Принцип действия теплового насоса основан на двух взаимообратных термодинамических эффектах – выделении тепла, именуемого теплом фазового перехода, при испарении жидкости (переход в парообразное состояние) или конденсации (переход в жидкое состояние). Рабочим телом теплового насоса является замкнутый контур заполненный хладагентом (фреоном) – жидкостью способной быстро менять свое агрегатное состояние при относительно незначительных изменениях температуры.
Сегодня количество используемых тепловых насосов различной мощности достигает порядка 10 млн. штук и количество их увеличивается в среднем на 10% в год. Достаточно сказать, что по итогам 2004 года энергостанциями на базе тепловых насосов было выработана энергия равная получаемой от сжигания приблизительно 2 млрд. кубометров газа! Специалисты Всемирного энергетического комитета (WEC) считают, что к 2020 году вклад тепловых насосов в суммарную энерговыработку превысит 70%.
Структурную схему теплового насоса можно представить в следующим виде:
Источник теплоты низкого уровня посредством низкотемпературного теплообменника нагревает испаритель теплового насоса, который передает полученное из окружающей среды тепло во внутренний контур. Во внутреннем контуре от полученного тепла закипает хладагент. Далее превратившийся в газ хладагент попадает, в компрессор, где его температура возрастает. Затем, попав в конденсатор теплового насоса и отдав свое тепло, хладагент охлаждается и снова переходит в жидкое состояние. После прохождения хладагента через дроссельный клапан цикл его преобразования повторяется снова. Тепло же из конденсатора, посредством высокотемпературного теплообменника, передается потребителю теплоты высокого уровня.
По типу источника теплоты низкого уровня тепловые насосы делят на следующие группы:
- Тепловые насосы скважинного грунтового типа;
- Тепловые насосы поверхностного грунтового типа;
- Тепловые насосы водного типа;
- Тепловые насосы воздушного типа.
Рассмотрим специфические особенности тепловых насосов каждой из приведенных групп.
Тепловые насосы скважинного грунтового типа
В данном случае установка теплового насоса требует проведения буровых робот по созданию скважины, глубина которой, в зависимости от ряда факторов (состав почвы, наличие грунтовых вод), может находится в пределах от 50 до 200 метров. Диаметр скважины, как правило, колеблется в пределах 10-20 сантиметров. После окончания буровых работ в скважину помещается теплообменный U – образный контур, заполненный водой, которая поглощая тепло грунта и передает его насосу. На глубине большей глубины промерзания сохраняется свыше 90% энергии накопленной за теплое время года. Этого количества оказывается вполне достаточно для эффективной работы теплового насоса – затрачивая порядка 1 кВт электроэнергии на работу компрессора насоса, на выходе получаем в среднем 5 кВт энергии.
Тепловые насосы поверхностного грунтового типа
Принцип действия теплового насоса этого типа остается абсолютно идентичным приведенному выше. Различие заключается в пространственной ориентации контура: если в первом случае контур, заполненный водой, размещается вертикально, то сейчас – горизонтально. Для осуществления установки теплового насоса этого типа необходимо наличие свободного участка земли площадью порядка нескольких десятков м².
Глубину скважины (L, м) (для тепловых насосов первой группы) и площадь земляного участка (S, м²) (для тепловых насосов второй группы) можно расчитать следующим образом:
L = Qх./g , м
где Qх. – холодопроизводительность теплового насоса, Вт;
g – удельная тепловая мощность почвы (см. справочную таблицу ниже)
Qх. = Qт. – Рс., Вт
где Qт. – теплопроизводительность теплового насоса, Вт;
Рс. – мощность, потребляемая компрессором теплового насоса, Вт.
Подставив соответствующие значения в исходную формулу, получаем:
L = (Qт. – Рс.) / g, м
Аналогично рассчитывается площадь земляного участка необходимого для размещения теплового насоса поверхностного грунтового типа:
S = (Qт. – Рс.) / g, м²
Разница вычислений состоит лишь в том, что значение величины g из справочной таблицы нужно брать из соответственной колонки.
| Тип почвы | Удельная тепловая мощность почвы | |
| для скважин, Вт/ м. | для поверхностей, Вт/ м². | |
| Сухая глина | 60 | 20 |
| Влажная глина | 80 | 30 |
| Сухой песок | 20 | 10 |
| Влажный песок | 40 | 20 |
Тепловые насосы водного типа
Тепловые насосы, в которых источником теплоты низкого уровня является грунтовые воды справедливо считаются наиболее эффективными из существующих. Это объясняется тем, что температура воды в скважинах в течении всего года составляет порядка +10º С. Для такого теплового насоса необходимо бурение двух скважин, одна из которых работает на подачу воды насосу, а другая – осуществляет отвод воды. Важно, чтобы расстояние между подающей и выводной скважинами было более 5 метров. Также необходимо обеспечить защиту от перемерзания подвода и вывода воды к тепловому насосу.
Важным эксплуатационным показателем теплового насоса водного типа является скорость расхода воды (Vоб. , м³/ч) . Рассчитать ее величину можно с помощью приведенной ниже формулы:
Vоб. = Qх. / ρ* св.*ΔТ , м³/ч
где Qх. – холодопроизводительность теплового насоса, Вт;
ρ – плотность воды (ρ = 1000 кг/м³);
св. – удельная теплоемкость воды (св. = 1,163 Вт* ч/ кг*К);
ΔТ – разность температур поданной и отведенной воды.
Тепловые насосы воздушного типа
Неоспоримым достоинством тепловых насосов воздушного типа является отсутствие необходимости проведения бурильных или иных земляных робот, что приводит к существенному снижению стоимости оборудования. Однако, в отличии от источников теплоты низкого уровня насосов трех предыдущих типов, воздух окружающей среды отличается нестабильностью среднегодичной температуры. Это негативно отражается на эффективности теплового насоса воздушного типа в холодное время года (например, снижение температуры воздуха с +10 до -10°С вызывает двукратный упадок производительности насоса).
Конструктивно тепловой насос воздушного типа может быть двухмодульным и одномодульным. В первом случае модуль, состоящий из вентилятора и испарителя, располагается за пределами здания на улице, а модуль, включающий конденсатор, монтируется в помещении. В одномодульном исполнении тепловой насос воздушного типа монтируется в едином корпусе, а воздух нагнетается через воздуховод.
Расчет эффективности тепловых насосов
Основным показателем эффективности работы теплового насоса любого типа является величина называемая коэффициентом преобразования (COP от англ. “coefficient of performance” ). Являясь, по сути, коэффициентом полезного действия теплового насоса COP равняется отношению тепловой энергии вырабатываемой насосом в единицу времени к мощности, которую потребляет компрессор насоса за это же время.
COP = Qп. / Qз.= (Qи.+ Qз.)/ Qз. = Qи./ Qз. + 1
где Qп. – энергия, отдаваемая тепловым насосом потребителю теплоты высокого уровня, Вт;
Qз. – энергия, затрачиваемая на работу компрессора теплового насоса, Вт;
Qи. – энергия, получаемая тепловым насосом от источника теплоты низкого уровня, Вт;
Отношение Qи./ Qз. называется отношением энергетической эффективности (EER от англ. “energy efficiency ratio”). Эту величину можно представить и в иной форме:
EER = Ткип. / (Тконд. – Ткип.)
где Ткип. – температура кипения хладагента,º;
Тконд. – температура конденсации хладагента,º;
Таким образом подставив вторую формулу в первую можем получить:
COP = (Ткип. / (Тконд. – Ткип.) ) + 1
В завершении приведем гистограмму стоимости одного кВт энергии в зависимости от вида топлива (на состояние 2007 года), наглядно демонстрирующую экономическую целесообразность установки теплового насоса.
