Тепловые насосы. Виды. Компрессия. Сорбция. Vuilleumier.

ВИДЫ

• Компрессионные тепловые насосы
• Сорбционные тепловые насосы
• Насосы Vuilleumier.

Сорбционные тепловые насосы также подразделяются на абсорбционные и адсорбционные. Другие технические решения, как термоэлектрические  тепловые насосы в обозримом будущем не будут особо активно применяться, например, для нагрева питьевой воды.

КОМПРЕССИОННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Среди разных видов тепловых насосов компрессионные тепловые насосы получили сейчас самое широкое распространение, они соответствуют наивысшему техническому стандарту. Они работают, если говорить упрощенно, как холодильники, однако, они предназначены для того, чтобы производить тепло, а не холод.

ЭЛЕКТРО-КОМПРЕССИОННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Электро-компрессионные тепловые насосы Vuilleumier забирают тепло из окружающей среды. Жидкое рабочее вещество находится под большим давлением на первичной стороне испарителя.Так как температура окружающей среды вне испарителя выше температуры кипения рабочего вещества, рабочее вещество испаряется и забирает тепло из окружающей среды. Работающий от электричества компрессор вытягивает испарившееся рабочее вещество из испарителя и конденсирует его.

В течение этого процесса температура и давление пара увеличиваются. Из компрессора парообразное рабочее вещество поступает на вторичную сторону конденсатора, который окружен горячей водой. Так как температура горячей воды ниже температуры конденсированного рабочего вещества, она охлаждает пар, и рабочее вещество снова преобразуется в жидкое состояние.

Тепло, которое было собрано в испарителе, и полученная благодаря процессу конденсации энергия нагревают горячую воду. После этого рабочее вещество по испарительному клапану возвращается в испаритель. Здесь рабочее вещество возвращается в термодинамическое равновесие от большого давления конденсатора до низкого давления испарителя и остывает. Под хладагентом понимают смесь трех веществ, которые имеют собственную температуру кипения. При этом использование дополнительного теплообменника в этом виде тепловых насосов способствует полному испарению отдельных веществ. Существуют два способа воздействия: предотвращается поступление в компрессор вещества в жидком виде и повышается коэффициент мощности холодильного цикла, таким образом, повышается эффективность получения тепла.

Принцип работы дополнительного теплообменника основывается на том, что часть тепла отдается рабочему веществу после того, как оно поступило в конденсатор по дополнительному теплообменнику в виде пара. Это способствует тому, что испаряются даже капли вещества. Из-за этой теплоотдачи давление на холодной стороне повышается – на горячей стороне наоборот, это ведет к понижению давления. Когда разность давления на этих сторонах падает, уменьшается и работа компрессора. Это сокращает потребление электрической энергии, и повышает коэффициент мощности теплового насоса до пяти процентов.

Если для этого вида теплового насоса использовать регенеративно полученное электричество, то и тепло постоянно будет вырабатываться регенеративно. Наряду с солнечной энергией, тепловой насос является системой отопления, которая греет, не вырабатывая углекислый газ.

КОМПРЕССИОННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ, РАБОТАЮЩИЕ НА ГАЗОВОМ ДВИГАТЕЛЕ

Под этим видом теплового насоса понимается компрессионный тепловой насос, в котором тепловой насос работает на природном газе, дизельном топливе или биомассе (рапсовое масло, биогаз).

В этом случае компрессор работает от двигателя внутреннего сгорания, а не от электрического мотора.

Однако, двигателю внутреннего сгорания требуется звукоизоляция и обеспечение топливом. Компрессионные тепловые насосы, работающие на газе, эффективнее на первичном уровне, нежели электрические тепловые насосы, так как отходящее тепло во время процесса горения можно использовать для отопления.

СОРБЦИОННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Другим видом тепловых насосов являются сорбционные тепловые насосы. Они работают за счет физико-химического процесса абсорбции, при котором жидкость или газ увеличиваются за счет другой жидкости. Также при химически-физическом процессе адсорбции жидкость удерживается в верхних слоях твердого тела. Это происходит при определенных условиях под физическим воздействием, таким как давление или температура. Процесс сорбции является реверсивным.

Принцип сорбции особенно заметен, если речь идет об угольной кислоте, которая абсорбируется (распускается) в минеральной воде, а при открытой бутылке благодаря уменьшению давления снова становится свободной. Фильтрация запахов и токсичных веществ из воздуха благодаря активированному углю работает по принципу адсорбции. Этот вид тепловых насосов подразделяется на абсорбционные и адсорбционные.

АБСОРБЦИОННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ 

Абсорбционные тепловые насосы, как правило, работают на природном газе. Принцип их работы основывается на таком же физическом базисе, что и у компрессионных тепловых насосов. Но этот вид тепловых насосов отличается тем, что у них есть термический компрессор (вместо механического компрессора). Здесь используется хладагент, который уже при невысокой температуре и низком давлении испаряется, забирая энергию из окружающей среды. Парообразный хладагент поступает в абсорбер и благодаря растворителю такому, например, как вода, абсорбируется и отдает теплоту растворения.

Теплообменник подает тепло в тепловую сеть. Насос, работающий с растворителем, не требует большого расхода энергии для транспортировки соединения веществ к термическому компрессору. Соединение веществ обладает различной температурой кипения.

Таким образом, от доставки тепла растворенного хладагента при низких температурах кипения испаряются оба вещества.

Парообразный хладагент, который теперь обнаруживается при высоком уровне давления или температуры, поступает в конденсатор, где он разжижается и отдает тепло конденсации в тепловую сеть. Жидкий хладагент возвращается в термодинамическое равновесие, пройдя через расширительный клапан, и возвращается на прежний температурный уровень и исходный уровень давления. Таким же образом «циркулирует» и растворитель.

Термический компрессор использует тепло, выработанное в процессе горения газа, как источник энергии, однако, может использоваться и другой источник тепла. Преимуществом использования абсорбционных тепловых насосов является то, что они выгодно используют первичную энергию. Этот вид тепловых насосов не требует иных движущих частей, кроме  насоса, работающего на растворителе.

АДСОРБЦИОННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Следующим вариантом для тепловых насосов является сорбция. В отличие от абсорбционных тепловых насосы адсорбционные тепловые насосы используют твердые вещества как, например, активированный уголь, силикагель или цеолит.

Цеолит – это минерал, который впитывает водяной пар, адсорбирует его и отдает тепло до 300^оC. Адсорбционные тепловые насосы работают как и другие тепловые насосы циклично, однако, когда процесс подходит к концу при условии вакуумной системы. затраты, приходящиеся на оборудование, однако, достаточно велики по причине все той же вакуумной техники.

В так называемой фазе десорбции к теплообменнику, который покрыт слоем силикагеля или цеолита, подходит тепло, например, от источника газового горения.

Жидкая часть твердого материала (силикагеля или цеолита) превращается в пар и поступает во второй теплообменник. Этот теплообменник в первой фазе отдает тепло, которое высвобождается при конденсации пара, в систему отопления.

Когда цеолит обезвожен, желаемое высыхание достигнуто, и вода конденсируется во втором теплообменнике, первая фаза заканчивается и горелка выключается.

Во второй фазе теплообменник выполняет функцию испарителя, он доставляет к воде тепло окружающей среды.

В этой фазе соотношение давлений составляет примерно 6 миллибаров, так что хладагент при поступлении тепла из окружающей среды выпаривается. Водяной пар снова поступает в теплообменник, где снова адсорбируется в силикагели или цеолит. Тепло, которое при этом отдают силикагель и цеолит, поступает в систему отопления. Весь цикл заканчивается тогда, когда весь пар адсорбируется.Адсорбционные тепловые насосы для жилых домов находятся еще в стадии разработки.Как и абсорбционные тепловые насосы, насосы этого вида уже давно используются как хорошие холодильные машины.

ТЕПЛОВОЙ НАСОС Vuilleumier

Тепловой насос Vuilleumier назван так в честь французского инженера Рудольфа Vuilleumier,  который в 1918 году получил патент на свое изобретение. Это следующий вид тепловых насосов.Тепловой насос Vuilleumier, как и абсорбционный тепловой насос, работает на газе. Он работает в термическом приходящем в движение благодаря циркуляции газа процессе при рабочей среде – гелии. Для этого вида тепловых насосов можно использовать два источника тепла с различным температурным уровнем. Цикл непрерывен благодаря процессу горения газа, а как второй источник тепла по теплообменнику поступает тепло, например, из воздуха. Преимуществом системы является следующее: даже при температуре окружающей среды минус 20^оC температура запуска достигает уровня 75^оC, так что ее можно использовать и при санации здания. Испытанные сейчас системы показывают, что по сравнению с техникой, работающей на газе, расходы на первичную энергию можно сократить до 44 процентов. Тепловые насосы Vuilleumier вполне могут дать от  15 до 45 кВт термической энергии.Таким образом тепловые насосы Vuilleumier в сравнении с компрессионными и абсорбционными насосами с энергетической точки зрения являются интересной альтернативой – однако тепловые насосы этого вида еще нельзя производить серийно.

ОТОПЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ КАК ПАНЕЛЬНОЕ ОТОПЛЕНИЕ

Низкотемпературная отопительная система нужна тогда, когда тепловой насос должен покрыть потребность в тепле без использования дополнительного источника тепла. Наглядным примером подобной отопительной системы является теплый пол, который получил в последнее время широкое распространение. Максимальная и рациональная температура запуска теплого пола составляет 35^оC при отоплении тепловым насосом.

Теплый пол предпочтителен еще и потому, что пол накапливает тепло, а тем самым позволяет экономить на тарифах на электроэнергию. Небольшая разница в температуре между полом и воздухом в помещении создает саморегулирующийся эффект: небольшое повышение температуры воздуха в помещении влечет снижение теплоотдачи пола.

ОТОПЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ ПРИ ПОМОЩИ РАДИАТОРА

Альтернативой теплому полу в новых домах служит радиатор. При этом, однако, проблематично достичь высокой температуры запуска в старых домах. При высоком уровне конденсации рабочего вещества в компрессоре возникают высокие температуры, которые наносят вред смазыванию маслом, и могут привести к поломке компрессора. С технической точки зрение, для впрыскивания пара может быть необходима температура запуска более 55^оC  даже при хладагенте R 407C.

Вследствие этого часть хладагента отводится в вентиль, разряжается и по дополнительному теплообменнику поступает в компрессор. Так удается избежать перегрева хладагента.Эти тепловые насосы имеют температуру запуска 65^оC, нагревают хозяйственно-питьевую воду до температуры 58^оC и их годовое рабочее число не превышает 3. 

Этот вид тепловых насосов подходит для старых систем отопления с радиаторами и может круглогодично без использования дополнительного источника тепла покрывать общую потребность в тепле для подогрева хозяйственно-питьевой воды и отопления.

ОТОПЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ КАК ВОЗДУШНЫЙ ОБОГРЕВ

Воздушный обогрев использует воздух в качестве источника энергии и для теплопереноса. Использование отопления тепловым насосом как воздушный обогрев возможно только в пассивных домах с хорошей изоляцией.

Предпосылкой для этого является комбинация теплового насоса и воздушного обогрева в пассивных домах, при этом отопительная нагрузка составляет менее 10 Вт на квадратный метр.

При более высокой отопительной нагрузке воздух, необходимый для выработки тепла, поступает при повышении температуры воздуха.

При этом влажность воздуха понижается до 30 процентов, что вредит здоровью владельцев дома. Поэтому отопление тепловым насосом как воздушный обогрев используется только в тех домах, где отопительная нагрузка меньше 10 Вт на квадратный метр.

ОХЛАЖДЕНИЕ ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ – ТЕПЛОВОЙ НАСОС, КАК КОНДИЦИОНЕР

Охлаждение тепловым насосом означает возможность не только нагревать помещения, но и охлаждать их. В Германии этот факт почти неизвестен. В США же, наоборот, охлаждение тепловым насосом получило широкое распространение. Реверсивный тепловой насос отличается от теплового насоса, вырабатывающего тепло, прежде всего, тем, что в зависимости от состояния либо нагревает, либо охлаждает помещение.

ОХЛАЖДЕНИЕ ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ КАК РЕВЕРСИВНЫЙ ПРОЦЕСС 

Реверсивный тепловой насос имеет дополнительный четверной вентиль и два расширительных клапана в холодильном цикле. Направление течения хладагента автоматически направляется четверным вентилем так, что в компрессоре сохраняется направление движения. В процессе охлаждения изначальный конденсатор становится испарителем, который отдает тепло помещения хладагенту. Таким образом, происходит обратный процесс, тепло через вентиль поступает в компрессор, а оттуда по теплообменнику в окружающую среду. При реверсивных компрессионных тепловых насосах мощность отопления всегда несколько больше охлаждения, так как энергия, необходимая для работы компрессора, сразу превращается в тепло и используется для системы отопления. При охлаждении тепловая энергия, конечно же, сокращается, что ухудшает работу системы в сравнении с ее потенциальной мощностью.

НАТУРАЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ КАК ОХЛАЖДЕНИЕ ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ

При «натуральном охлаждении» используется тот факт, что грунтовые воды и грунт летом холоднее, чем внутренние помещения дома. Таким образом, грунт и грунтовые воды могут охлаждать дом естественным путем и напрямую.

