления.
Как и любой котел в водяной системе отопления, тепловой насос нагревает воду, циркулирующую в системе отопления. Гидравлически подключение теплового насоса не отличается от подключения обычного котла.
Принципиальные схемы подключения теплового насоса для отопления:
Как и любой котел в водяной системе отопления, тепловой насос нагревает воду, циркулирующую в системе отопления. Гидравлически подключение теплового насоса не отличается от подключения обычного котла.
Принципиальные схемы подключения теплового насоса для отопления:
- схема подключения теплового насоса для отопления через буфер
- схема подключения теплового насоса для отопления через бойлер косвенного нагрева
- схема прямого подключения теплового насоса для отопления
Стало понятно, что подключение теплового насоса принципиально не отличается от подключение обычного котла. Однако, для каждого типа теплового насоса есть свои особенности подключения, которые влияют на эффективность его работы.
Давайте рассмотрим принципы работы трех основных типов бытовых тепловых насосов по очереди.
Принцип работы теплового насоса воздух-воздух не отличается от принципа работы обычного бытового кондиционера. Разница состоит лишь в том, что основной режим работы теплового насоса — нагрев, а для кондиционера — это охлаждение. В остальном все точно так же.
Принцип работы теплового насоса воздух-воздух
Принцип работы теплового насоса воздух-воздух не отличается от принципа работы обычного бытового кондиционера. Разница состоит лишь в том, что основной режим работы теплового насоса — нагрев, а для кондиционера — это охлаждение. В остальном все точно так же.
Несмотря на простоту такого теплового насоса и ряд его неоспоримых преимуществ, у него есть и ряд недостатков, которые ограничивают возможности его применения для отопления дома.
Преимущества:
- доступная цена (это самые дешевые тепловые насосы)
- относительно простой монтаж (как для обычного кондиционера)
- высокая эффективность, как следствие невысокой температуры нагрева 25-30 °С
- быстрая окупаемость
Недостатки:
- нагревает воздух только в одном помещении
- наличие фреонового контура между наружным и внутренним блоком
- ограниченная тепловая мощность
- необходимо инверторное управление мощностью компрессора
- шум внутреннего блока (как у кондиционера)
-
ограничение по минимальной рабочей температуре воздуха на улице
Принцип работы теплового насоса воздух-вода
Для полноценного отопления дома любой площади лучше всего подходит водяная система отопления и тепловой насос воздух-вода здесь уместен как нельзя лучше. В отличие от чисто воздушного теплового насоса, в тепловом насосе воздух-вода заложен принцип нагрева воды аналогично обычному котлу в водяной системе отопления.
Принцип работы теплового насоса воздух-вода позволяет отапливать значительные площади, практически без ограничений. Но и здесь есть свои плюсы и минусы.
Преимущества:
- доступная цена
- простой монтаж (как для обычного электрического котла)
- большой диапазон мощностей
- нагревает воду (жидкий теплоноситель) в системе отопления
- может быть установлен на любом удалении от потребителя
- высокая эффективность
-
быстрая окупаемость
Недостатки:
- ограничение по минимальной рабочей температуре воздуха на улице
Принцип работы теплового насоса вода-вода
Здесь все очень сложно, запутанно и неоднозначно. Этот вид тепловых насосов подвергается самым частым экспериментам по способу отбора тепла из верхних слоев почвы. В сети очень много информации на этот счет.
Мы же остановимся только на тех из них, которые получили широкое распространение в быту, имеют высокую надежность и доказанную эффективность.
Более сложные и дорогие тепловые насосы вода-вода для отопления дома — это тепловые насосы с замкнутым контуром, которые чаще всего и называют геотермальными или рассольными тепловыми насосами, поскольку первичный контур у них расположен под землей и внутри контура циркулирует незамерзающий теплоноситель (водный раствор пропиленгликоля), который иногда и называют рассолом.
Преимущества:
Следует помнить, что в погоне за эффективностью, покупатели ограничивают выбор тепловых насосов только минимально допустимой рабочей температурой воздуха на улице и максимальной температурой нагрева теплоносителя.
Самый простой и эффективный тепловой насос вода-вода — это тепловой насос с открытым первичным контуром, который перекачивает воды между скважинами или резервуарами (водоемами).
Более сложные и дорогие тепловые насосы вода-вода для отопления дома — это тепловые насосы с замкнутым контуром, которые чаще всего и называют геотермальными или рассольными тепловыми насосами, поскольку первичный контур у них расположен под землей и внутри контура циркулирует незамерзающий теплоноситель (водный раствор пропиленгликоля), который иногда и называют рассолом.
Преимущества:
- средняя сезонная эффективность может быть выше (но на практике чаще ниже), чем у воздушных моделей
- большой диапазон мощностей
- нагревает воду в системе отопления
Недостатки:
- самая высока цена «под ключ» среди всех типов тепловых насосов
- сложный монтаж
- высокий уровень шума (если тепловой насос установлен в доме)
- необходимость согласования с муниципальными службами
- длительный срок окупаемости
- сложное техническое обслуживание
- высокие риски утраты/порчи геотермального контура
Следует помнить, что в погоне за эффективностью, покупатели ограничивают выбор тепловых насосов только минимально допустимой рабочей температурой воздуха на улице и максимальной температурой нагрева теплоносителя.
В этих двух параметрах и кроется главная ошибка, которая подстерегает неопытного покупателя. Для таких покупателей тепловой насос воздух-воздух будет оптимальным выбором.
Учитывая, что тепловой насос, как и любой котел, не может являться единственным источником тепла в системе отопления, следует обязательно предусмотреть резервный источник тепла, как это рекомендовано в строительных нормах и правилах (СНиП), но о которых мы так часто забываем в погоне за оптимизацией расходов.
Учитывая, что тепловой насос, как и любой котел, не может являться единственным источником тепла в системе отопления, следует обязательно предусмотреть резервный источник тепла, как это рекомендовано в строительных нормах и правилах (СНиП), но о которых мы так часто забываем в погоне за оптимизацией расходов.
Если же к проектированию системы отопления подойти основательно, то для тепловых насосов необходимо изначально проектировать низкотемпературную систему отопления с рабочими температурами в диапазоне 30-45 °С.
Всегда следуйте золотому правилу для любого теплового насоса — чем ниже температура нагрева теплоносителя, тем выше эффективность теплового насоса и выше ваша экономия.
Температуру источника тепла мы контролировать не можем, а вот понизить температуру в системе отопления еще как можем! Например, простой заменой радиаторов на фанкойлы или теплый водяной пол.
- Комментарии
Загрузка комментариев...
