Тепловые насосы принцип действия: принцип работы, типы, применение и эффективность тепловых насосов для отопления дома

Тепловые насосы: принцип действия и применение

Второе начало термодинамики гласит: Теплота может переходить самопроизвольно только в одном направлении, от более нагретого тела к менее нагретому, и такой процесс является необратимым. Поэтому все традиционные системы отопления строятся на том, чтобы нагреть некий теплоноситель (чаще всего воду), до температуры более высокой, чем требуется для комфорта, а затем этот теплоноситель привести в соприкосновение с более холодным воздухом помещения, и тепло само, согласно 2-му началу термодинамики, перейдет к этому воздуху, нагрев его. А это и есть парадигма современного отопления: хочешь согреть человека – согрей воздух, в котором он находится! А для нагрева теплоносителя требуется сжигать топливо, поэтому во всех этих формах отопления задействован процесс горения со всеми вытекающими последствиями (пожароопасность, выбросы углекислого газа, резервуар для хранения топлива или не очень эстетичная труба у стены дома). Но запасы топлива хоть и велики, но не безграничны.

А если это невозобновляемый расходный материал, который когда-то должен закончится, то и не стоит удивляться, что цена на него постоянно растет и будет расти в дальнейшем. Вот если бы удалось использовать для процесса нагрева какой-нибудь восполняемый источник теплоты, тогда и процесс роста стоимости удалось остановить (или притормозить) и избавиться, быть может, от отрицательных последствий процесса горения. Одним из первых, 1849 году об этом задумался Уильям Томпсон, английский физик, впоследствии ставший известным как лорд Кельвин. Можно ли необходимое тепло получить не путем нагрева, а путем переноса, забрав его где-то снаружи, и перенеся вовнутрь помещения. Тот же 2-й закон термодинамики говорит, что можно пустить тепло в обратном направлении, передав его от более холодного (например, от наружного воздуха) более теплому (воздуху внутри помещения), но для этого нужно затратить энергию (или как говорят физики –совершить работу). Какое тепло может быть в холодном воздухе? –скажете вы. Тогда ответьте на один вопрос: -15⁰С теплее, чем -25⁰С? Правильно теплее! Если забрать энергию у воздуха -15⁰С, тогда он охладится, скажем, до -25 С.  Но как забрать эту энергию и можно ли её использовать? В 1852 году лорд Кельвин сформулировал принципы работы тепловой машины осуществляющей перенос тепла от источника с низкой температурой к потребителю с более высокой температурой, назвав это устройство «умножителем тепла», которое сегодня известно под названием «тепловой насос». В качестве таких источников могут выступать грунт, вода в водоемах и скважинах, а также окружающий воздух. Все они содержат в себе низкопотенциальную энергию, накопленную от солнца.  Надо только научиться забирать её и преобразовывать в более высокотемпературную форму, пригодную для использования. Все эти источники носят возобновляемый характер и абсолютно экологичны. Мы не вносим в систему «Земля» никакого дополнительного тепла, а просто перераспределяем его, забирая в одном месте(снаружи) и передавая в другое (внутреннему потребителю). Это и есть совершенно новый подход к созданию комфортного климата в помещении. Снаружи, температура меняется в широких пределах: от «очень холодно» до «очень жарко», а человек комфортно чувствует себя в достаточно узком интервале температур +20..+25⁰С, и именно эту температуру он создает у себя в доме. Если температуру в доме требуется повысить (обогрев зимой), можно взять недостающее тепло с улицы и перенести его в дом, а не создавать источник повышенной температуры внутри, сжигая топливо(традиционные котлы)! А если температуру в доме требуется понизить (охлаждение летом), лишнее тепло можно убрать, перенеся его из помещения на улицу. Последнее реализуется через всем нам привычные кондиционеры. Итак, что мы имеем? Для

обогрева помещения мы используем одни устройства: котлы, печи и т.п., работающие за счет сжигания топлива внутри, а для охлаждения – другие: кондиционеры, переносящие избыточное тепло из дома на улицу. А как бы заманчиво было иметь одно устройство на все случаи жизни: универсальную климатическую установку, поддерживающую комфортную температуру в жилище круглый год, просто перенося тепло снаружи вовнутрь или обратно! Сейчас мы покажем вам что чудеса возможны.

Вернемся к тепловому насосу. Как же он работает? В основе его лежит так называемый обратный цикл Карно, известный нам из школьного курса физики, а также свойство вещества при испарении поглощать тепло, а при конденсации (превращении в жидкость) – отдавать его. Для лучшего понимания, обратимся к аналогии. У всех у нас есть холодильник.  Но задумывались ли вы, как он работает? Его задача, казалось бы, «создавать холод»: но так ли это? На самом деле, продукты внутри холодильника охлаждаются, за счет того, что у них забирается тепло. Допустим вы принесли из магазина охлажденное мясо температурой +1⁰С и бросили его в морозилку. Через некоторое время мясо заморозилось, и температура его стала -18⁰С. Мы отняли у него целых 19⁰С тепла и куда же это тепло делось? Если вы бы потрогали заднюю стенку холодильника (обычно она сделана в виде извивающейся трубки-змеевика), то обнаружили бы что она теплая, а временами и горячая. Это и есть тепло, отнятое у мяса (те самые 19⁰С), и перенесенное на заднюю стенку.

А ведь в процессе охлаждения у мяса были промежуточные температуры и -5⁰С и -10⁰С, но холодильнику все равно удавалось забрать у него тепло, всё более и более охлаждая его. Значит даже из замороженного мяса, температурой -10⁰С, можно забрать тепло, превратив его в мясо с температурой -18⁰С: значит это тепло там присутствовало, но в низкотемпературной форме. И холодильнику удалось не только забрать это низкотемпературное тепло, но и превратить его в высокотемпературную форму. Теплом от задней стенки холодильника можно согреться, прислонившись к ней. В известном смысле, холодный кусок мяса обогрел нас, имевшемся в нём теплом, хотя в это сразу трудно поверить. Мы узнали, что сделал холодильник с куском мяса: отнял у него тепло (внутри) и перенёс его на заднюю стенку (наружу). А теперь пора узнать, как ему это удалось? Внутри холодильника проходит другой змеевик, похожий на первый и вместе они составляют замкнутый контур, в котором, с помощью компрессора, циркулирует, легко испаряемый, газ – фреон.  Только циркулирует он не свободно. Перед входом в холодильник диаметр трубки-змеевика резко сужается, а следом за ним резко расширяется. Фреон, двигаясь по трубке за счет работы компрессора, «протискиваясь» через узкое горло, попадает в зону разряжения (более низкого давления), т.к. «неожиданно» попадает в сильно увеличенный объём (падение давления). Попав в зону низкого давления фреон начинает интенсивно испаряться (переходить в газообразное состояние), и проходя по внутреннему змеевику, поглощать тепло, с его стенок, а те в свою очередь забирают тепло из прилегающего воздуха внутри холодильника. Результат: воздух внутри охлаждается, а от соприкосновения с ним охлаждаются и продукты. Итак, как в эстафете, по цепочке, испаряющийся фреон вызывает отток тепла от продуктов к самому фреону: температура фреона к концу «путешествия» по внутреннему змеевику повышается на несколько градусов. Следующая порция фреона забирает следующую порцию тепла внутри. Регулируя степень разряжения, можно регулировать температуру испарения фреона и, соответственно, температуру охлаждения холодильника.

Далее «разогретый» фреон отсасывается компрессором из внутреннего змеевика и попадает во внешний змеевик, где сжимается до определенного давления, т.к. на другом конце внешнего змеевика его «не пускает» узкое отверстие,  называемое Дросселем или терморегулирующим (расширительным) клапаном. В результате сжатия газа фреона, его температура повышается, скажем, до +40..+60⁰С, и проходя по внешнему змеевику он отдает тепло внешнему воздуху, охлаждается и переходит в жидкое состояние(конденсируется). Далее, фреон снова оказывается перед узким горлом (дросселем), испаряется, отнимая тепло, и процесс повторяется вновь. Поэтому, внутренний змеевик, где фреон испаряясь, забирает тепло называют Испарителем, а внешний змеевик, где фреон, конденсируясь, отдает забранное тепло называют Конденсатором. Описанное здесь устройство забирает тепло в одном месте(внутри) и переносит его в другое место(наружу). Характерной особенностью устройства является то что замкнутый контур, по которому циркулирует фреон разбит на 2 зоны: зону низкого давления(разряжения), где фреон получает возможность интенсивно испаряться, и зону высокого давления, где он конденсируется. Разделителем этих двух зон является дросселирующее отверстие, а поддержание столь разных давлений в одном замкнутом контуре становится возможным благодаря работе компрессора, которая требует затрат энергии. (Если бы компрессор остановился, то через некоторое время давление в испарителе и конденсаторе выровнялось бы и процесс переноса остановился бы). Т.е. устройство способно переносить тепло от более холодного к более теплому, но лишь затрачивая определенную энергию. Т.е. упрощенно, взяв холодильник и открыв его дверцу на улицу, а заднюю стенку обратив внутрь помещения, можно обогревать его. Нужно только чтобы в холодильник все время попадал свежий воздух наружной температуры, а охладившийся от соприкосновения с внутренним теплообменником удалялся. Это легко реализовать поставив на входе вентилятор, который бы загонял на змеевик новые порции воздуха. Тогда, тепло отнятое у наружного воздуха будет переноситься вовнутрь помещения, согревая его. Т.е. холодильник, открытый дверцей наружу, и есть простейший тепловой насос. Примерно так и выглядели первые серийные воздушные тепловые насосы. Они были похожи на оконные кондиционеры. То есть это был металлический ящик вставленный проём форточки, обращенный испарителем наружу, а конденсатором вовнутрь. Перед испарителем стоял вентилятор, который прогонял потоки свежего воздуха через теплообменники змеевика, а выходил охлажденный воздух с другой стороны ящика. Испаритель был отделен от Конденсатора теплоизолирующим слоем. На внутреннем змеевике тоже стоял вентилятор, который прогонял воздух помещения через его теплообменник и выдувал уже согретый воздух. При дальнейшем совершенствовании устройства наружная часть была отделена от внутренней и стала выглядеть как сплит-система кондиционера. Две части целого соединены между собой теплоизолированными медными трубками, в которых циркулирует фреон, и электрическими кабелями для подачи электропитания и сигналов управления. Современные воздушные тепловые насосы представляют из себя сложное устройство с интеллектуальным электронным управление, способное работать автономно, плавно регулируя свою производительность в зависимости внешней температуры, заданной внутренней температуры и ряда режимов. Это позволяет получить дополнительную экономию затраченной электроэнергии.

Основная классификация тепловых насосов (ТН) производится по низкопотенциальному источнику, из которого забирается энергия(воздух, грунт, вода) и потребителю – теплоносителю, который обменивается теплом с конденсатором и в дальнейшем используется в системе отопления(воздух, вода; вместо воды иногда используется антифриз). Перечислим наиболее распространенные:

1. Воздушные Тепловые Насосы (ВТН). Самая доступная по цене категория, особенно воздух-воздух.

-ТН воздух-воздух

-ТН воздух-вода

2. Грунтовые Тепловые Насосы (ГТН). Самая дорогая категория, т.к. требуются дорогостоящие земляные работы или бурение, сотни метров трубы и большой объем антифриза.

-ТН грунт-вода

3. Водные Тепловые Насосы. Трубы с антифризом укладываются на дно водоёма (озеро, пруд, море…) или две артезианские скважины(из одной скважины забирается свежая вода , а в другую сливается охлажденная вода). Дороговизна зависит от того, какой способ доступа с воде – источнику тепла – используется. Но в любом случае недешево!

-ТН вода-вода

Теперь – самое главное: О Выигрыше. Любой из перечисленных тепловых насосов позволяет получить энергии больше, чем затрачено на её перенос (работа компрессора, вентиляторов, электроники…). Эффективность работы ТН оценивается с помощью коэффициента производительности COP (от англ. Coefficient Of Performance), который равен отношению полученной тепловой энергии (в кВт*ч) к затраченной электрической. Это безразмерная величина показывает во сколько раз больше тепловой энергии выдает ТН по отношению к затраченной.  COP зависит от разницы температуры Источника (наружное низкотемпературное тепло) и Потребителя (температура в доме +20..+25⁰С) и обычно составляет от 2-х до 5-ти.

Это и есть наш выигрыш при использовании ТН: на 1 кВт затраченной электроэнергии можно получить от 1 кВт до 4 кВт тепла бесплатно из окружающей среды, что на выходе дает от 2-х до 5 кВт тепла в дом.

 

Заказать бесплатный звонок специалиста

Принцип работы теплового насоса | Статьи строительной компании «Новый Дом»

Принцип работы теплового насоса | Статьи строительной компании «Новый Дом» 12/01/2023 Новый Дом

Тепловой насос представляет собой устройство, позволяющее переносить тепловую энергию от менее нагретого тела к более нагретому телу, увеличивая его температуру. В последние годы тепловые насосы пользуются повышенным спросом как источник альтернативной тепловой энергии, позволяющий получать действительно дешевое тепло, не загрязняя при этом окружающей среды.

Сегодня их выпускают многие производители теплотехнического оборудования, а общая тенденция такова, что в ближайшие годы именно тепловые насосы займут лидирующие позиции в ряду отопительного оборудования.

Как правило, тепловые насосы используют тепло подземных вод, температура которых круглый год находится приблизительно на одном уровне и составляет +10С, тепло окружающей среды или водоемов.

Принцип работы теплового насоса

Принцип их работы основывается на том, что любое тело, имеющее температуру выше значения абсолютного нуля, обладает запасом тепловой энергии, прямо пропорциональным его массе и удельной теплоемкости. Понятно, что моря, океаны, а также подземные воды, масса которых велика, обладают грандиозным запасом тепловой энергии, частичное использование которой на отоплении жилища никак не сказывается на их температуре и на экологической обстановке на планете.

«Забрать» тепловую энергию от какого-либо тела можно только охладив его. Количество выделенного при этом тепла (в примитивном виде) можно рассчитать по формуле

Q=CM(T2-T1), где

Q-полученное тепло

C-теплоемкость

M- масса

T1 T2 — разность температур, на которую было произведено охлаждение тела

Из формулы видно, что при охлаждении одного килограмма теплоносителя от 1000 градусов до 0 градусов может быть получено такое же количество тепла, что и при охлаждении 1000кг теплоносителя от 1С до 0С.

Главное, суметь использовать тепловую энергию и направить ее на отопление жилых домов и производственных помещений.

Немного истории

Идея использования тепловой энергии менее нагретых тел возникла еще в середине 19 столетия, а ее авторство принадлежит знаменитому ученому того времени лорду Кельвину. Однако далее общей идеи дело у него не продвинулось. Первый проект теплового насоса был предложен в 1855 году и принадлежал он Петеру Риттеру фор Риттенгеру. Но и он не получил поддержки и не нашел практического применения.

«Второе рождение» теплового насоса относится к середине сороковых годов прошлого столетия, когда широкое распространение получили обычные бытовые холодильники. Именно они натолкнули швейцарца Роберта Вебера на идею использовать тепло, выделяемое морозильной камерой, для нагрева воды для хозяйственных нужд.

Полученный эффект оказался ошеломляющим: количество тепла оказалось столь велико, что его хватило не только для горячего водоснабжения, но и подогрева воды для отопления. Правда, при этом пришлось порядком потрудиться и придумать систему теплообменников, позволяющую утилизировать выделяемую холодильником тепловую энергию.

Однако вначале изобретение Роберта Вебера рассматривалось как забавная идея, и воспринималась подобно идеям из современной знаменитой рубрики «Очумелые ручки». Настоящий интерес к нему возник намного позже, когда действительно остро встал вопрос поиска альтернативных источников энергии. Вот тогда идея теплового насоса получила свое современное очертание и практическое применение.

Современные тепловые насосы можно классифицировать в зависимости от источника низкотемпературного тепла, которым может быть грунт, вода (в открытом или в подземном водоеме), а также наружный воздух.

Полученная тепловая энергия может передаваться воде и использоваться для устройства водяного отопления, и горячего водоснабжения, а также воздуху, и применяться для отопления и кондиционирования. Учитывая это, тепловые насосы делят на 6 видов:

• От грунта к воде (грунт-вода)

• От грунта к воздуху (грунт-воздух)

• От воды к воде (вода-вода)

• От воды к воздуху (вода-воздух)

• От воздуха к воде (воздух-вода)

• От воздуха к воздуху (воздух-воздух)

Каждый вид тепловых насосов имеет свои характерные особенности установки и эксплуатации.

Способ установки и особенности эксплуатации теплового насоса ГРУНТ-ВОДА

— Грунт универсальный поставщик низкотемпературной тепловой энергии

Грунт обладает колоссальным запасом низкотемпературной тепловой энергии. Именно земная кора постоянно аккумулирует солнечное тепло и при этом подогревается изнутри, от ядра планеты. В результате на глубине нескольких метров грунт всегда имеет положительную температуру. Как правило, в центральной части России речь идет о 150-170 см. Именно на этой глубине температура грунта имеет положительное значение и не опускается ниже 7-8 С.

Еще одна особенность грунта состоит в том, что даже при сильных морозах он промерзает постепенно. В результате минимальная температура грунта на глубине 150 см наблюдается тогда, когда на поверхности уже наступает календарная весна и потребность в тепле для отопления снижается.

Это значит, что для того, чтобы «отобрать» тепло у грунта в центральном районе России, теплообменники для аккумуляции тепловой энергии необходимо расположить на глубине ниже 150 см.

В этом случае теплоноситель, циркулирующий в системе теплового насоса, проходя по теплообменникам, будет нагреваться за счет тепла грунта, затем, поступая в испаритель, передавать тепло воде, циркулирующей в системе отопления, и возвращаться за новой порцией тепловой энергии.

— Что может использоваться в качестве теплоносителя

В качестве теплоносителя в тепловых насосах типа грунт-вода чаще всего используют так называемый «рассол». Его готовят из воды и этиленгликоля или пропиленгликоля. В некоторых системах используют фреон, что в значительной степени усложняет конструкцию теплового насоса и приводит к повышению его стоимости. Дело в том, что теплообменник насоса этого вида должен иметь большую площадь теплообмена, следовательно, и внутренний объем, что требует соответствующего количества теплоносителя.

Использование фреона хоть и повышает эффективность работы теплового насоса, но при этом требует абсолютной герметичности системы и ее устойчивости к повышенному давлению.

Для систем с «рассолом» теплообменники обычно делают из полимерных труб, чаще всего полиэтиленовых, диаметром от40-60мм. Теплообменники имеют вид горизонтальных или вертикальных коллекторов.

— Горизонтальный грунтовый коллектор

Горизонтальный грунтовый коллектор представляет собой трубу, уложенную в грунт на глубине ниже 170 см. Для этого можно использовать любой незастроенный участок земли. Для удобства и увеличения площади теплообмена трубу укладывают зигзагом, петлями, спиралью и т.д. В дальнейшем этот участок земли можно использовать под газон, клумбу или огород. Следует отметить, что теплообмен между грунтом и коллектором идет лучше во влажной среде. Поэтому поверхность грунта можно смело поливать и удобрять.

Считается, что в среднем 1м2 грунта дает от 10 до 40 Вт тепловой энергии. В зависимости от потребности в тепловой энергии, петель коллектора может быть любое количество.

— Вертикальный коллектор

Вертикальный коллектор представляет собой систему труб, установленных в земле вертикально. Для этого бурятся скважины на глубину от нескольких метром до десятков, а то и сотен метров. Чаще всего вертикальный коллектор находится в тесном контакте с подземными водами, но это не является необходимым условием для его эксплуатации. То есть, вертикально установленный подземный коллектор может быть «сухим».

Вертикальный коллектор, так же, как и горизонтальный, может иметь практически любую конструкцию. Наибольшее распространение получили системы типа «труба в трубе» и «петли», по которым рассол подается насосом вниз и им же поднимается обратно к испарителю.

Следует отметить, что вертикальные коллекторы наиболее производительны. Объясняется это их расположением на большой глубине, где температура практически всегда находится на одном уровне и составляет 1—12 С. При их использовании с 1м2 можно получить от 30 до 100 Вт мощности. При необходимости количество скважин можно увеличивать.

Для улучшения процесс теплообмена между трубой и грунтом пространство между ними заливают бетоном.
— Достоинства и недостатки тепловых насосов типа «грунт-вода»
Монтаж теплового насоса типа «грунт-вода» требует значительных финансовых вложений, но его эксплуатация позволяет получать практически бесплатную тепловую энергию. При этом не причиняется никакого ущерба окружающей среде.

