Тепловой насос – бесплатная энергия?

Эти устройства работают по принципу известному и применяемому уже более века, прототипом теплового насоса является компрессорный холодильник начала XIX века. Современные тепловые насосы используются для отопления помещений, нагрева технической воды и охлаждения помещений в системе кондиционирования воздуха.

1. Как работает тепловой насос?

Физическая основа работы теплового насоса основана на термодинамическом преобразовании, называемом циклом Карно, который упрощённо заключается в сжатии и декомпрессии хладагента известного как фреон, хотя также используются и другие соединения, например, аммиак. В результате сжатия его температура и давление повышаются, а затем в виде перегретого пара он течёт в теплообменник, называемый конденсатором, который передаёт тепловую энергию в окружающую среду.

После прохождения через конденсатор хладагент подвергается быстрому расширению его температура и давление значительно падают, а после перехода в испаритель тепловая энергия поглощается из другой области.

В зависимости от расположения конденсатора и испарителя агрегат будет нагревать или охлаждать, например, комнату согласно термодинамическому цикла и закону Карно, эффективность системы зависит только от разницы температур между нижним и верхним источниками и уменьшается пропорционально увеличению этого значения.

Однако процесс перекачки тепла требует подачи внешней энергии необходимой для приведения в действие компрессора. На эффективность передачи энергии помимо КПД цикла Карно влияет так же механический КПД устройства. С точки зрения пользователя важен выигрыш в энергии теплового насоса указывающий сколько полезной энергии можно получить по сравнению с потребляемой внешней энергией.

Этот параметр называется коэффициентом полезного действия теплового насоса и обозначается символом COP. Стандарт PN-EN 14511-2 из-за его применённого значения зависящего от условий использования выводит требование о получении минимальных значений COP для следующих приложений (числа рядом с буквами означает температуру нижнего и верхнего нагревателя):

• Рассол/вода В0 / W35 4.3
• Вода/вода W10/W35 5.1
• Воздух/вода A2/ W35 3.1
• Прямое испарение
• В почве/воде Е4/W35 4.3

На практике средние сезоны значения COP для устройств, питающих систему отопления, находятся на уровне 3,0-3,5 для грунтовых источников и 2,5-3 для насосов воздух/вода и эти значения также учитывают потребление энергии, необходимой для работы оборудования.

2. Принимая тепло от земли

Земля – это огромный аккумулятор тепловой энергии, питаемый солнечным излучением и для его использования с помощью теплового насоса требуется установка коллектора, наземного источника в виде змеевика закопанного в землю, трубных зондов, вставленных в глубокие скважины или использование грунтовых вод.

Горизонтальные коллекторы в виде нескольких участков змеевиков, расположенных на глубине 1,5-2 м, являются наиболее дешёвым решением, однако занимают значительную площадь, которую невозможно застроить. В зависимости от типа почвы и степени её орошения с одного квадратного метра грунтовой поверхности коллектора получается 10- 30 Вт тепловой энергии.

В свою очередь вертикальные коллекторы практически не занимают площадь участка, но для их строительства требуется использование специализированного бурового оборудования, зависимости от типа грунта делается несколько скважин на глубине до 100 м, а средняя эффективность отвода тепла составляет 40-60 Вт/метр глубины погружения труб. В обеих системах трубопроводов теплоносителем является рассол незамерзающего типа или раствор гликоля, циркулирующий в контуре рассола благодаря отдельному насосу.

3. Воздух как источник энергии

Тепловые насосы воздух/вода очень популярны среди инвесторов благодаря относительно невысокой цене и простоте монтажа. Однако они не должны быть единственным источником тепла, поскольку их эффективность значительно снижается при низких температурах наружного воздуха, на практике они обеспечивают оптимальный режим обогрева, когда температура уже не становится ниже минус 3-4 °С. В отличие от насосов вода/вода с грунтовым коллектором, собирающим тепло от земли с относительно постоянной температурой насоса, воздух/вода получают все меньше и меньше мощности по мере снижения температуры атмосферного воздуха и в тоже время потребность в тепле.

Увеличивается энергия необходимая для обогрева помещений. На охлаждаемых элементах испарителя также откладывается иней, который необходимо периодически удалять (нагрев с помощью ТЭНа, работа реверсивного насоса). Рабочая точка системы, при которой потребуется дополнительное отопление, от другого источника определяется на основе кривой производительности теплового насоса.

4. Система низкотемпературного отопления

Эффективность извлечения энергии тепловыми насосами зависит в первую очередь от рабочей температуры системы отопления, так как обычно не имеет никакого влияния на температуры в более низком источнике энергии земля/воздух. Следовательно, рациональное использование тепловых насосов требует проектирования системы отопления, работающей при температуре не выше 35°С большую часть отопительного сезона.

Таким образом, система отопления с тепловым насосом должна быть определена на этапе проектирования и конструкции корпуса, основным методом передачи тепла в комнаты считается тёплый пол, который требует учёта, например, высоты комнат, выбора теплоизоляции и соответствующего напольного покрытия. Также можно установить настенное отопление и традиционные обогреватели которые используются для быстрого обогрева помещения.

В простейшем варианте, тепловой насос напрямую питает контур низкотемпературного отопления, а регулировка интенсивности нагрева в соответствии с текущими условиями обеспечивается погодным и комнатным термостатом, контролирующим работу теплового насоса. Если насос также используется для приготовления горячей воды, он переключается на нагрев резервуары для горячей воды через трёхходовой клапан, управляемый датчиком температуры.

Однако такая система не позволяет более полно использовать второй более дешёвый тариф на электроэнергию и стоит установить дополнительный буферный резервуар.

Благодаря этому часть воды, нагретой насосом, работающим по ночному тарифу, можно использовать в другое время без необходимости его включения, хотя в случае установки насоса воздух/вода это может быть нерентабельным решением, необходимо рассчитать до какой температуры должна нагреться вода в буферной ёмкости. Если она слишком высока, эффективность теплового насоса снизится, и выгода от более низких цен на энергию не покроет убытки, возникающие в результате снижения COP, особенно при значительном падении температуры наружного воздуха в ночное время и повышенном спросе на тепло для отопления.

ВИДЕО:

При полном и/или частичном копировании данного материала, для последующего размещения его на стороннем ресурсе, обратная, индексируемая ссылка на источник обязательна!