Руководство по тепловым насосам – общие аспекты
Termocasa
ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ – ВВЕДЕНИЕ
Ограниченность топливных ресурсов и всемирная ориентация на защиту окружающей среды — аспекты, которые привлекли внимание к возможности использования возобновляемых источников энергии. Сегодня эти тепловые насосы представляют собой безопасное, эффективное и инновационное отопительное оборудование, экономичное в плане потребления электроэнергии. Тепловые насосы – это оборудование, которое обеспечивает необходимые технические предпосылки для эффективного использования солнечной энергии, накопленной в подземных водах, в почве или в воздухе, в виде экологического тепла, для отопления или охлаждения помещений, а также для приготовления горячей воды для бытовых нужд. Тепловой насос получает примерно три четверти необходимой энергии из окружающей среды, а в остальном тепловой насос использует электрический ток в качестве энергии привода. Современные тепловые насосы предлагают эффективные технические возможности для снижения энергопотребления и выбросов CO2. При модернизации старых зданий, а также новых зданий тепловой насос является хорошей альтернативой. В этой статье рассматриваются основные принципы технологии тепловых насосов, основные технические варианты и иллюстрируются наиболее важные аспекты приложений, объединяющих это оборудование.ПОЧЕМУ ТЕПЛОВОЙ НАСОС?
1. Экономическая мотивация
1.1 Снижение эксплуатационных расходов
- в зависимости от типа теплового насоса до 3/4 тепловой энергии можно получить из окружающей среды (бесплатно)
- с помощью компрессора (с электроприводом) тепловой насос повышает температуру отбираемого из окружающей среды теплоносителя до температуры, необходимой в системе отопления дома
- с тепловым насосом солнечная энергия, накопленная в окружающей среде, может использоваться круглый год!
1.2 Независимость от ископаемого топлива
Источники энергии, используемые тепловым насосом, доступны прямо у нас на пороге, независимо от наличия или цены на ископаемое топливо.2. Комфорт
Система отопления с тепловыми насосами обеспечивает высочайшую степень комфорта и максимально простое управление. Система распределения тепла, обычно используемая в сочетании с тепловыми насосами (подогрев пола, настенное отопление, системы низкотемпературного отопления), гарантирует комфортный и здоровый климат. Модели реверсивных тепловых насосов (вода-вода или почва-вода) также могут обеспечить охлаждение летом. Системы тепловых насосов, как правило, очень тихие, полностью автоматизированные и не требуют периодического технического обслуживания. Нет необходимости в складе топлива, золоудалении и чистке дымохода.3. Безопасность на будущее
Выбор системы отопления – это решение на многие годы. Тепловые насосы – самая современная технология отопления, доступная сегодня. Сегодня тепловые насосы заменяют не только системы отопления, работающие на дровах, жидком топливе или угле, но все чаще и системы, использующие природный газ. Кроме того, возникает вопрос: сможем ли мы позволить себе расходы на систему отопления через 20 лет? С каждым повышением цен на ископаемое топливо стоимость отопления тепловыми насосами становится более выгодной по сравнению с отоплением газом, жидким топливом или пеллетами. Независимо от роста цен на электроэнергию, с тепловым насосом 3/4 потребляемой энергии остается и остается бесплатной.4. Безопасная эксплуатация
Тепловые насосы производят тепловую энергию посредством термодинамического цикла без сжигания топлива. Этот аспект значительно снижает риск несчастных случаев! Кроме того, тепловые насосы работают с негорючими хладагентами.5. Идеально подходит как для новых зданий, так и для реконструкции существующих зданий.
Тепловые насосы могут использоваться для обогрева и охлаждения новых зданий и сооружений с низким энергопотреблением (там, где большинство традиционных систем недоступны или технически или экономически неудобны для реализации из-за низкой тепловой мощности). Также там, где уже имеется современная система отопления, использующая ископаемое топливо, и желательно снижение затрат, в качестве дополнительных систем отопления можно использовать тепловые насосы (бивалентный режим).6. Несколько функций
Тепловые насосы могут обеспечить отопление в холодное время года, охлаждение в теплое время года (с небольшими модификациями) и горячее водоснабжение в течение всего года.7. Экологический
Сжигание ископаемого топлива для отопления домов и офисов сегодня представляет собой один из крупнейших источников образования CO2. Тепловые насосы производят тепловую энергию без загрязняющих веществ, используя энергию окружающей среды.КАК РАБОТАЕТ ТЕПЛОВОЙ НАСОС?
