IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Принцип действия теплового насоса:

Тепловой насос, принцип работы которого построен на цикле Карно, по сути – тепловой двигатель, который, в отличие от традиционного процесса горения, позволяет обеспечивать теплоснабжение объекта за счет тепла окружающей среды или возвратного (сбросное) тепла технологических процессов. Важным фактором является чрезвычайно низкое потребление тепловым насосом энергии для своей работы – затрачивая 1 кВт электричества, тепловой насос способен генерировать 4кВт тепла. Говоря иначе, принцип действия теплового насоса основан на переносе тепловой энергии от низкопотенциального источника (вода, воздух, земля) к потребителю (теплоносителю) за счет затраты энергии на преобразование рабочего тела. Схематично тепловой насос можно представить из четырех основных элементов: испарителя, компрессора, конденсатора и сбросного клапана.

Принцип работы тепловых насосов базируется на способности рабочего тела, которым является жидкость, способная закипать и испаряться даже при минусовой температуре (например, фреон). Температура низкопотенциального источника энергии, воспринимаемая испарителем, выше температуры кипения фреона при соответствующем давлении. Вследствие теплоотдачи фреон вскипает и переходит в газообразное состояние. Пары фреона поступают в компрессор, в котором сжимаются. При этом его давление и температура увеличивается. Затем горячий и сжатый фреон направляется в конденсатор, охлаждаемый теплоносителем. На охлажденных поверхностях конденсатора пары фреона конденсируются, переходя в жидкое состояние, а его теплота передается теплоносителю, который в дальнейшем используется в системах отопления и горячего водоснабжения. Жидкий фреон направляется в сбросной клапан, проходя через который он снижает давление и температуру и снова возвращается в испаритель. Цикл при этом завершается и будет автоматически повторяться, пока работает компрессор.

Стоит отметить преимущества использования тепловых насосов: универсальность, независимость от наличия источника тепла, исключительная долговечность, пожарная и экологическая безопасность.

Источники тепла для тепловых насосов

В системах теплоснабжения объектов любого функционального назначения в качестве источников низкопотенциальной тепловой энергии могут быть использованы естественные, непрерывно возобновляемые ресурсы Земли: атмосферный воздух, поверхностные водоемы и грунтовые воды, грунт ниже глубины промерзания.

В качестве искусственных, техногенных источников низкопотенциального тепла могут выступать: удаляемый вентиляционный воздух, сточные воды системы канализации, промышленные сбросы технологических вод.

Разновидности тепловых насосов

Тип теплового насоса определяется типом того источника тепла, который он использует как первичный.

Тепловые насосы типа «воздух-вода»:

Окружающий атмосферный воздух особенно привлекателен для использования в качестве источника тепла, он имеется повсеместно и неограниченно. Воздушные тепловые насосы не требуют ни горизонтальных коллекторов, ни вертикальных зондов. Компактный наружный блок эффективно отбирает тепло воздуха и органично вписывается в любой интерьер. Тепловые насосы «воздух-вода» способны работать круглый год, как зимой, так и летом. Однако при температурах ниже -15С система отопления должна быть дополнена вторым отопительным прибором, например, газовым или твердотопливным котлом. Преимущество – снижение инвестиционных затрат по сравнению с другими типами тепловых насосов за счет отсутствия вспомогательных земляных работ, простота конструкции для использования в целях и отопления, и охлаждения. Недостаток – температурный лимит первичного источника тепла.

Тепловые насосы типa «вода-вода».

Грунтовые воды – хороший аккумулятор солнечной тепловой энергии. Даже в зимний период дни они сохраняют постоянную положительную температуру (например, для Северо-Западного региона этот показатель находится на уровне +5+7°С). Однако наилучшие перспективы применения имеют тепловые насосы, работающие на тепле сточных и технологических вод. Для промышленных предприятий инвестиции в теплонаносную установку сразу же, с момента запуска, обеспечат экономию средств на отопление и сократят зависимость от централизованных сетей теплообеспечения. В этом случае сбрасываемое в стоки тепло, по сути – источник дополнительного дохода, который без использования теплового насоса был бы невозможен. Преимущество – стабильность работы. Недостаток – для стабильной работы необходим постоянный поток вод удовлетворительного качества.

Тепловые насосы типа «грунт-вода».

Тепловая энергия Солнца воспринимается грунтом либо непосредственно в форме радиации, либо косвенно в форме тепла, получаемого с дождем или от воздуха. Аккумулированное грунтом тепло отбирается либо вертикальным грунтовыми зондами, либо горизонтально проложенными грунтовыми коллекторами. Насосы этого типа также называют геотермальными тепловыми насосами. Преимущество – стабильность работы и самый высокий теплосъем среди всех типов тепловых насосов. Недостаток – относительно высокая стоимость буровых работ в случае геотермального теплового насоса и большая площадь для размещения горизонтальных грунтовых коллекторов (при потребности в тепле около 10 кВт и сухом глинистом грунте площадь коллектора должна быть не менее 450 м кв).

Режимы эксплуатации тепловых насосов

– Моновалентный режим. В этом случае тепловой насос является единственным генератором тепла и покрывает всю отопительную нагрузку здания. Предпосылкой этого служит подключение системы распределения тепла, рассчитанной на температуру подачи ниже максимальной температуры подачи теплового насоса.

– Бивалентный режим. В этом случае система отопления имеет два генератора тепла – это тепловой насос плюс еще один традиционный генератор тепла, работающий на твердом, жидком и газообразном топливе.

Список литературы:

1. Каплан А. М. Тепловые насосы, их технико-экономические возможности и области применения. Работы ЦКТИ. Кн. 4, вып. 1.- М.- Л.: Машгнз, 1947, с. 3 - 30.

2. Трубаев П.А., Гришко Б.М. Тепловые насосы / Трубаев П.А., Гришко Б.М. – Белгород: Изд-во БГТУ им В.Г. Шухова, 2009. – 142 с.

Код для цитирования: Скопировать