Принцип работы тепловых насосов: Принципы работы тепловых насосов

Принцип работы теплового насоса | Полезное

Интерес к использованию экономных систем отопления обусловлен не только кризисными явлениями в экономике, но в большей степени ограниченными запасами классических энергоносителей, таких как уголь, газ, нефть. Преобразование электричества в тепло также не эффективно.

Альтернативным вариантом является использование в качестве главного агрегата отопительной системы теплового насоса. Он позволяет отбирать тепло с воздуха, воды или недр земли и передавать его в отопительную систему.

Как устроен тепловой насос?

Принцип действия теплового насоса базируется на использовании физических явлений происходящих при переходе веществ с одного агрегатного состояния, например, газообразного, в другое – жидкое, и наоборот.

Если пролить на руку бензин, то ощущается чувство холода. Быстрое испарение бензина, которое требует дополнительной энергии. Эффект охлаждения при быстром испарении жидкости используется в холодильных камерах. В них используется фреон с отрицательной температурой кипения, а испарение происходит под давлением от компрессора в специальном испарителе с маленьким отверстием.

Большой перепад давлений приводит к моментальному испарению жидкого фреона с понижением температуры, вследствие чего появляется возможность отбора тепла от продуктов в морозильной камере. В холодильнике циклически происходит и другой процесс, обратный испарению. Газообразный фреон при помощи того же компрессора резко сжимается и переходит в жидкое состояние. При этом выделяется тепло, которое отдается наружу на конденсаторе (сетка на задней стенке). Таким образом, холодильник отбирает тепло у продуктов и выводит его наружу.

Если холодильник вмонтировать в стену и открыть дверцу, то он будет забирать тепло (охлаждать) в одной комнате и отдавать тепло (нагревать) в другой. Именно этот принцип заложен в основу работы теплового насоса.

«Холодильник наизнанку», так еще называют тепловой насос. Функциональные элементы и принцип работы теплового насоса такие же, как у холодильника, только тепло он забирает с воздуха, подземных вод или почвы ниже зоны промерзания, а отдает его в систему обогрева помещения. Тепловой насос является своего рода усилителем тепла от естественных источников с низкой температурой.

Какими бывают тепловые насосы

Прежде чем устанавливать систему отопления с тепловым насосом следует определиться в доступности низкотемпературных источников тепла, технической и экономической целесообразности их использования. Принцип работы теплового насоса при этом остается неизменным, но варианты его построения могут быть разными:

• Геотермальный тепловой насос. В качестве источника отдачи тепла используются слои грунта ниже зоны промерзания. Отбор тепла осуществляется при помощи горизонтальных или вертикальных трубопроводов, по которым циркулирует жидкость с низкой температурой кипения;
• водный насос. Источником тепла служат подземные или незамерзающие поверхностные водоемы. В качестве последних могут быть коллекторы сточных вод с крупных предприятий, тепловых электростанций и прочие;
• «бросовые» тепловые насосы. В качестве низкотемпературного энергоносителя могут использоваться вентиляционные магистрали, канализационные трубопроводы и другие источники тепла, которое не используется для других целей.

Главный узел теплового насоса, содержащий компрессор, испаритель, конденсатор и другие функциональные агрегаты занимает объем примерно, как холодильник. В зависимости от системы отбора тепла и системы отопления, в которую будет осуществляться отдача тепла, конструкция тепловых насосов может существенно отличаться.

При выборе системы отопления тепловым насосом надо учитывать ряд факторов, таких как:

• сезонность проживания;
• средние температуры в данной местности;
• теплопотери отапливаемого объекта;
• доступность различных источников тепла.

Возникли вопросы?

Заполните форму обратной связи, наши менеджеры свяжутся с вами!

Принцип работы теплового насоса «вода-вода» | Полезное

При постоянном росте цен на газ и уголь, потребители все чаще задумываются о применении альтернативных источников энергии — воды, земли или воздуха. Такое оборудование дает возможность отказаться от покупки топлива. К тому же, использование возобновляемых природных ресурсов является важным вопросом сохранения окружающей среды. Принцип работы теплового насоса вода-вода позволяет обеспечить тепло в доме, не нарушая природный баланс и не загрязняя окружающую среду.

Источником тепла может выступать любая водная среда — идеальным вариантом являются грунтовые воды, температура которых никогда не опускается ниже 7°C, но подойдут и открытые водоемы.

Расчет эффективности теплового насоса вода-вода

Прежде чем совершить покупку необходимо выполнить расчет и определить эффективность теплового насоса вода-вода, чтобы четко понимать выгоду от такого приобретения.

Тепловой насос производит объем энергии в 3-5 раз больше, чем расходует, однако, это вовсе не значит, что стоит верить рекламным трюкам некоторых продавцов, заявляющих о том, что КПД составляет 300-500%. У теплонасосов действительно высокий КПД, но превышать 100%, он не может.

Эффективность тн будет сильно зависеть от типа источника энергии. Если сравнить затраты на покупку, установку и транспортировку в соотношении на 1 кВт мощности, то самым дорогим будет геотермальный с вертикальным коллектором. Чуть менее дорогостоящим будет грунтовой с горизонтальным коллектором, а самым дешевым воздушный, но менее эффективным. Самым оптимальным оказывается вода-вода, у него отличное соотношение цены и выдаваемой мощности.

Устройство теплового насоса вода-вода

Если в качестве источника используется водоем, он должен быть расположен в непосредственной близости от дома, не более 100 м, иначе установка такого агрегата будет нерентабельной. Примечательно, что устройство и геотермального насоса, и водяного с закрытым циклом одинаковое. Разница лишь в том, что второй берет тепло только из воды.

Водяные насосы закрытого цикла требуют прокладки коллектора, а перенос энергии от низкопотенциального источника в отопительный контур совершается за счет хладагента. Эффективнее всего показывают себя системы, забирающие энергию из грунтовых вод, ведь они имеют практически постоянную среднегодовую температуру t = 7-10 oC.

Принцип работы теплового насоса вода-вода: вода из источника отдает тепло испарителю и попадает обратно в водоем через другую скважину для сброса. Хладагент в испарителе закипает и преобразуется в пар, затем сжимается в компрессоре, при этом температура и давление значительно повышаются. Далее хладагент перенаправляется в конденсатор, в котором отдает тепло в отопительный контур, а сам конденсируется. Далее он проходит через сбросной клапан, охлаждается и весь цикл повторяется заново, до тех пор, пока помещение не нагреется. Если в агрегате установлен погодазависимый режим, при достижении нужной температуры в контуре он автоматически отключится. Когда дом начнет охлаждаться, устройство включится снова.

В водяных теплонасосах открытого цикла плюсом является возможность получать воду для горячего водоснабжения. Система работает по принципу сообщающихся сосудов, перекачивая воду из источника через контур, а потом возвращая обратно. Минус таких систем – недолговечность и необходимость регулярной очистки.

Возникли вопросы?

Заполните форму обратной связи, наши менеджеры свяжутся с вами!

Принцип работы теплового насоса «Воздух-вода»

Тепловой насос воздух вода – еще один тип тепловых насосов, которые обеспечивают не только отопления помещения, но и кондиционирование. Тепловой насос воздух вода – это инновационная система рециркуляции энергии, которая уменьшает нагрузку на окружающую среду, при этом повторно использует тепло, которое и так вырабатывается в повседневной жизни.

Тепловой насос воздух вода для отопления используется с максимальной эффективностью. Главное их преимущество – это экономичность. Тепловые насосы воздух вода на каждый потребленный 1,00 киловатт электрической энергии способны вырабатывать до 4,44 кВт тепловой. Таким образом, система отопления становиться намного более эффективной.

