Тепловой насос как работает: Принцип работы теплового насоса

Опубликовано в Разное
/
14 Дек 1990

Содержание

Принцип работы теплового насоса

Что такое тепловой насос?

Тепловой насос — это современный и высокотехнологичный прибор для отопления и кондиционирования воздуха. Тепловой насос собирает тепло с улицы или из земли и направляет в дом. Принцип работы теплового насоса основан на всеизвестном цикле Карно.

Для того, чтобы представить, как работают тепловые насосы предлагаем посмотреть анимационный ролик (требуется звук) о принципе работы тепловых насосов рахных типов:

Внутренний контур тепловых насосов состоит из следующих компонентов:

  • Конденсатор ;
  • Капилляр ;
  • Испаритель ;
  • Компрессор , работающий от электрической сети.

Помимо этого, во внутреннем контуре теплового насоса есть:

  • Терморегулятор, который управляет устройством;
  • Хладагент, циркулирующий в системе газ с определёнными физическими свойствами и характеристиками.

Хладагент под высоким давлением через капиллярное отверстие попадает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит процесс испарения. При этом хладагент отбирает тепло у внутренних стенок испарителя, а испаритель в свою очередь отнимает тепло у земляного или водяного контура, за счёт чего он постоянно охлаждается. Компрессор вбирает хладагент из испарителя, сжимает его, за счёт чего температура хладагента резко повышается и выталкивает в конденсатор. Кроме этого, в конденсаторе, нагретый в результате сжатия хладагент отдает тепло (температура порядка 85-125 градусов Цельсия) отопительному контуру и переходит в жидкое состояние.

Процесс повторяется постоянно. Когда температура в доме достигает необходимого уровня, электрическая цепь разрывается терморегулятором и тепловой насос перестает работать. Когда температура в отопительном контуре падает, терморегулятор вновь запускает тепловой насос. Таким образом хладагент в тепловом насосе совершает обратный цикл Карно.

Как мы видим, тепловые насосы перекачивают рассеяную тепловую энергию земли, воды или даже воздуха в относительно высокопотенциальное тепло для отопления объекта. Примерно 75% отопительной энергии можно собрать бесплатно из природы: грунта, воды, воздуха и только 25% энергии необходимо затратить для работы самого теплового насоса. Другими словами, владельцы тепловых насосов экономят 3/4 средств, которые он бы регулярно тратил на дизтопливо, газ или электроэнергию для традиционного отопления. Попросту говоря, тепловой насос с помощью теплообменников собирает тепловую энергию из земли (воды, воздуха) и «переносит» ее в помещение.

Тепловые насосы способны не только отапливать помещения, но и обеспечивать горячее водоснабжение, а также осуществлять кондиционирование воздуха. Но при этом в тепловых насосах должен быть реверсивный клапан, именно он позволяет тепловому насосу работать в обратном режиме.

Достоинства тепловых насосов

  • Экономичность . Тепловой насос использует введенную в него энергию на голову эффективнее любых котлов, сжигающих топливо. Величина КПД у него много больше единицы. Между собой тепловые насосы сравнивают по особой величине — коэффициенту преобразования тепла (Кпт), среди других его названий встречаются коэффициенты трансформации тепла, мощности, преобразования температур. Он показывает отношение получаемого тепла к затраченной энергии. К примеру, Кпт = 4,5 означает, что, подведя к машине 1 кВт, на выходе мы получим 4,5 кВт тепловой мощности, то есть 3,5 кВт природа предлагает нам безвозмездно;

  • Повсеместность применения .
    Источник рассеянного тепла можно обнаружить в любом уголке планеты. Земля и воздух найдутся и на самом заброшенном участке, вдали от газовых магистралей и линий электропередач — везде этот агрегат раздобудет для себя «пищу», чтобы бесперебойно отапливать ваш дом, не завися от капризов погоды, поставщиков дизельного топлива или падения давления газа в сети. Даже отсутствие нужных 2-3 кВт электрической мощности не помеха. Для привода компрессора в некоторых моделях используют дизельные или бензиновые двигатели;

