Как работает тепловой насос


Тепловые насосы позволяют использование ресурсов природной энергией, источником которой может быть атмосферный воздух, почва, поверхностные воды или подземные. Эти устройства потребляют тепловую энергию от источника и передают ее в здание.

Грунт и поверхностные воды содержат большое количество энергии. С помощью тепловых насосов, уже на глубине от 1.5 м мы можем получать количество энергии, которая будет удовлетворять наши ежедневные потребности отопления.

Общие сведения энергообразования

Вся энергия полученная из грунта, будет восстановлена за счет энергии солнечного света, которой больше, чем Земля в состоянии поглотить. Солнце поставляет  в 5000 раз больше энергии, чем нужно Миру в год. В зависимости от времени года и глубины, температура грунта может колебаться в диапазоне от 4 до 8°C.

При глубине выше 15 м прекращаются термические движения грунта, нет зависимости от времени года, а температура станет в пределах 8-10°С. На больших глубинах земля регенерируется потоком грунтовой воды, тепла внутри земли и тепла поступающего сверху.

Тепловые насосы позволяют использование ресурсов природной энергией, источником которой может быть атмосферный воздух, почва, поверхностные воды или подземные

Тепловые насосы позволяют использование ресурсов природной энергией, источником которой может быть атмосферный воздух, почва, поверхностные воды или подземные

Тепловые насосы применяются в системах кондиционирования воздуха, системах центрального отопления, напольного отопления, служат для нагрева водопроводной воды.

В соответствии с результатами исследований, применение тепловых насосов, использующих грунт в качестве источника энергии влияет в некоторых странах на сокращение выбросов CO2 по сравнению с масляными котлами до 90%, а по сравнению с газовыми котлами на 80%.

То в какой степени мы сможем сократить выбросы CO2 заменив традиционный источник тепла тепловым насосом зависит от типа топлива, используемого для производства электроэнергии. Поэтому в нашей стране по-прежнему большую долю в производстве электроэнергии имеют ископаемые виды топлива (например, уголь), выбрасывающие большое количество CO2, заменив газовый котел тепловым насосом мы снижаем выбросы CO2.


Глядя на вопрос в перспективе ближайших лет (срок службы компрессоров в тепловых насосах составляет до 20 лет), следует предположить, что выбросы CO2 при производстве электроэнергии будет ограничена, таким образом, применение теплового насоса будет способствовать сокращению выбросов. Приведенная ниже схема позволяет оценить степень выбросов CO2 в зависимости от используемого источника тепла.

Сокращение выбросов CO2 по сравнению с масляными котлами до 90%, а по сравнению с газовыми котлами на 80%

Сокращение выбросов CO2 по сравнению с масляными котлами до 90%, а по сравнению с газовыми котлами на 80%

Принцип работы теплового насоса

Тепловые насосы работают так, как холодильники, но в отличие от них, используют не холодную, а горячую сторону термодинамической циркуляции. Соответствующий рабочий материал сжимается и расширяется, благодаря чему достигается желаемый эффект нагрева или охлаждения.

Например, для получения полезного тепла, тепло из грунтовых вод или почвы удаляется при низком уровне температуры, испаряя рабочую среду (безвредный газ R407C), кипящую при низкой температуре. Таким образом, изначально жидкая рабочая среда покидает испаритель (теплообменник на стороне коллектора) в виде газа.

Тепловые насосы работают так, как холодильники, но в отличие от них, используют не холодную, а горячую сторону термодинамической циркуляции

Тепловые насосы работают так, как холодильники, но в отличие от них, используют не холодную, а горячую сторону термодинамической циркуляции

Этот газ сжимается компрессором, а при конденсации конденсируется в конденсаторе (теплообменник со стороны здания) при высоком уровне температуры выделяя теплоту конденсации и теплоту сжатия из системы отопления. Рабочее вещество все еще находится под давлением, затем вытесняется в расширительном клапане, переходя к части низкого давления, и вся цепь начинается с самого начала.

Тепловой насос через коллекторы или грунтовые зонды, получает тепло из грунта. Потому что в открытом грунте круглый год господствуют почти неизменные температуры, насос сильно зависит от температуры воздуха и может обеспечить полноценное отопление, даже в холодные дни.

Анализируя энергетическую эффективность тепловых насосов следует сравнивать совокупное потребление первичной энергии, содержащейся в топливах, таких как газ, уголь или нефть) с помощью теплового насоса с накоплением энергии в нагревательных устройствах, которые заменяют тепловые насосы. Только такой анализ дает полную картину, какое влияние на окружающую среду имеет применение отдельных приемников энергии. На следующем рисунке возникают явные преимущества, заключающиеся в повышении эффективности использования энергии, содержащейся в первичном топливе.

Четыре непрерывных процесса теплонасоса

Тепловой насос является экологически чистым нагревательным устройством, принцип работы которого основан на явлениях и физических изменениях. В обращении перед основным термодинамическим теплообменником теплового насоса происходят непрерывно четыре процесса:

kak-rabotaet-teplovoj-nasos-4

  • в испарителе рабочая среда подвергается процессу испарения (процесс получения тепла из окружающей среды),
  • в компрессоре сжимаются пары хладагента,
  • в конденсаторе за компрессором высокая температура и коэффициент давления подвергаются конденсации (передача тепла в систему),
  • в расширительном клапане выполняется процесс расширения и дозирования соответствующего количества хладагента в испаритель, где процесс испарения повторяется.

Процесс транспортировки тепловой энергии от среды с более низкой температурой к среде с температурой выше возможен благодаря электрической энергии, поставляемой извне.

Коэффициент эффективности (COP) тепловых насосов является показателем количества единиц энергии, полученной из одной единицы поставляемой  электроэнергии (для тепловых насосов COP = производительность нагрева/электрическая энергия).

В нормальных условиях эксплуатации тепловые насосы достигают коэффициента эффективности от 2.5 до 4.5. Этот коэффициент тем выше, чем меньше разница температур между температурой источника и приема. Поэтому тепловые насосы рекомендуется использовать только в низкотемпературных  системах отопления (до 60°C).

Эффективность других нагревательных устройств

Эффективность других устройств, таких как бойлеры, не имеет ничего общего с эффективностью тепловых насосов. В физике КПД всегда меньше 1, потому что нет вечного двигателя. Преобразуя энергию из одной формы в другую (например, химическую энергию топлива в тепло), мы никогда не получим больше энергии на выходе, чем на входе этого процесса.

Напротив, в тепловом насосе тепловая энергия, полученная на выходе, не поступает из подаваемого источника, а берется из другой среды (вода, земля или воздух). Поэтому здесь COP — это скорее подкрепление, чем эффективность.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *