Тепловой насос (отопительный). Принцип действия, работы. Устройство отопления. Энергетическая эффективность, КПД. Как устроен, работает?

Устройство теплового насоса отопления. Принцип работы. Экономия энергии, определение энергетической эффективности. (10+)

Тепловой насос. Принцип действия. Отзыв. Опыт отопления

Оглавление :: Поиск

По мере подорожания энергоносителей и обострения проблемы загрязнения окружающей среды, в обиход входят энергосберегающие технологии. Повсеместное распространение получили светодиодные осветительные приборы и гибридные автомобили. Тепловой насос - еще одна из таких энергоэффективных технологий. Мне показалось заманчивым получить значительную экономию на отоплении и одновременно внести свой вклад в защиту окружающей среды. Так что решил для отопления одного объекта опробовать тепловой насос. Прежде всего нужно было детально разобраться (чтобы не попасть впросак), найти и расспросить людей, которые уже установили у себя это устройство, понять, что он дает в реальных, а не теоретических условиях. Результатами исследования и последующего личного опыта делюсь в этом материале.

Энергетическая эффективность (энергоэффективность) (далее иногда будем употреблять сокращение 'ЭЭ') теплового насоса - это отношение затрачиваемой энергии на его работу к энергии, которую он отдает в отапливаемое помещение. Если энергоэффективность составляет 6, то КПД теплового насоса - 600%, на каждый киловатт затраченной энергии в помещение закачается 6 киловатт тепла.

Принцип действия

Принцип работы теплового насоса основан на том физическом явлении, что жидкость в условиях разного давлении кипит при разной температуре. То есть для определенной, специально подобранной жидкости (хладагента) можно создать условия, когда она будет кипеть при относительно низкой температуре окружающей среды, но после сжатия пары будут конденсироваться при уже значительно больших температурах, необходимых для обогрева (непосредственно воздуха или теплоносителя в системе отопления). Процесс испарения отбирает энергию. При конденсации энергия выделяется. Таким образом происходит перенос тепла от более холодной среды к более теплой. При этом расход энергии на создание разницы давлений получается намного меньше, чем поток энергии, отдаваемый на отопление. Дополнительная энергия отбирается из окружающей среды, где она накапливается от Солнца. Так что нарушения закона сохранения энергии нет, просто мы имеем еще один способ использования солнечного тепла. Упрощенная схема теплового насоса приведена на рисунке.

A1 - холодный теплообменник. Он связан с окружающей средой и отбирает тепло из нее. В нем содержится некоторое количество хладагента, который при работе устройства интенсивно испаряется. A2 - горячий теплообменник. В нем хладагент конденсируется, отдавая тепло в помещение, и накапливается. F1 - компрессор. Он создает нужную разницу давлений и перекачивает пары хладагента из холодного обменника в горячий. S1 - перепускной клапан. Этот клапан служит для возврата хладагента из теплого обменника в холодный, чтобы процесс был непрерывным. Обычно этот клапан открывается, когда уровень жидкости в горячем обменнике превышает определенное значение, и закрывается после перетока жидкости в холодный обменник. Его делают обычно механическим поплавковым или с электронным управлением. Переток хладагента происходит под действием давления, которое больше в горячем обменнике.

Бытовые холодильники и кондиционеры устроены похожим образом, только в них происходит отвод тепла в окружающую среду, то есть холодный теплообменник связан с охлаждаемыми средами, а горячий выведен на улицу.

Из схемы хорошо видно, что эффективность теплового насоса непосредственно зависит от разницы температур между горячим и холодным теплообменниками. Чем больше эта разница, тем пропорционально больше нужна разница давлений, чтобы обеспечить испарение хладагента в холодной камере и конденсацию в горячей. Чем больше разница давлений, тем пропорционально больше нужно потратить энергии для перекачки одного килограмма пара хладагента из камеры с низким давлением в камеру с высоким, а один килограмм хладагента переносит фиксированное количество энергии.

Таким образом мы получаем первое полезное наблюдение. Дело в том, что производители тепловых насосов указывают его энергетическую эффективность при определенных параметрах холодной и горячей сред. Типовым является указание эффективности при температурах +10 градусов Цельсия и +40 градусов Цельсия соответственно для холодной (воздух улицы, грунт или вода из скважины) и горячей (воздух помещения или теплоноситель системы отопления) сред. Типовым значением энергоэффективности в таком режиме является 6. Рассчитаем ЭЭ для реальных условий эксплуатации.

[ЭЭ в реальных условиях] = [ЭЭ из инструкции] * ([Температура горячей среды из инструкции] - [Температура холодной среды из инструкции]) / ([Температура реальной горячей среды] - [Температура реальной холодной среды])

Пусть наш насос имеет ЭЭ равное 6 при температуре холодной среды: 10 гр, горячей: 40 гр (данные из инструкции). Мы хотим его эксплуатировать для нагрева воды в системе отопления до 65 гр, при температуре на улице -15 гр. Тогда энергетическая эффективность теплового насоса в наших условиях составит 2.2, а КПД, соответственно, 220%.

Замечу, что по мере роста разницы температур и, соответственно, давления, растут нагрузка на компрессор и его износ.

(читать дальше...) :: (в начало статьи)

Оглавление :: Поиск

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.