  • Экологичность . Тепловой насос не только экономит деньги, но и сбережет здоровье обитателям дома и их наследникам. Агрегат не сжигает топливо, значит, не образуются вредные окислы типа CO, СО2, НОх, SO2 , PbO2. Потому вокруг дома на почве нет следов серной, азотистой, фосфорной кислот и бензольных соединений. Да и для планеты применение тепловых насосов — благо. Ведь по большому счету на ТЭЦ сокращается расход топлива на производство электричества.
    Применяемые же в тепловых насосах фреоны не содержат хлоруглеродов и озонобезопасны;

  • Универсальность . Тепловые насосы обладают свойством обратимости (реверсивности). Он «умеет» отбирать тепло из воздуха дома, охлаждая его. Летом избыточную энергию иногда отводят на подогрев бассейна;

  • Безопасность . Эти агрегаты практически взрыво- и пожаробезопасны. Нет топлива, нет открытого огня, опасных газов или смесей. Взрываться здесь просто нечему, нельзя также угореть или отравиться. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей. В сущности, тепловой насос опасен не более чем любой бытовой прибор.

При применении тепловых насосов необходимо помнить, что для всех типов тепловых насосов характерен ряд

особенностей :

  • Во-первых, тепловой насос оправдывает себя только в хорошо утепленном здании, то есть с теплопотерями не более 100 Вт/м2. Чем теплее дом, тем больше выгода. Как вы понимаете, отапливать улицу, собирая на ней же крохи тепла, — занятие глупое;

  • Во-вторых, чем больше разница температур теплоносителей во входном и выходном контурах, тем меньше коэффициент преобразования тепла (Кпт), то есть меньше экономия электроэнергии. Поэтому более выгодно подключение агрегата к низкотемпературным системам отопления. Прежде всего, имеется в виду обогрев от водяных полов или теплым воздухом, так как в этих случаях теплоноситель по медицинским требованиям не должен быть горячее 35°С.

Что такое тепловой насос. Принцип работы и стоимость теплового насоса

Типы тепловых насосов 

  • тепловой насос «грунт-вода»; 
  • тепловой насос «вода-вода»;

Все вышеуказанные виды тепловых насосов в качестве источника энергии для тепла, холода, используют:

  • воздух, окружающий нас;
  • воду из водоемов, или же подземные воды;
  • грунт.  

Устройства тепловых насосов разных типов очень схожи между собой, но есть и некоторые отличия. Например, у воздушного теплового насоса во внешнем блоке будут вентиляторы, которые прогоняют уличный воздух через систему. У грунтового теплового насоса будут трубы, схожие со скважиной, которые вкапываются в грунт, и забирают из него тепло для отопления или кондиционирования в доме. У водяного насоса так же будет скважина, через которую вода забирается в тепловой насос и прогоняется через систему для отопления.

Более детально об особенностях разных видов тепловых насосов читайте в статье Виды тепловых насосов для отопления: виды, преимущества и применение.

Правильно подобрать тепловой насос могут специалисты, которые при расчетах и выборе системы учитывают такие факторы: 

  • Состояние объекта (новое, или же реконструкция)
  • Физическое расположение объекта (для выбора типа теплового насоса – воздушный, водяной или грунтовой)

Рассматривая различия преимуществ одного вида теплового насоса от других, можно сказать, что воздушный тепловой насос считается более универсальным, так как подойдет для многих типов коттеджей и частных домой. Он так же быстро окупится. 

Что касается грунтового теплового насоса – он выглядит более эффективным, однако, такая система дольше окупается из-за стоимости земляных работ (бурения под скважину). В случае, если ваш объект находится вдалеке от комплексных построек, и электричество вам обходится очень дорого, то грунтовой тепловой насос является единственным выходом.

