Концепция тепловых насосов проста: работая от электричества, они перемещают тепло, охлаждая или обогревая здания. Это идея появилась давно — они были изобретены в 1850-х годах и начали широко использоваться в быту с 1960-х годов. Сейчас они стали одним из самых востребованных бытовых приборов, благодаря потенциалу экономии средств и улучшению климата.
Простыми словами тепловой насос собирает тепло из одного места и передает его в другое. В основном они используются в отоплении, но их также можно использовать для охлаждения, собирая тепло изнутри и отправляя его наружу. Многие тепловые насосы на самом деле могут работать в оба направления, как нагревая, так и охлаждая, в зависимости от того, что необходимо.
Одним из основных компонентов теплового насоса является хладагент: жидкость, которая движется по контуру, поглощая и выделяя тепло по мере движения. Электричество питает систему, перемещая хладагент по циклу. Когда хладагент проходит через тепловой насос, он сжимается и расширяется, переходя между жидкой и газообразной формами, что позволяет ему собирать и выделять тепло в требуемых точках цикла.
Основной цикл работы можно разбить на четыре этапа.
Хладагенты для тепловых насосов имеют достаточно низкую температуру кипения, обычно ниже -25 °C. В начале цикла хладагент имеет примерно такую же температуру и находится в жидкой форме. Даже в самых холодных местах хладагент в таком состоянии обычно значительно холоднее наружного воздуха.
На первом этапе хладагент проходит через теплообменник, мимо наружного воздуха и нагревается, чтобы начать процесс кипения и затем превратится из жидкости в газ.
Второй этап, прохождение через компрессор. Компрессор сжимает хладагент в объеме, повышая его давление и температуру кипения. Это также приводит к еще большему его нагреву, поэтому, когда хладагент проходит мимо компрессора, то его температура становится выше чем в помещении.
На третьем этапе хладагент проходит через еще один теплообменник. На данном этапе хладагент представляет собой газ, температура которого превышает 37 °C, и он течет мимо комнаты с более низкой температурой. При этом передавая часть тепла в комнату с помощью вентилятора, после чего снова начинает превращаться в жидкость.
Наконец, на четвертом этапе жидкий хладагент проходит через расширительный клапан, сбрасывая давление. Так же, как сжатие материала нагревает его, расширение в свою очередь позволяет ему остыть, поэтому жидкость снова имеет низкую температуру и готова поглотить больше тепла, чтобы снова внести его внутрь.
Тепловой насос во время эксплуатации может иметь различные значение выработки тепловой энергии, при этом потребление электроэнергии также различается. Соотношение этих величин и принимается как показатель эффективности теплового насоса.
Эффективность работы теплового насоса оценивается показателем COP (Coefficient of Performance) — коэффициент эффективности теплового преобразования.
где Q — мощность вырабатываемой тепловой энергии кВт;
E — мощность потребляемой электроэнергии кВт.
Значение COP всегда находится выше единицы в отличие от прямого преобразования электроэнергии в электрическом нагревателе, где эффективность почти равна единице. Значение «Е» включает в себя электроэнергию, затрачиваемую на работу компрессора, насосов и привода вентилятора если он имеется. Чем выше показатель коэффициента COP, тем эффективнее работает тепловой насос, поскольку для такой же тепловой мощности требуется меньше электричества. Коэффициент эффективности зависит от температуры источника тепла и температуры, на которую необходимо нагреть теплоноситель в системе отопления. Поэтому COP отличается в каждой рабочей точке.
Чтобы можно было сравнивать тепловые насосы друг с другом, их коэффициент эффективности приведен для определенных рабочих точек:
– A2W35 для тепловых насосов воздух / вода (A2: температура воздуха — 2 °C, W: температура подачи воды (теплоносителя) в отоплении — 35 °C);
– B0W35 для тепловых насосов грунт / вода (B0: рассол геотермального контура — 0 °C, W: температура подачи воды — 35 °C);
– W10W35 для тепловых насосов вода / вода (W10: температура грунтовых вод — 10 °C, W: температура подачи воды — 35 °C).
Коэффициент производительности отличается в зависимости от типа теплового насоса. Для установок, которые были испытаны в независимых лабораториях, среднее значение для тепловых насосов воздух / вода составляет около 3,2 (A2W35), а для тепловых насосов грунт / вода — 4,3 (B0W35). Тепловые насосы вода / вода имеют наилучшие показатели производительности — 5,4 (W10W35). Однако в данных испытаниях присутствует нюанс, поскольку для тепловых насосов с использованием грунтовых вод не учитываются затраты электроэнергии для работы скважинного насоса. Кроме этого, измерения обычно проводятся при температуре источника энергии 10 °C вместо 0 °C как для геотермальных установок. Из чего следует что, у теплового насоса вода / вода, лучше только режим работы.
Эффективность работы теплового насоса обычно описывается показателем сезонной эффективности теплового преобразования SPF (Seasonal Performance Factor).
где QHi — количество выработанной тепловой энергии за месяц (в кВт*ч);
EHi — количество потребленной электроэнергии за месяц (в кВт*ч);
n — количество месяцев отопительного сезона в году.
По европейским стандартам именно показатель SPF используется для определения степени экономии за весь отопительный период. Чем выше данный показатель, тем меньше финансовые эксплуатационные затраты за сезон использования системы с тепловым насосом.
Поскольку оценить количество энергии, затраченной на использование оборудования, задача достаточно сложная, сделать сравнение КПД тепловых насосов вода, грунт, воздух так же крайне затруднительно. Проще всего сопоставить расходы на эксплуатацию оборудования и эффективность обогрева.
Воздушный тепловой насос обходится дешевле в плане установки, но при этом он потребляет много электроэнергии. Его эффективность зависит в большей степени от температуры окружающей среды. В сильные морозы — ниже -25 °С — такое устройство может не справится с обогревом помещения.
Водяной тепловой насос также, как и воздушный может терять эффективность в сильные морозы, внешней энергии бывает недостаточно из-за чего потребуется дополнительный источник тепла.
Грунтовые тепловые насосы работают стабильно круглый год. Температура земли на глубине остается неизменной, что позволяет поддерживать эффективность таких устройств круглый год. Однако бурения скважин и обустройства коллектора требуют вложение крупных сумм денег, поэтому установка геотермального теплового оборудования может быть не оправданна.
Литература:
- Дзино А. А., Малинина О. С. Тепловые насосы и термотрансформаторы: учеб.-метод. пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2015. 68 с.
- Амерханов Р. А., Кириченко А. С., Снисаренко В. П. Использование воздушного теплового насоса для теплоснабжения объектов // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2015. № 1. С. 73–79.
- Тепловые насосы в современной промышленности и коммунальной инфраструктуре. Информационно-методическое издание. М.: Перо, 2016. 204 с.