Принцип действия теплового насоса воздух вода состоит из следующих этапов:

1. Принцип работы достаточно не сложный. Наружный блок с помощью хладагента забирает тепловую энергию из наружного воздуха (собственно источника тепла). Далее хладагент поступает в компрессор, где уже после сжатия его температура значительно увеличивается.
2. Горячий хладагент (уже в форме газа) идет в теплообменник внутреннего блока фреон-вода.
3. Хладагент напрямую передает тепло воде, которая уже самостоятельно переносит его к элементам системы отопления или кондиционирования.
4. Хладагент (возвращенный в жидкую форму) идет уже в наружный блок, и цикл повторяется по кругу, пока не достигнет необходимой температуры в помещении.

Тепловой насос воздух вода работает и на охлаждение. При работе на охлаждение весь принцип действия происходит в обратной последовательности – хладагент отбирает тепло из воды, передает в наружный блок, а затем – в воздух.

Принцип работы теплового насоса воздух вода значительно отличается от традиционных отопительных приборов. Поскольку традиционные приборы отопления основаны на сжигании топлива.Тепловой насос работает по-другому. Он использует единицу электрической энергии, и «перекачивает» от 2 до 5 единиц (кВт) тепла (в зависит от температуры наружного воздуха).

Тепловой насос воздух вода для отопления дома подходит идеально. Он обеспечивает максимальную отдачу при минимальном потреблении. Дома установить такое оборудование не сложно, однако лучше чтобы подключением занимался профессионал. Ведь сам тепловой насос воздух вода для отопления достаточно не дешевый, поэтому необходимо правильно его установить.

Тепловой насос типа вода вода менее популярная модель в Европе, чем тепловой насос воздух вода. Объясняется это тем, водный ресурс значительно дороже и не такой доступный, как воздух. 

Принцип работы тепловых насосов: стоит ли их устанавливать дома

Содержание:
Принцип работы тепловых насосов: альтернатива газовому отоплению
Тепловые насосы для отопления дома: устройство системы отопления
Несколько слов об экономичности тепловых насосов

Ни для кого не секрет, что дороговизна и катастрофическая нехватка природных энергетических ресурсов дала толчок развитию так называемой альтернативной энергетики. Сегодня человечество стремится достать энергию отовсюду, откуда только возможно. Как говорится, для достижения цели все средства хороши. Одним из таких альтернативных способов добычи тепловой энергии и является тепловой насос. В этой статье вместе с сайтом stroisovety.org мы узнаем принцип работы тепловых насосов, ознакомимся с устройством отопительной системы и разновидностями этих агрегатов.

Отопление дома тепловым насосом фото

Принцип работы тепловых насосов: альтернатива газовому отоплению

Можно смело утверждать, что с тепловым насосом знакомы все, причем с самого детства. Другое дело, что большинство людей этого даже не подозревает. Речь идет об обыкновенном холодильнике – именно в нем наглядно представлена работа такого устройства, только назначение у него немного иное. Если вы обращали внимание, то кроме холода, сохраняемого в холодильнике, его оборудование также вырабатывает и тепло (кстати, оно отбирается у продуктов, находящихся в холодильнике). Это видно по задней панели, которая, как правило, все время горячая. Именно это тепло направляют тепловые насосы на обогрев дома.

Точно по такому же принципу современные тепловые насосы могут отбирать тепло из почвы, воды и даже воздуха. Наибольшую эффективность в работе показали тепловые насосы, берущие энергию почвы или воды. С воздухом дела обстоят немного хуже, так как его температура в зимний период низкая, и тепла из него можно извлечь не так уж много.

Как работают тепловые насосы для дома

Если разбираться более подробно с принципом работы теплового насоса, то он выглядит следующим образом. Жидкость, имеющая хотя бы небольшую плюсовую температуру, прогоняется через испаритель, в котором она охлаждается примерно на 5˚С. Эти пять градусов попадают в компрессор, который сжимает жидкость, увеличивая тем самым его температуру. После компрессора нагретая жидкость поступает в теплообменник, где она остывает, отдавая тепло контуру отопления или горячего водоснабжения. Остывшая в теплообменнике вода вновь поступает в испаритель, где заново начинается цикл ее нагрева.

Тепловые насосы для отопления дома фото

Тепловые насосы для отопления дома: устройство системы отопления

Все системы отопления, основанные на принципе работы теплового насоса, состоят их трех основных частей – это зонд, посредством которого осуществляется отбор тепла, непосредственно сам тепловой насос и привычная всем жидкостная система отопления. Начнем по порядку.

1. Зонд. По сути это обширная система трубопроводов, представляющая собой огромный змеевик, помещенный в грунт или в воду, или же если речь идет про тепловой насос воздух-воздух, размещенный на продуваемом всеми ветрами придомовом участке. В задачи зонда входит сбор тепловой энергии из определенной среды и ее передача тепловому насосу.
2. Тепловой насос. С принципом его работы мы уже ознакомились. Единственное, о чем здесь можно еще рассказать, так это о его видах. А их несколько.

   Тепловой насос для дома фото

   • Грунт-вода. Призван извлекать тепло из почвы и передавать его посредством жидкости к отопительным приборам.
   • Тепловой насос вода-вода. Извлекает тепло из жидкости и с его же помощью передает отопительным приборам дома.
   • Вода-воздух. Тепло, выделенное из воды, передается в дом посредством системы воздушного отопления.
   • Тепловой насос воздух-воздух. Работает в паре с системой воздушного отопления и извлекает тепло из воздуха.
3. Система отопления. Важным ее элементом является теплообменник – именно от его способности передавать тепло из одной среды в другую во многом зависит эффективность использования ресурсов теплового насоса.

Принцип работы тепловых насосов

Несколько слов об экономичности тепловых насосов

Не нужно считать, что отопление дома тепловым насосом оправдано на все 100%. Это не панацея и уж тем более не нескончаемый бесплатный источник энергии. Для работы теплового насоса требуется электрическая энергия, которой понадобится не так уж и мало. Чтобы добыть 10кВт тепла, тепловому насосу понадобится израсходовать порядка 2,5–3кВт электрической энергии.

Сравнивать киловатты тепла и киловатты электричества, как это делает большинство реализаторов этой продукции, не совсем правильно. Здесь нужно исходить из экономической составляющей. Сколько понадобится денег, чтобы обогреть дом, например, в течение суток – не намного меньше, чем на эту работу затратит обыкновенный электрический котел. Кроме того, всю мнимую экономию энергоресурсов сводит на нет высокая стоимость установки подобной системы отопления – срок ее окупаемости исчисляется несколькими десятками лет, особенно если учесть все нюансы ее работы.

Преимущества и недостатки тепловых насосов

Дело в том, что с понижением температуры окружающей среды эффективность установки резко падает, и уже при температуре воздуха в -5˚С агрегаты начинают потреблять чуть ли не вдвое больше электрической энергии от заявленного производителем. А что будет в условиях наших суровых зим? Для эффективной работы такой системы необходим источник тепла изолированный от внешних факторов – прав тот, кто использует в качестве источника энергии подземные водоемы, чья температура намного выше, чем у почвы или воды подо льдом. Вспомните, насколько промерзает почва в ваших широтах? На метр или больше? Для эффективной работы зонд придется закопать в три, а то и четыре раза глубже. Такой подход к делу повлечет за собой увеличение стоимости установки отопления тепловым насосом.

Вот и получается, что тепловой насос – это очередное нововведение технически развитых стран с целью наживы. Нужно понимать, что пока есть газ, нефть и уголь, позволяющие набивать карманы капиталистам, все серьезные альтернативные разработки в области энергетики будут искусственно затормаживаться. Кому нужно то, что нельзя продать и извлечь из этого выгоду? Тепловой насос для дома к этой категории не относится – сам он стоит недешево, и расходы электричества у него немалые.

Отопление частного дома тепловым насосом

Ну и в заключение хотелось бы уделить немного внимания преимуществам, которыми предлагают нам воспользоваться продавцы, приобретя и установив систему отопления тепловым насосом.

1. Экономичность. С ней мы уже разобрались и пришли к обратному результату.
2. Повсеместность использования (в том смысле, что установить такую систему отопления можно в любом уголке земного шара). Можно, но, опять же, это связано с дополнительными затратами на установку и эксплуатацию оборудования, что делает его использование неэффективным с экономической точки зрения.
3. Экологичность. С этим не поспоришь.
4. Универсальность. В летний период предлагается использовать тепловой насос для охлаждения помещений. Вам не кажется, что дороговатый получается кондиционер?
5. Эффективность обогрева. Стоит только обратить внимание на небольшие уточнения, что тепловой насос отлично справляется со своей работой только в хорошо утепленных и изолированных от внешних факторов помещениях, как сразу все становится ясно с его несостоятельностью полноценно обогревать дом в лютые морозы.
6. Безопасность эксплуатации. Возможно это и так, только, на мой взгляд, все, что связано с техникой, не может быть безопасным на сто процентов.

Вот так обстоят дела с альтернативным отоплением – несмотря на уникальный принцип работы тепловых насосов, такое отопление является лишь жалкой попыткой продать человечеству еще одну несостоятельную технологию. На мой взгляд, вокруг этого устройства слишком много излишнего шума – скорее всего это очередная грамотно спланированная рекламная кампания.

Автор Александр Куликов

Принцип действия теплового насоса

Принцип работы теплового насоса

Простейший тепловой насос был спроектирован еще в 1852 году и получил название «умножитель тепла». Лорд Кельвин открыл основополагающие принципы действия, которые легли в основу всего современного отопительного оборудования.

Согласно законам физики, тепло передается от нагретого тела к тому, что имеет меньшую температуру. Но, возможен обратный процесс, при условии использования для этого дополнительной энергии.

Немного позже был открыт принцип обратного цикла Карно. Вещество, при испарении, поглощает тепло, а после конденсации на поверхности, отдает его. Именно этот закон лежит в основе холодильников и кондиционеров. Низкотемпературный воздушный теплонасос работает как эти бытовые приборы, только в «обратную сторону».

Основной принцип теплового насоса заключается в аккумулировании низкотемпературного тепла при испарении и дальнейшей отдачи энергии при последующей конденсации. Этот процесс происходит без изменения температуры, если только рабочее тело не будет сжато механически, что приведет к повышению температуры.

Теплонасос функционирует как холодильник, только наоборот: холодильник переносит тепло изнутри во вне, в то время как тепловой насос переносит тепло из окружающей среды вовнутрь. Природное тепло теплоносителя (в роли которого выступает вода или рассол) передается к испарителю. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом (рабочее вещество: фреон, аммиак, метан, пропан и др.), который, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и высокой температуры. Далее горячий газ поступает в конденсатор, где происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый конденсатор передает тепло в систему отопления.

Первичный контур теплового насоса состоит из элементов, участвующих в получении тепла из внешнего источника – например теплообменника, циркуляционного насоса рассола или воздушного вентилятора, а у водо-водяного теплового насоса еще и промежуточного теплообменника. Вторичный контур включает в себя компоненты, необходимые для преобразования энергии и передачи ее потребителю.

Низкотемпературные воздушные тепловые насосы для отопления дома работают, используя тот же физический принцип, но с большей эффективностью. Как отопление осуществляется на практике?