Водяные тепловые насосы применяться в двух случаях: если у вас обилие грунтовых вод (что встречается довольно редко), или же если рядом расположен водоем. Во втором случае, хотим предупредить, что для того чтобы забирать тепло из водоема — нужно использовать специфические теплообменники, которые к тому же довольно часто могут засоряться. Это приведет к уменьшению производительности и дорогому сервисному обслуживанию.

Схема подключения к тепловому насосу различных видов агрегатов для отопления:

 

Принцип работы геотермального теплового насоса

Большинство населения пока не знакомы с понятием «тепловой насос», но постоянно используют тепловые насосы в обычных холодильниках и кондиционерах.
Холодильники и кондиционеры стали настолько надежными, удобными и привычными, что мы перестали обращать внимание на их работу.
Таким же привычным является отопление зданий геотермальными тепловыми насосами, например для жителей Евросоюза. Геотермальный тепловой насос по принципу работы похож на обычный кондиционер реверсивного типа ( отопление и охлаждение). В отличие от кондиционеров, геотермальный тепловой насос адаптирован для работы при любых погодных условиях и минусовых температурах. Главная проблема кондиционеров — уменьшение производительности и остановка кондиционеров при минусовых температурах, когда отопление наиболее важно. Эта проблема решена в геотермальных тепловых насосах. Тепловой насос следует рассматривать как любое другое отопительное устройство, которое используется для производства тепла, и в отношении которого действуют все законы, касающиеся энергии. Как и у каждого спсоба отопления, у теплового насоса есть свои особенности, сильные и слабые стороны.

Теплотехнические расчёты у всех способов получения тепла одинаковые. Правила термодинамики действуют как при дровяном печном отоплении, так и при управляемой через Интернет геотермальной климатической установке.


Технические подробности роботы тепловых насосов.


Принцип работы основного элемента теплового насоса – фреонового компрессора отображен в цикле Карно, опубликованном в 1824 г. Практическую теплонасосную систему предложил лорд Кельвин в 1852 г. под названием „умножитель тепла”.


В соответствии с изображенным принципом действия, тепловой насос берет тепловую энергию из одного места, « сжимает» ее, и отдает в другое место. Например, в обычном холодильнике тепло отбирается морозильной камерой из продуктов и выбрасывается в кухню, при этом задняя стенка холодильника нагревается. Принцип действия геотермального теплового насоса основан на сборе тепла из почвы или воды, и передаче в систему отопления здания. Для сбора тепла незамерзающая жидкость течет по трубе, расположенной в почве или водоеме возле здания, к тепловому насосу.

Тепловой насос, подобно холодильнику, охлаждает жидкость (отбирает тепло), при этом жидкость охлаждается приблизительно на 5 °С. Жидкость снова течет по трубе в наружном грунте или воде, восстанавливает свою температуру, и снова поступает к тепловому насосу. Отобранное тепловым насосом тепло передается системе отопления и/или на подогрев горячей воды. Возможно отбирать тепло у подземной воды — подземная вода с температурой около 10 °С подается из скважины к тепловому насосу, который охлаждает воду до +1…+2°С, и возвращает воду под землю. Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус двести семьдесят три градуса Цельсия — так называемый «абсолютный ноль». То есть тепловой насос может отобрать тепло у любого предмета — земли, водоема, льда, скалы и т.д. Если же здание, например летом, нужно охлаждать (кондиционировать), то происходит обратный процесс — тепло забирается из здания и сбрасывается в землю (водоем). Тот же тепловой насос может работать зимой на отопление, а летом на охлаждение здания. Очевидно, что тепловой насос может греть воду для горячего бытового водоснабжения, кондиционировать через фанкойлы, греть бассейн, охлаждать например ледовый каток, подогревать крыши и дорожки от льда… Одно оборудование может выполнить все функции по тепло-холодоснабжению здания. Обмен теплом с окружающей средой геотермальные тепловые насосы осуществляют такими основными способами:
• Насос с открытым циклом — из подземного потока (плывуна) забирается подземная вода, подается в размещенный внутри здания тепловой насос, вода отдает/забирает тепло у теплового насоса, и возвращается в подземный поток на расстоянии от места забора. Плюсом такого способа является возможность одновременно получить воду для водоснабжения дома. Открытые системы являются очень эффективными, поскольку температура подземной воды является относительно высокой и круглогодично стабильной. Использование воды из скважины не наносит ущерба грунтовым водам, не изменяет уровень грунтовых вод в водном горизонте, поскольку открытую систему можно рассматривать как соединённые сосуды, где вода, забираемая из одного колодца, направляется обратно под землю через второй колодец, не изменяя общий уровень воды. Корректно, сооружённые в соответствии с нормативами скважины обеспечивают безопасную для окружающей природы стабильную работу системы отопления.