Некоторые тепловые насосы обладают функцией «натурального охлаждения». Лишь класс тепловых насосов «воздух/вода» не может использоваться  таким образом летом из-за высоких температур окружающей среды. В сравнении с обычными тепловыми насосами, тепловой насос с функцией «натуральное охлаждение»  обладает лишь несколькими дополнительными элементами: наряду с теплообменником необходимы лишь тройной вентиль и циркуляционный насос.

Охлаждающая способность при «натуральном охлаждении» зависит все же от размера источника энергии и его температуры, а так же зависит от сезонных колебаний.

Для непосредственного охлаждения используются вентиляторы, охлаждающая подкладка, теплый пол и другие конструктивные элементы вплоть до поддержания равномерной температуры в бетоне. «Натуральное охлаждение» является энергосберегаюшим и экономичным способом охлаждения дома, так как работа циркуляционного насоса не требует больших затрат на электроэнергию.

Во время процесса охлаждения тепловой насос используется лишь для нагрева хозяйственно-питьевой воды. Системой охлаждения можно легко управлять.

Для охлаждения тепловым насосом точка таяния при контроле температуры необходима для реверсивной работы, а также для «натурального охлаждения». Она следит за тем, чтобы, например, температура теплого пола не падала ниже 20^оC – таким образом предотвращается образование влажности в полу.

НЕБОЛЬШАЯ ИНСТАЛЛЯЦИЯ – ПОЧТИ АВТОМАТИЧЕСКАЯ РАБОТА

Тепло окружающей среды в отличие от других регенеративных источников энергии как солнечная энергия или энергия ветра тем, что она доступна в любое время. Поэтому тепловой насос, в принципе, может обеспечить  общую потребность домка в тепле, включая нагрев горячей воды, без применения других источников тепла и при минимальной инсталляции. Особенно просто инсталлировать тепловой насос, работающий на энергии воздуха, то есть, тепловой насос «Воздух/Вода».

Лишь включение горячего контура (поступательное движение, обратное движение) и внутренний контур (например, солнечное поступательное/обратное движение), а также подключение к трехфазному току необходимо для работы насоса.

Для комбинации системы нагрева хозяйственно-питьевой воды и работы отопления существуют специальные системы. В зависимости от системы управления тепловым насосом устанавливается оптимальная система выключения между нагревом воды и отоплением 

При установке теплового насоса «соляной источник/вода», «вода/вода» специальные фирмы берут на себя работу по установке первичного цикла, как например, бурение, переключение подземного коллектора или установки сборного колодца для грунтовых вод. Они гарантируют работу системы и требуемую тепловую мощность. Несложная установка и почти автоматическая работа говорят за тепловой насос

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

В случае правильной установки теплового насоса при моновантной работе он может быть единственным источником тепла, необходимым для покрытия в потребности в тепле всего здания.

В зависимости от поставщика энергии можно контролировать расходы на электроэнергию в период, когда система не работает. Поставщики энергии могут прерывать работу максимально на 3 Х 2 часа в течение 24 часов. При расчете необходимого количества энергии из-за двух часов на инерцию здания время, когда система не работает не учитывается.

Между двумя часами, когда система не работает, поставщики энергии должны удвоить продолжительность освобожденной работы, как и предшествовавшее ей время, когда система не работала. Во время «первой» установки возможно произвести приблизительный расчет отопительной нагрузки.

В этом случае базисом является отапливаемая поверхность.

Отапливаемая поверхность (в квадратных метрах) рассчитывается исходя из следующей отопительной нагрузки: 

• Пассивный дом 10 Вт/квадратный метр
• Дом с низким потреблением энергии 40 Вт/квадратный метр
• Новостройка с хорошей изоляцией 50 Вт/квадратный метр
• Дом с нормальной изоляцией  80 ВТ/квадратный метр
• Старый дом без особой изоляции 120 Вт/квадратный метр

Пример: 

Новостройка с хорошей теплоизоляцией площадью 180 квадратных метров. При максимальном времени, когда система не работает, от 3 Х 2 часов и при минимальной температуре окружающей среды требуемая мощность составляет 10 кВт.

Только за один день отопительная нагрузка составляет 240 кВт (10кВт Х 24 часа).За счет времени, когда система не работает (3 Х 2 часа) покрытие максимальной дневной потребности в отопительной нагрузке будет составлять лишь 18 часов в день.

В этом расчете остаются без внимания два часа необходимые для инерции здания. 240 кВт/20ч=12 кВт/ч. Исходя из этого расчета можно сделать вывод, что для работы теплового насоса необходимо 12 кВт.