Тепловые насосы

Необходимость экономии энергии характерна для нашей повседневной жизни – дома, в учреждениях и на производстве. Стремление уменьшить затраты первичной энергии (потребление топлива) без снижения или даже с увеличением отдачи энергии конечному потребителю за счёт более рационального способа её преобразования – главная задача современной техники.

Тепловой насос термодинамически идентичен холодильной машине. Большинство квартир, пищевых складов и крупных общественных зданий в промышленно развитых странах оборудовано холодильниками и воздушными кондиционерами. Принципиальное отличие теплового насоса от холодильника состоит в той роли, которую он играет у потребителя. Холодильники и воздушные кондиционеры предназначены для охлаждения, тогда как тепловой насос – для нагрева.

Среди различных типов тепловых насосов наибольшее распространение получили парокомпрессионные установки мощностью от нескольких ватт до нескольких мегаватт. Привод компрессоров осуществляется как электродвигателями, так и тепловыми двигателями внутреннего сгорания. Разнообразны так же и типы применяемых компрессоров.

В 1824 г. Карно впервые использовал термодинамический цикл для описания процесса, и этот цикл остаётся фундаментальной основой для сравнения с ним и оценки эффективности тепловых насосов.

Тепловой насос

Тепловая машина

Тепловой насос можно рассматривать как обращенную тепловую машину. Тепловая машина (ТМ) получает тепло от высокотемпературного источника(Qвыс.) и сбрасывает его при низкой температуре (Tниз.), отдавая полезную работу (А). Тепловой насос требует затраты работы (А) для получения тепла при низкой температуре (Тниз.) и отдачи его при более высокой температуре (Твыс.).

Можно показать, что если обе эти машины обратимы (т.е. термодинамические процессы не содержат потерь тепла или работы), то существует конечный предел эффективности каждой из них, и в обоих случаях это есть отношение полученного количества тепла при высокой температуре(Qвыс.) к затраченной либо полученной работе (А) — Qвыс./А.

Если бы это было не так, то можно было бы построить вечный двигатель, просто соединив одну машину с другой. Для тепловых насосов отношение Qвыс./А называется коэффициентом преобразования (КОП).

Используя определение энтропии и законы термодинамики, включая соотношение Qвыс.=Qниз.+А, можно показать, что коэффициент преобразования для цикла Карно имеет вид:

КОП = Тниз./ (Твыс. — Тниз.) + 1 = Твыс./ (Твыс. — Тниз.) 

Никакой тепловой насос, созданный в пределах нашей вселенной, не может иметь лучше характеристики, и все практические циклы реализуют стремление максимально приблизиться к этому пределу.

Величина КОП отражает меру полезности теплового насоса как выработку большего количества тепла при затрате сравнительно малой работы. Однако, она не отражает того факта, что передача энергии в форме работы представляет большую ценность, чем передача энергии в форме тепла. Это становится очевидным при выборе привода для компрессора. Вообще любая тепловая машина позволяет лишь часть тепла, получаемого от топлива, преобразовать в работу.

Для оценки различных тепло-насосных систем с приводом компрессора за счёт различных топлив или источников энергии применяют коэффициент первичной энергии (КПЭ). Он учитывает не только КОП, но и КПД преобразования первичной энергии (нефть, газ и т.д.) в работу привода компрессора.

Определение КПЭ таково:

КПЭ = (Полезное тепло от теплового насоса/Затраты первичной энергии)

Можно дать другое определение КПЭ, когда для привода компрессора используется тепловая машина с термическим КПД = ɳТ, например, дизельный двигатель.

КПЭ = ɳТ  * КОП

При использовании теплового насоса для отопления или теплоснабжения в промышленности, а также любого применения, где единственным назначением теплового насоса является получение тепла, КПЭ показывает, насколько выгоден тепловой насос по сравнению с обычным водогрейным котлом, а также по сравнению с непосредственным огневым нагревом.  Так дизель – это довольно хорошая тепловая машина, и при полной нагрузке её КПД достигает  ɳТ = 0,4. Следовательно КПЭ = КОП * 0,4. Если принять, что среднее значение для современных тепловых насосов КОП составляет ~ КОП = 3, то:

КПЭ =0,4*3=1,2

Другими словами, тепловой насос даёт на 20% больше тепла, чем прямое сжигание топлива. Если же дополнительно можно использовать 35% первичной энергии, обратившейся в тепло на выхлопе и в радиаторе дизеля, то КПЭ соответственно возрастает:

КПЭ=1,2+0,35 = 1,55

Это можно сравнить с системой обычного теплоснабжения от котельной, у которой КПЭ составляет 0,7-0,8.  Сравнение показывает, что в этом случае тепловой насос даёт вдвое больше полезного тепла на единицу использованного топлива.

Данные продаж оборудования HVAC на финском рынке свидетельствуют о том факте, что сегодня примерно 70% финнов, строящих индивидуальные жилые дома, выбирают отопление — полное или частичное — с помощью теплового насоса. Также, по оценкам специалистов, ежегодная экономия от внедрения тепловых насосов в жилых многоквартирных домах находится в диапазоне от 3 до 5 ТВт*ч., что способствует широкому внедрению тепловых насосов и в теплоснабжение многоквартирных домов.

А согласно данным Федерального статистического управления Германии, в 2017-м году в жилых домах, получивших разрешение на строительство, наиболее популярной системой отопления стали тепловые насосы, которые начинают вытеснять газовые и электрические котлы в качестве основной системы отопления жилых домов. Как показывает практика, в Германии основными факторами роста стоимости жилых многоквартирных домов служат отнюдь не расходы на строительство тепловых насосов, а довольно быстро растущая стоимость земельных участков и высокие затраты на стройматериалы. А переход к отоплению с помощью тепловых насосов дает минимальные дополнительные расходы.

Компания «АЭРОКОНД МСК» может предложить Вам реверсивные тепловые насосы водяного охлаждения собственного производства под маркой «GeoCond» с диапазоном мощности от 6 до 296 кВт. Контакты отдела продаж Вы можете узнать здесь.