• Насос с закрытым циклом и горизонтальным теплообменником, размещенным в земле — трубки (коллекторы), в которых прокачивается теплоноситель, размещены горизонтально на глубине не менее 4 метра от поверхности земли. Такой теплообменник обычно называют поверхностным коллектором. Основной опасностью является неосмотрительность при проведении землекопных работ в зоне нахождения поверхностного коллектора. Для современно жилого дома с отапливаемой площадью в 200 м2 под основание коллектора требуется около 500 м2 поверхности грунта. При прокладке коллектора вблизи деревьев трубу коллектора не следует укладывать ближе, чем 1,5 метра от кроны. Правильно выбранный по размерам и правильно уложенный почвенный коллектор не влияет негативно ни на рост растений, ни на экологические условия.

Насос с закрытым циклом и вертикальным теплообменником — трубки, в которых прокачивается теплоноситель, размещены вертикально в земле и уходят в глубину земли обычно 50 — 100 метров. Такой теплообменник обычно называют зондом.

Как известно, на глубине более 8 метров от поверхности земля имеет стабильную температуру (для Приморского края +7,2 градуса Цельсия) независимо от поры года. Этот способ обеспечивает самую высокую эффективность работы теплового насоса, малый расход электроэнергии и дешевое тепло — на 1 кВт электроэнергии получают до 5 кВт тепловой энергии, но требует больших первоначальных капиталовложений на буровые работы

Обращаем внимание на нецелесообразность использования в Дальневосточном регионе систем отопления на так называемых «воздушных тепловых насосах», по сути обычных кондиционерах, в которых тепло для отопления здания забирается из наружного воздуха. Эти системы разработаны и успешно используются в более теплых странах, где не бывает значительных морозов — южных штатах США, Греции, Японии и т.д. Проблема в том, что размещенный снаружи теплообменник при температуре на улице около плюс 5 градусов Цельсия начинает покрываться льдом из-за замерзающего конденсата, резко снижается теплопередача, эффективность уменьшатся. При дальнейшем понижении температуры наружного воздуха эффективность становится близкой нулю, воздушный тепловой насос переходит на обычное электроотопление, что резко увеличивает расход электроэнергии.

Количество компрессоров в тепловом насосе — один или два. Тепловые насосы с двумя компрессорами значительно дороже однокомпрессорных, но более надежны, имеют больший моторесурс. Кроме того, при выходе из строя одного из компрессоров (любая техника когда-нибудь выходит из строя), возможно частично отапливаться одним компрессором до завершения ремонта.
Конструкция внешнего коллектора. В качестве внешнего коллектора большинство производителей тепловых насосов предусматривает полиэтиленовую трубу диаметром 25 — 40 миллиметров с циркуляцией незамерзающей жидкостью — водным раствором гликоля. Существуют также геотермальные тепловые насосы с медной трубой диаметром 6 — 10 миллиметров и циркуляцией фреона:

— полиэтиленовая труба в зависимости от диаметра имеет толщину стенки 2 — 2,4 миллиметра. Так, например, труба диаметром 40 миллиметров имеет толщину стенки 2,3 — 2,4 миллиметра. Такая толщина обеспечивает высокую надежность и прочность трубы — человек весом 110 килограмм трубу не сдавливает;

— геотермальные тепловые насосы с полиэтиленовой трубой и водным раствором являются конструктивно более сложными, но более эффективными и надежными, чем с медной трубой. Тепловые насосы с медной трубкой и фреоном конструктивно проще, но значительная (часто многокилометровая) длинна медной трубки с фреоном под давлением потенциально более опасна, чем полиэтиленовая.

