Тепловой насос или теплонасос — тепловая машина, устройство для переноса тепловой энергии от источника к потребителю. В отличие от самопроизвольной передачи тепла, которая всегда происходит от горячего тела к холодному, принцип действия теплового насоса основан на обратном термодинамическом цикле: устройство поглощает тепло из внешнего источника энергии (воздуха, воды, почвы) и переносит его в систему отопления для нагрева теплоносителя. Наиболее распространённая конструкция теплового насоса состоит из компрессора, теплового расширительного клапана, испарителя и конденсатора. Теплоноситель, циркулирующий внутри этих компонентов, называется хладагентом.
Известными примерами тепловых насосов являются холодильники и кондиционеры. Тепловые насосы могут использоваться как для нагревания, так и для охлаждения. Когда тепловой насос используется для нагревания, он реализует тот же тип термодинамического цикла, что и холодильник, но в противоположном направлении, высвобождая тепло в нагреваемом помещении и забирая тепло из более холодного окружающего воздуха.
По прогнозам Международного энергетического агентства, тепловые насосы будут обеспечивать 10 % потребностей в энергии на отопление в странах ОЭСР к 2020 году и 30 % — к 2050 году.
Общие сведения Основу современного парка теплонасосного оборудования составляют парокомпрессионные тепловые насосы, но применяются также и абсорбционные, электрохимические и термоэлектрические.
При использовании обычного отопления при помощи источника энергии, с помощью которого можно получить механическую работу , количество теплоты , поступающее в отопительную систему, равно этой работе .
Если же эту работу использовать для приведения в действие теплового насоса, то получаемая нагреваемым телом теплота будет больше, чем совершаемая работа . Пусть температура воды в системе отопления равна , а температура окружающей отапливаемое помещение среды равна , причём . Тогда получаемое отопительной системой количество теплоты . Таким образом, чем меньше температура отопительной системы отличается от температуры окружающей среды , тем больший выигрыш даёт тепловой насос по сравнению с непосредственным превращением работы в теплотуБутиков Е. И., Быков А. А., Кондратьев А. С. Физика в примерах и задачах. — М., Наука, 1989. — Тираж 310000 экз. — с. 212.
Величину называют коэффициентом трансформации теплового насоса. Коэффициент трансформации теплового насоса, или теплонасосной системы теплоснабжения (ТСТ) «Ktr» представляет собой отношение полезного тепла, отводимого в систему теплоснабжения потребителю, к энергии, затрачиваемой на работу теплонасосной системы теплоснабжения, и численно равен количеству полезного тепла, получаемого при температурах Тоut и Тin, на единицу энергии, затраченной на привод ТН или ТСТ. Реальный коэффициент трансформации отличается от идеального на величину коэффициента h, учитывающего степень термодинамического совершенства ГТСТ и необратимые потери энергии при реализации цикла. ВВасильев Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоёв Земли (Монография). Издательский дом «Граница». М., «Красная звезда» — 2006. — 220 °C. приведены зависимости реального и идеального коэффициентов трансформации (К тр) теплонасосной системы теплоснабжения от температуры источника тепла низкого потенциала Тin и температурного потенциала тепла, отводимого в систему отопления Тоut. При построении зависимостей, степень термодинамического совершенства ТСТ h была принята равной 0,55, а температурный напор (разница температур хладона и теплоносителя) в конденсаторе и в испарителе тепловых насосов был равен 7 °C. Эти значения степени термодинамического совершенства h и температурного напора между хладоном и теплоносителями системы отопления и теплосбора представляются близкими к действительности с точки зрения учёта реальных параметров теплообменной аппаратуры (конденсатор и испаритель) тепловых насосов, а также сопутствующих затрат электрической энергии на привод циркуляционных насосов, систем автоматизации, запорной и управляющей арматуры.
В общем случае степень термодинамического совершенства теплонасосных систем теплоснабжения h зависит от многих параметров, таких, как: мощность компрессора, качество производства комплектующих теплового насоса и необратимых энергетических потерь, которые, в свою очередь, включают: потери тепловой энергии в соединительных трубопроводах; потери на преодоление трения в компрессоре; потери, связанные с неидеальностью тепловых процессов, протекающих в испарителе и конденсаторе, а также с неидеальностью теплофизических характеристик хладонов; механические и электрические потери в двигателях и прочее.
В табл.1-1 представлены «средние» значения степени термодинамического совершенства h для некоторых типов компрессоров, используемых в современных теплонасосных системах теплоснабжения.
Таблица 1-1. Эффективность некоторых типов компрессоров, используемых в современных теплонасосных системах теплоснабжения
Мощность, кВт Тип компрессора Эффективность (степень термодинамического совершенства) h, доли ед.300—3000 Открытый центробежный 0,55—0,7550—500Открытый поршневой0,5—0,6520—50Полугерметичный0,45—0,552—25Герметичный, с R-220,35—0,50,5—3,0Герметичный, с R-120,2—0,35<0,5Герметичный<0,25 Как и холодильная машина, тепловой насос потребляет энергию на реализацию термодинамического цикла (привод компрессора). Коэффициент преобразования теплового насоса — отношение теплопроизводительности к электропотреблению — зависит от уровня температур в испарителе и конденсаторе. Температурный уровень теплоснабжения от тепловых насосов в настоящее время может варьироваться от 35 °C до 55 °C, что позволяет использовать практически любую систему отопления. Экономия энергетических ресурсов достигает 70 %Васильев Г. П., Хрустачев Л. В., Розин А. Г., Абуев И. М. и др. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии // Правительство Москвы Москомархитектура, ГУП «НИАЦ», 2001.. Промышленность технически развитых стран выпускает широкий ассортимент парокомпрессионных тепловых насосов тепловой мощностью от 5 до 1000 кВт.
История Концепция тепловых насосов была разработана ещё в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) и в дальнейшем усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером. Петера Риттера фон Риттингера считают изобретателем теплового насоса, ведь именно он спроектировал и установил первый известный тепловой насос в 1855 годуBurg Rabenstein . Но практическое применение тепловой насос приобрёл в 1940-х годах, когда изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер (Robert C. Webber) экспериментировал с морозильной камеройAbout Us. What is IGSHPA? / International Ground Source Heat Pump Association. Однажды Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе камеры и понял, что тепло просто выбрасывается наружу. Изобретатель задумался над тем, как использовать это тепло, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В результате Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть тепла от нагретой воды попадала в воздух. Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника тепла можно нагревать и воду, и воздух одновременно, поэтому Вебер усовершенствовал своё изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять тепло по дому с целью его отопления. Со временем именно у Вебера появилась идея «выкачивать» тепло из земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон, который «собирал» тепло земли. Газ конденсировался, отдавал своё тепло в доме, и снова проходил через змеевик, чтобы подобрать следующую порцию тепла. Воздух приводился в движение с помощью вентилятора и распространялся по дому. В следующем году Вебер продал свою старую угольную печь.
В 1940-х годах тепловой насос был известен благодаря своей чрезвычайной эффективности, но реальная потребность в нём возникла после нефтяного кризиса 1973 года, когда, несмотря на низкие цены на энергоносители, появился интерес к энергосбережению.
Эффективность В процессе работы компрессор потребляет электроэнергию. Соотношение перекачиваемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом производительности ( — сокр. от ) и служит показателем эффективности теплового насоса. Для вычисления COP используется следующая формула:
где — безразмерный коэффициент; — работа, совершенная насосом [Дж]; — теплота, забираемая тепловым насосом из источника низкопотенциального тепла [Дж]; — теплота, полученная потребителем [Дж]. k- коэффициент полезного действия
Величина A показывает, какую работу необходимо совершить тепловому насосу для «перекачки» определённого объёма тепла. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: то есть температура теплоносителя в «холодной части устройства» должна быть всегда ниже температуры источника низкопотенциального тепла, чтобы энергия от источника низкопотенциального тепла смогла произвольно перетечь к теплоносителю или рабочему телу (Второе начало термодинамики).
то есть COP = 2 означает, что тепловой насос переносит полезного тепла в два раза больше, чем затрачивает на свою работу.
Пример:
Тепловой насос потребляет Pтн = 1 кВт, COP = 3.0 — означает, что потребитель получает Pтн * COP = 1 * 3 = 3 кВт;
потребитель получает Pп = 3 кВт, COP = 3.0 — означает, что тепловой насос потребляет Pп / COP = 3 / 3 = 1 кВт
считаем, что КПД компрессора или процесса, его заменяющего, 100 %.
По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности более ёмкий источник низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом деле, при этом растёт эффективность теплового насоса, поскольку при слабом охлаждении источника тепла сохраняется возможность теплу самопроизвольно перетекать от источника низкопотенциального тепла к теплоносителю. По этой причине тепловые насосы делают так, чтобы запас теплоты (С*m*T, c — теплоёмкость, m — масса, T — температура) низкопотенциального источника тепла был бы как можно больше.
Например: газ (рабочее тело) отдаёт энергию «горячей» части теплонасоса (для этого газ сжимают), после чего охлаждают ниже источника низкопотенциального тепла (может быть использован дроссельный эффект (эффект Джоуля — Томсона)). Газ поступает в источник низкопотенциального тепла и нагревается от этого источника, затем цикл повторяется.
Проблема привязки теплового насоса к источнику низкопотенциального тепла, имеющего большой запас теплоты может быть решена введением в тепловой насос системы переноса тепла теплоносителем, который осуществляет перенос теплоты к рабочему телу. Таким посредником могут быть вещества со значительной теплоёмкостью, например вода.
Хорошо видно, чтобы построить эффективную машину, необходимо подобрать такое рабочее тело, чтобы для сжатия (для извлечения тепла из рабочего тела) компрессор использовал бы минимум энергии, и как можно ниже (резко возрастает возможное число источников) была бы температура рабочего тела при подводе его к источнику низкопотенциального тепла.
Условный КПД тепловых насосов КПД теплового насоса приводит многих в замешательство, так как если выполнить «очевидный расчёт», то он принципиально больше 1, однако работа теплового насоса на самом деле полностью подчиняется закону сохранения энергии. Ошибка в «очевидном расчёте» в том, что если считать сам тепловой насос «чёрным ящиком», то, действительно, устройство потребляет энергии меньше, чем производит тепла, что принципиально.