Среди достоинств теплового насоса этого типа следует отметить:

— Долговечность: может работать несколько десятилетий подряд без ремонта и технического обслуживания
— Простоту эксплуатации
— Возможность использования участка земли для земледелия
— Быструю окупаемость: при отоплении помещений значительной площади, например от 300 м2 и выше, насос окупается за 3-5 лет.

Учитывая то, что установка теплообменника в грунт представляет собой сложные агротехнические работы, выполнять их следует обязательно с предварительной разработкой проекта.

Как работает тепловой насос

Тепловой насос состоит из следующих элементов:

— Компрессора, работающего от обычной электрической сети
— Испарителя
— Конденсатора
— Капилляра
— Терморегулятора
— Рабочего тела или хладагента, на роль которого в наибольшей степени подходит фреон

Принцип действия теплового насоса можно описать с помощью хорошо известного из школьного курса физики «Цикла Карно».
Поступающий в испаритель по капилляру газ (фреон) расширяется, его давление уменьшается, что приводит к его последующему испарению, при котором он, соприкасаясь со стенками испарителя, активно забирает у них тепло. Температура стенок снижается, что создает разницу температур между ними и массой, в которой находится тепловой насос. Как правило, это подземные воды, морская вода, озеро или масса земли. Не трудно догадаться, что при этом начинается процесс передачи тепловой энергии от более нагретого тела к менее нагретому телу, которым в данном случае, являются стенки испарителя. На данном этапе работы тепловой насос «выкачивает» тепло из среды теплоносителя.

На следующем этапе хладагент всасывается компрессором, затем сжимается и под давлением подается в конденсатор. В процессе сжатия его температура возрастает и может составлять от 80 до 120 С, что более чем достаточно для отопления и горячего водоснабжения жилого дома. В конденсаторе хладагент отдает свой запас тепловой энергии, остывает, переходит в жидкое состояние, а затем и поступает в капилляр. Затем процесс повторяется.

Для управления работой теплового насоса используется терморегулятор, с помощью которого прекращается подача электроэнергии в систему при достижении в помещении заданной температуры и возобновление работы насоса при снижении температуры ниже заранее определенного значения.
Тепловой насос можно использовать в качестве источника тепловой энергии и устраивать с ним системы отопления, аналогичные системам отопления на основе котла или печи. Пример такой системы приведен на схеме выше.

Следует отметить, что работа теплового насоса возможна только при подключении его к источнику электрической энергии. При этом может ошибочно возникнуть мнение, что вся система отопления основа на использовании именно электрической энергии. В действительности, для передачи в систему отопления 1кВт тепловой энергии необходимо затратить приблизительно 0,2-0,3 кВт электрической энергии.

Преимущества теплового насоса

Среди преимуществ теплового насоса следует выделить:

— Высокую эффективность
— Возможность переключения с режима отопления на режим кондиционирования и его последующее использование летом для охлаждения помещений
— Возможность использования эффективной системы автоматического контроля
— Экологическую безопасность
— Компактность( размер не более бытового холодильника)
— Бесшумность работы
— Пожарную безопасность, что особенно важно для обогрева загородных домов

Среди недостатков теплового насоса следует отметить его высокую стоимость и сложность монтажа.

Стоимость ремонта и внутренняя отделка коттеджей и домов

Проект электроснабжения

Проект кондиционирования

Проект вентиляции

Водопровод и канализация

Проект отопления

Проект слаботочных систем

Проект «Умного дома» и домашнего кинотеатра

Отправить сообщение

Спасибо! Ваши данные получены

Оставьте Ваши контактные данные, и мы свяжемся с Вами в самое ближайшее время!

Заказать звонок

Заказать звонок

Спасибо! Ваши данные получены

00:0001:0002:0003:0004:0005:0006:0007:0008:0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:0022:0023:00 — 00:0001:0002:0003:0004:0005:0006:0007:0008:0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:0022:0023:00

Мы перезвоним через 2 минуты

Тепловой насос!!! – Группа термодинамики B

Термодинамический принцип работы теплового насоса
Тепловой насос – это машина, которая переносит тепло из одного места в другое. Он действует как кондиционер или печь. Процесс этой машины включает в себя перемещение воздуха снаружи внутрь помещения без использования большого количества энергии. Он может производить горячий и холодный воздух в зависимости от желаемой температуры. В жаркие дни тепловой насос засасывает холодный воздух снаружи и может охлаждать воздух в домах или автомобилях. Когда на улице холодно, он может делать то же самое, но забирает тепло из наружного воздуха в теплую среду (4). Тепловой насос может сделать это, используя работу в системе (рис. 1а), потому что работа добавляется к системе, а энергия не создается. Этот тип системы представляет собой представление цикла Карно (рис. 1б). Существует несколько типов тепловых насосов; мы обсудим тепловые насосы воздух-воздух, геотермальные и водяные тепловые насосы.

Рис. 1a и 1b

 

Максимальная эффективность, основанная на термодинамике

Когда тепловой насос используется в сочетании с газовой печью, обе части оборудования распределяют тепловую нагрузку. Они работают в разное время, что повышает эффективность. Когда температура слишком низкая для работы теплового насоса, в дело вступает газовая печь. Когда температура снова поднимается, включается тепловой насос. Это экономичный двойной процесс, поскольку он позволяет тепловому насосу не использовать больше энергии, чем необходимо (3).

Тепловые насосы оцениваются с использованием COP, что означает Коэффициент полезного действия (2). Хороший КПД для обогрева выше 1,2, а для охлаждения выше 0,7. Тепловые насосы плохо работают в климате, где температура часто опускается ниже нуля, поэтому вы, вероятно, не сможете найти их в Висконсине. Это связано с тем, что перемещение тепла из очень холодной области требует гораздо больше энергии (4). В этом случае оптимальным вариантом передачи тепла будут газовые печи.

Рисунок 2

 

Детали теплового насоса

Компоненты теплового насоса включают конденсатор, расширительный клапан, испаритель и компрессор (2). Когда насос хочет произвести теплый воздух, он передает тепло, которое возникает от рабочей жидкости в испарителе, и использует холодный воздух снаружи, чтобы превратить его в газ. Компрессор способен повышать температуру и давление газа, проталкивая его по змеевикам конденсатора в отапливаемое помещение. Тепло от газа передается в помещение по мере того, как газ конденсируется обратно в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, возвращаясь через расширительный клапан, а затем в змеевики наружного испарителя (4). Эти компоненты одинаковы для всех типов тепловых насосов.

 

Рис. 3

Существует три основных типа тепловых насосов: воздух-воздух, водяной и геотермальный. Тепловые насосы воздух-воздух используют обратный цикл для перемещения горячего и холодного воздуха. Этот насос выдает в полтора-три раза больше тепла, чем печь, и потребляет при этом меньше энергии. Другой тип теплового насоса — геотермальный, который поглощает тепло из земли.

Водяной тепловой насос поглощает тепло аналогичным образом, но через подземные трубы, содержащие воду. Эти трубы могут быть замкнутого или разомкнутого контура. В трубе с замкнутым контуром одна и та же вода многократно циркулирует по трубам. В трубе с открытым контуром вода откачивается из источника воды, такого как колодец или озеро, извлекается тепло, и вода возвращается в первоначальный источник воды (4). Эти тепловые насосы имеют высокий КПД. Обычно их установка стоит дорого, но за годы их эксплуатации экономится много денег. Они подходят для большинства домов и выдерживают экстремальные погодные условия, в отличие от тепловых насосов воздух-воздух (1).

Рисунок 4

 

Воздействие на окружающую среду

Тепловые насосы являются экологически чистой альтернативой печам и кондиционерам. Они могут уменьшить счет за электроэнергию вдвое. Высокоэффективные насосы также лучше осушают и охлаждают дома быстрее, чем кондиционеры, потому что они потребляют меньше энергии и более эффективны.

Личные просмотры 

Тепловые насосы — это очень жизнеспособные и энергоэффективные источники. Они способны обогревать многие вещи, такие как бассейны, здания и джакузи. Уникальность тепловых насосов заключается в том, что они равномерно распределяют тепло по всему помещению. Если вы из Висконсина, насос воздух-воздух может быть не лучшей идеей для инвестиций, потому что большую часть времени температура здесь слишком низкая, чтобы тепловые насосы могли хорошо работать в замерзшей тундре. Насосы воздух-воздух — наши любимые летом, потому что они помогают нам сохранять прохладу летом, пока мы сидим на диване и пьем мохито.

Ссылки

1. Тепловой насос Системы, Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии   https://www.energy-saver/heat-and-umpp-system
2. Тепловой насос , Википедия. https://en.wikipedia.org/wiki/Тепловой_насос
3. Что такое тепловой насос ? Леннокс https://www. lennox.com/help/faqs/тепловые насосы
4. Коуэн, Лаура, Сеннебоген, Эмили, Как работают тепловые насосы. Как все работает https://home.howstuffworks.com/home-improvement/heating-and-cooling/heat-pump.htm
5. Рисунок 1:  https://opentextbc.ca/physicstestbook2/wp-content/uploads/sites/211/2017/10/Figure_16_05_01.jpg 
6. Рис. 2: http://hydrogen.physik.uni-wuppertal.de/hyperphysics/hyperphysics/hbase/thermo/imgheat/hpump.gif
   
7. Рисунок 3: https://www.greenmatch.co.uk/media/2465211/how-air-source-heat-pump-works.png
8. Рис. 4: https://www.real-world-physics-problems.com/images/geothermal_heat_pump.png

Тепловые насосы и передача энергии — Science Learning Hub

Добавить в коллекцию

+ Создать новую коллекцию

Тепло — это поток энергии от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, когда они находятся в тепловом контакте . Повседневным примером этого является естественное охлаждение чашки горячего кофе при контакте с более прохладной средой.

Что такое тепловая энергия?

Все формы материи обладают внутренней или тепловой энергией. Это происходит в результате движения частиц (кинетическая энергия), а также энергии, запасенной в химических связях, присутствующих в самих частицах (потенциальная энергия). Поскольку движение частиц увеличивается с повышением температуры, это означает, что горячие объекты имеют большее движение частиц, чем более холодные объекты. При тепловом контакте возникает естественный поток энергии (называемой теплом) от горячих частиц объекта к более холодным частицам объекта.

Конструкция теплового насоса

Можно обойти естественное требование потока энергии от горячего к холодному.

Если используется другой вид энергии в форме работы (будь то электрическая или механическая), то можно осуществить передачу тепловой энергии от холодного материала к горячему. Это то, что делает тепловой насос.

Тепловой насос — это устройство, которое может перекачивать тепловую энергию в (обогрев) или наружу (охлаждение) замкнутое пространство, например дом.

Основными компонентами теплового насоса являются:

• рабочая жидкость (хладагент)
• конденсатор (внутренний змеевик)
• расширительный клапан
• испаритель (наружный змеевик)
• компрессор.

Рабочее тело (хладагент), используемое в настоящее время для большинства тепловых насосов, представляет собой тетрафторэтан. Он заменил хлорфторуглероды (ХФУ) из-за вреда, который эти химические вещества наносили озоновому слою в верхних слоях атмосферы.

Тетрафторэтан имеет относительно низкую скрытую теплоту парообразования и низкую температуру кипения (-26,3°C), но его химическая инертность и низкая токсичность делают его идеальной рабочей жидкостью.

Система разработана на основе концепции скрытой теплоты парообразования. Тепловая энергия внешней атмосферы используется для кипячения рабочего тела (змеевик наружного испарителя). Полученный пар затем конденсируется (внутри змеевика конденсатора), выделяя тепловую энергию воздуху внутри дома.

Термодинамика теплового насоса

Термодинамика – это отрасль науки, изучающая теплоту и ее связь с энергией и работой. Впервые он возник в 19 веке, когда ученые и инженеры открыли для себя, как проектировать и эксплуатировать паровые двигатели.

Применение термодинамических принципов к работе теплового насоса показывает, что для перемещения тепловой энергии из холодной среды снаружи дома в теплую среду внутри дома требуется затрата работы.

На этой схеме потока энергии теплового насоса:

• Q _c представляет тепловую энергию, полученную из наружного воздуха
• Q _h представляет тепловую энергию, переданную внутрь дома
• Вт представляет необходимую работу добиться этого
• T _c – температура рабочего тела теплового насоса (жидкости)
• T _h – температура рабочего тела теплового насоса (пара).

Первый закон термодинамики — это просто принцип сохранения энергии, который в случае теплового насоса гласит:

Увеличение внутренней энергии системы равно добавленной тепловой энергии плюс выполненная работа в системе.