Работа теплового насоса – простой принцип с исключительными результатами! Независимо от типа, эти тепловые насосы можно рассматривать как оборудование, которое повышает температуру рабочей среды, используя дополнительное количество энергии для производства полезной энергии. Принцип работы теплового насоса в основном такой же, как и у оборудования, которым мы пользуемся каждый день: холодильника. Та же техника, только с обратным применением; в случае с холодильником охлаждающий агент забирает тепло у продуктов и отдает его в окружающую среду. Тепловой насос забирает тепло из окружающей среды (почвы, воды или воздуха) и передает его в систему отопления в виде тепловой энергии. 1. Испаритель - отбор тепла из окружающей среды (почвы, воды, воздуха) В испарителе находится жидкий рабочий агент под низким давлением (хладагент). Это вещество, имеющее низкую температуру кипения. Температура источника (почвы, воды или воздуха) выше температуры кипения, соответствующей давлению хладагента. Эта разница температур приводит к передаче тепла от окружающей среды к рабочему агенту, и он кипит и испаряется. Тепло, необходимое для его испарения, поступает от внешнего источника тепла (почвы, воды, воздуха). 2. Компрессор - повышение температуры. Пары, образующиеся в результате рабочего агента, непрерывно отсасываются компрессором из испарителя. Хладагент сжимается до тех пор, пока не достигнет температуры, необходимой для нагрева и приготовления горячей воды. Процесс сжатия важен для эффективности теплового насоса. Компрессоры Compliant Scroll используются во всей линейке тепловых насосов, они состоят из двух спиралей (одной фиксированной и одной подвижной), которые непрерывно сжимают рабочий агент. Соответствующие требованиям компрессоры полностью герметичны, имеют гораздо более длительный срок службы и тише, чем поршневые модели, использовавшиеся в прошлом для тепловых насосов. 3. Конденсатор – Передача тепла в отопительную установку. Пары рабочего агента (хладагента) достигают конденсатора теплового насоса, который окружен теплоносителем. Температура теплового агента ниже температуры конденсации рабочего агента, поэтому пары охлаждаются и конденсируются. Энергия (тепло), забираемая испарителем, плюс тепло, выделяющееся в процессе сжатия (в компрессоре), выделяется в конденсаторе и передается тепловому агенту в виде полезной энергии для нагрева. 4. Расширительный клапан. – контур замыкается. Рабочий агент позже возвращается в испаритель через расширительный клапан. Таким образом, рабочий агент переходит от высокого давления конденсатора к низкому давлению испарителя. На входе в испаритель достигаются начальные значения давления и температуры. Таким образом, цепь замыкается.ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ – ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ГДЕ МЫ ПОЛУЧАЕМ ТЕПЛО?
Почва, вода и воздух — это элементы, доступные в неограниченных количествах и используемые в качестве источника теплового насоса. В каждом отдельном случае наиболее выгодный источник энергии зависит от местных обстоятельств, местоположения здания и его требований к теплу. Для практического использования источники энергии должны отвечать нескольким условиям:- наличие в достаточном количестве
- максимальная емкость хранилища
- максимально высокий уровень температуры
- достаточная регенерация
- экономический захват
Земля
Почва обладает свойством накапливать и сохранять солнечную энергию в течение более длительного периода времени, что приводит к примерно постоянному уровню температуры в течение всего года и, следовательно, к работе тепловых насосов с высоким коэффициентом полезного действия. Температура почвы в течение всего года (на глубине 7 м) колеблется от 13 до 2°С. Тепло, взятое из окружающей среды, передается испарителю почвенно-водного теплового насоса через водно-антифризную смесь (соленую воду); температура замерзания этого раствора составляет примерно -15°С. Накопленное в почве тепло отбирается через горизонтально установленные теплообменники – также называемые почвенными коллекторами – или через вертикально установленные теплообменники – почвенные зонды.Коллекторы в земле - горизонтальные коллекторы
Тепло из земли забирается с помощью пластиковых трубок – полиэтилена – вмонтированных в землю на большой поверхности. Трубки размещают параллельно в земле на глубине от 1,2 до 1,5 м и в зависимости от диаметра трубки на расстоянии ок. от 0,3 до 0,7 м, так что на каждый квадратный метр поверхности захвата прибл. Трубка длиной от 1,43 до 2 м. Количество тепла, которое можно использовать, и, следовательно, размер необходимой поверхности во многом зависит от качества почвы. В этом аспекте определяющими величинами являются: прежде всего количество воды в почве, количество минеральных компонентов и размер пор, заполненных воздухом. Аккумулирующая способность и теплопроводность тем выше, чем больше почва увлажнена водой и чем больше количество минеральных компонентов, а также меньшее количество пор. Значения удельной вытяжной мощности по почве находятся в пределах от 10 до 35 Вт/м2. При использовании горизонтальных коллекторов не следует сажать вокруг труб растения с очень глубокими корнями. Регенерация почвы уже осуществляется со второй половины отопительного сезона за счет солнечной радиации и более обильных осадков, поэтому необходимо иметь возможность обеспечить готовность почвенного «аккумулятора» к повторному прогреву к следующему сезону.Зонды почвы