При проектировании и монтаже целесообразно пользоваться требованиями, технологией и рекомендациями изготовителей оборудования и нормативно-правовой базой Европейского сообщества. Очевидно, что не все рабочие, которые могут взяться за работы по установке, знакомы с этими требованиями и технологиями. Использование неквалифицированного персонала приведет к некачественной установке.

Чиллер с тепловым насосом

Одним из самых востребованных на сегодняшний день видов техники для подачи тепла, способных работать как в режиме охлаждения, так и в режиме нагрева, является чиллер – тепловой насос. Это название носит холодильная установка, способная переключаться между режимами работы, в зависимости от того, что требуется помещению: охлаждение или отопление.

Большинство современных чиллеров могут порадовать своих пользователей не только теплым воздухом или водой, но и следующими показателями качества:

  • высокой эффективностью работы;
  • удобством настройки и контроля работы;
  • быстрой окупаемостью;
  • доступной стоимостью монтажа и обслуживания оборудования.

Тепловой насос типа чиллер работает по принципу компрессионного охлаждения как и большинство оборудования подобного направления. Обычно этот агрегат предназначен для того, чтобы конденсировать хладагент, охладить его и понизить давление в системе. В зависимости от конструкции чиллера, он может либо направлять в помещение холод, либо тепло – все зависит от направленности цикла работы и потребностей пользователя.

Какими бывают чиллеры

В зависимости от того, на базе чего работает тепловой агрегат, выделяют несколько его видов. Какой именно выбрать – зависит от ваших потребностей: если вы сомневаетесь в том, что тот или иной вариант оборудования подходит для ваших нужд, обязательно получите консультацию перед установкой теплового насоса.

Наиболее популярными на сегодняшний день являются три типа тепловых насосов:

  • воздух-вода. Такой вариант чиллера идеально подойдет для работы при температурах от +35°C до -25°C. Внешний блок теплового оборудования ставится на открытом воздухе или в помещении, внутренние расставляются в здании по предварительно созданной схеме. Модель «воздух-вода» подходит для отопления, кондиционеров, как элемент системы подготовки воды для бани, сауны;
  • соляной раствор-вода. Подобная тепловая установка – эффективное решение, если необходимо приготовление большого количества горячей или теплой воды (например, для обслуживания бассейна). Диапазон температуры теплоносителя – от -5 до +25°C;
  • вода-вода.Системы подобного рода обычно используют в качестве источника тепла грунтовую воду.  Тепловые схемы такого формата ставятся для отопления или пассивного охлаждения. Оборудование потребляет мало энергии за цикл, но требует тщательного анализа места установки и поиска грунтовых вод в достаточном объеме.

Кроме представленной классификации существует еще одна, в которой чиллеры делятся на тепловые машины сорбционные и струйные, теплоэлектрические насосы, парокомпрессионые установки и т. д.

Выбор наиболее подходящего варианта тепловой системы должен основываться на том, для чего вам нужен чиллер, какие задачи он будет решать, и насколько большие объемы воздуха или воды требуется охлаждать или нагревать. Расчет может выполнить опытный специалист: обратитесь за консультацией в нашу компанию, если вам требуется помощь в выборе тепловой установки.

Принцип работы чиллера

 

Тепловой насос представляет собой замкнутую систему, где тепло может перемещаться в прямом или обратном направлении. Какое направление выбрано, зависит от потребностей пользователя: циклы отопления и охлаждения идентичны всем, кроме порядка, в котором хладагент под давлением проходит все элементы системы. В качестве источника питания выступает подключение оборудования к электросети.

Сам по себе чиллер для подачи теплой воды или воздуха состоит из нескольких основных частей. Главными элементами являются конденсатор, компрессор и испаритель. Вспомогательный – дроссельный клапан. В качестве хладагента в подавляющем количестве систем используется фреон.

Схема работы следующая:

  1. Хладагент под давлением циркулирует в замкнутом контуре, перемещаясь между компрессором и испарителем.
  2. Во внешнем теплообменнике хладагент испаряется при низкой температуре и давлении. В это время он охлаждается и забирает тепло.
  3. Компрессор теплового насоса сжимает хладагент, передавая его на внутренний блок обменника.
  4. Хладагент, проходя через сопло расширителя, конденсируется на стенках, передавая свою температуру конденсатору.
  5. Далее снова жидкий хладагент опять попадает в теплообменник и начинает испаряться.

Цикл перемещения хладагента насосом и изменения давления повторяется столько раз, сколько необходимо для получения нужной температуры воды или внешней среды.

Область применения чиллеров

Тепловые насосы используются в различных сферах промышленности.

Чаще всего их можно встретить на следующих предприятиях:

  • пищевые, где чиллеры покупаются для организации теплых и холодных цехов;
  • машиностроительные заводы;
  • химическая промышленность;
  • фармацевтическое производство;
  • полиграфические услуги.

Везде, где требуется теплая или охлажденная вода или воздух в больших количествах, можно использовать чиллеры. Это универсальные агрегаты высокой эффективности и надежности.

Преимущества чиллеров

Тепловые насосы – это очень востребованные системы, которые устанавливаются практически на всех производственных предприятиях. Преимущества чиллеров значительны, а показатели эффективности превосходят многие другие типы оборудования.

Наиболее показательными достоинствами чиллеров называют:

  • долговечность. В среднем агрегаты подобного плана служат от 20 лет, что позволяет прогнозировать расходы на системы отопления и их обслуживание в долговременном периоде;
  • экономичность при использовании. Стоимость эксплуатации подобного агрегата примерно сопоставима с работой на газовом тепловом оборудовании, которое считается одним из самых дешевых вариантов;
  • безопасность и экологичность всей тепловой схемы, за вычетом особенностей хладагента. Но, учитывая стремление передовых компаний к повышению экологичности производства, многие фирмы предлагают чиллеры на базе безопасных для природы хладагентов. Они не так эффективны, как классика, но стабильны и надежны;
  • возможность использования теплового насоса и для обогрева, и для получения тепла. Причем для этой цели не требуется монтаж дополнительного оборудования или усложнение системы кондиционирования;
  • сравнительно низкий уровень шума при производстве тепла. Хотя в большинстве случаев чиллеры ставятся на улице, они могут эксплуатироваться и в условиях помещения, не мешая при этом работе предприятия. Такие решения обычно характерны для производственных цехов;
  • простая установка и последующее обслуживание всей тепловой схемы. Хотя технику желательно монтировать под руководством специалиста, по сравнению с другими системами отопления, установка чиллера не так сложна;
  • несложная схема управления и настройки. Параметры выработки тепловой энергии или работы насоса можно указать на программируемых контроллерах, которые будут поддерживать необходимые показатели самостоятельно. В современных системах отопления также используется удаленный контроль за работой оборудования. Техника передает в сеть информацию о температуре, эффективности работы, времени эксплуатации, выявленных ошибках и другие данные.

 

Если вы планируете приобрести тепловой насос, обращайтесь в компанию ВК ТЕХНО. У нас найдется различное оборудование для охлаждения и вентиляции. Все вопросы задавайте консультанту!

Принцип действия теплового насоса

Принцип работы теплового насоса

Поделиться ссылкой на статью

Обновлено 16 февраля, 2020

Опубликовано

Оставить комментарий