Из-за больших площадей земли, необходимых для установки горизонтальных коллекторов, иногда бывает сложно реализовать систему из-за нехватки места. Для небольших земельных участков альтернативой коллектору, расположенному горизонтально в почве, являются почвенные зонды. Их можно устанавливать на глубине от 50 до 150 метров. Зонды обычно изготавливаются из полиэтиленовых трубок и обычно монтируются из четырех параллельных трубок (двухтрубный зонд с U-образным профилем). Смесь воды и антифриза поступает на нижний уровень по двум трубам и возвращается в испаритель теплового насоса по двум другим. Таким способом каркас берется из земли по всей длине трубок. Пространства между трубками и грунтом необходимо заполнить материалом с хорошей теплопроводностью (бентонитом). Мощность извлечения варьируется в широких пределах: от 20 до 100 Вт/м длины зонда.Грунтовые воды
Грунтовые воды также являются хорошим аккумулятором солнечной энергии. Даже в холодные зимние дни температура здесь составляет от 7 до 12°C. Однако грунтовые воды не доступны в достаточных количествах и подходящем качестве во всех районах. Для использования тепла необходимо сделать два колодца: всасывающий и поглощающий (сливной); Между ними необходимо обеспечить расстояние не менее 5 метров, а место выбрать так, чтобы направление потока воды было от всасывающего колодца к поглощающему. Вода из озер и рек также пригодна для использования в качестве источника тепла, поскольку они одновременно выполняют функцию аккумулятора тепла.Аерул
Воздух является самым дешевым вариантом при использовании в качестве источника теплового насоса. Тепловые насосы «воздух-вода» используют в качестве источника тепла наружный воздух, который через воздуховоды с помощью встроенного в устройство вентилятора направляется к испарителю, который отбирает тепло из воздуха.Отработанное тепло
Среди источников, которые можно использовать с тепловым насосом, отработанное тепло является наиболее эффективным, обеспечивая самые высокие параметры производительности. Однако у него есть недостаток: очень ограниченная доступность. Название теплового насоса определяется рабочей средой в первичном и вторичном контуре. Под первичным контуром здесь подразумевается источник тепла (воздух, почва, вода), а под вторичным контуром – отопительная установка. *Тепловые насосы «грунт-вода» также можно найти под названием «тепловые насосы соленая вода-вода». Это название происходит от среды, используемой в первичном контуре (источнике) для теплопередачи; для этого используется смесь воды и антифриза (тифокор), называемая «рассолом» по-английски или «sole» по-немецки. Режим работы тепловых насосов адаптируется к существующей системе отопления в здании, в случае старых зданий, для которых проводится модернизация. В этом случае необходимо учитывать максимальную температуру, которую тепловые насосы могут достичь за цикл (между 55 и 65°C). Для систем, размер которых уже превышает этот температурный уровень, тепловые насосы могут работать только вместе с другим теплогенератором. В новостройках можно выбрать систему распределения тепла. В этом случае, учитывая самые высокие годовые показатели температуры наружного воздуха, будет выбрана система отопления с максимальной температурой за цикл 35°С (отопление пола, стен и т. д.).С технической точки зрения можно выделить следующие режимы работы:
- Моновалентный режим работы – тепловой насос должен обеспечивать потребности всего здания в отоплении как единственный теплогенератор
- Моноэнергетический режим работы – тепловой насос используется в сочетании с другой системой отопления, работающей на электричестве.
- Бивалентный режим работы – тепловой насос используется в сочетании с другим источником тепла, работающим на твердом, жидком или газообразном топливе.
Коэффициент полезного действия и годовой коэффициент полезного действия
Соотношение полезной тепловой энергии и энергии электрического привода, потребляемой компрессором, называется «индексом мгновенной мощности» или «коэффициентом производительности». Коэффициент полезного действия (КПД) = указано производителем, лабораторное значение Годовой коэффициент производительности (FPA) = отношение тепла, полученного в течение года, к общему количеству энергии, потребленной за год. В общем, коэффициент полезного действия увеличивается по мере уменьшения разницы температур между источником и системой отопления. Эмпирическая формула:- Повышение температуры в контуре отопления на один градус приводит к снижению КПД на 2,5%
- Повышение температуры источника на один градус приводит к увеличению КПД на 2,7%.