• Любое, даже охлажденное тело, имеет потенциальную тепловую энергию. Даже при отрицательной температуре в воздухе содержится определенное количество тепла. При -15°С больше, чем при -25°С. При -5°С еще больше тепла находится в воздухе. Принцип работы воздушного теплового насоса позволяет извлечь то небольшое количество тепловой энергии, которое есть и в зимнее время года в воздухе, и передать его в помещение.
• В наружном блоке, установленном на улице, расположен змеевик с испарителем. Внутри контура циркулирует фреон – жидкость, которая свободно переходит в газообразное состояние и обратно. Фреон испаряют, при этом поглощается то тепло, которое есть в наружном воздухе даже при отрицательных температурах.
• Испарившийся газ поступает в компрессор, где создается высокое давление и где фреона нагревается.  Под давлением фреон разогревается и поступает в конденсатор, где он преобразуется в жидкость. При этом выделяется тепло, которое фреон получил при испарении во внешнем блоке от наружного воздуха.
• Фреон, по замкнутому контуру, обратно возвращается в испаритель, и цикл повторяется.

 

Режимы работы тепловых насосов

В зависимости от характера отопления и необходимости различных температур для отопления, существует выбор типа теплового насоса или его комбинации с другим теплогенератором. По режиму работы выделяют моновалентное, бивалентное и моноэнергетическое использование тепловых насосов:

• В моновалентном режиме эксплуатации тепловой насос является единственным источником тепла для помещения, включая отопление и горячее водоснабжение. Требуемая максимальная температура подачи в отопительную систему в данном случае должна быть немного ниже максимально возможной температуры подачи теплового насоса.
• В бивалентном режиме возможна эксплуатация со вторым теплогенератором как в полном параллельном режиме, так и частичном. В этом случае тепловой насос выступает как основной теплогенератор, а более высокую температуру системы отопления обеспечивает дополнительный пиковый котел.
• В моноэнергетическом режиме вторым теплогенератором выступает установка той же породы — электрическая, т.е. используется электронагревательный котел (или электронагревательная вставка).

Тепловые насосы имеют следующие преимущества по сравнению с традиционными видами отопления:

• Высокая эффективность. КПД теплового насоса составлет 300-700%, т.е. он поглощает в 3-7 раз меньше электрической энергии, чем выделяет тепла. Например, КПД насоса, представленного на рисунке, составляет 400%.
• Реверсивность. Тепловой насос может быть использован как кондиционер в летний сезон
• Экологичность. Cбережение невозобновляемых энергоресурсов и защита окружающей среды, в том числе и путем сокращения выбросов СО2 в атмосферу
• Надежность. минимум подвижных частей с высоким ресурсом работы, независимость от поставки топочного материала и его качества, защита от перебоев электроэнергии
• Долговечность. Cрок службы теплового насоса составляет 15-25 лет
• Безопасность. Не имеет открытого пламени, выхлопов,пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута или солярки; исключена утечка газа или разлив мазута

 

Эта статья прочитана 7267 раз(а)!

Продолжить чтение

Принцип работы теплового насоса — ТОВ «НОВІ ЕНЕРГО СИСТЕМИ»

 Газообразный хладагент (6 °С) поступает в компрессор для сжатия.

 Компрессор используя электрическую энергию сжимает газообразный хладагент, при этом его давление и как следствие температура хладагента увеличиваются согласно универсального газового закона Менделеева—Клапейрона.

 Нагретый хладагент (85 °С)  под высоким давлением поступает в конденсатор. В конденсаторе происходит передача тепла от нагретого хладгента теплоносителю (воздуху или воде, в зависимости от типа конденсатора). В результате халадагент охлаждается и происходит процесс конденсации (переход из газообразного состояния в жидкое).

 После конденсатора установлен расширительный вентиль. Функция расширительного вентиля —  понизить давление хладагента. Вследствие понижения давления температура также падает.

 Пройдя через расширительный вентиль хладагент поступает в теплообменник, который расположен на улице (испаритель). В испарителе хладагент испаряется (переходит из жидкости в газ) либо проще сказать закипает.  При этом температура кипения хладагента ниже температуры наружного воздуха (нормальная температура кипения фреона R22 при атмосферном давлении -40 °С). В процессе кипения фреон отбирает тепло наружного воздуха. Далее цикл происходит снова.

Проще говоря,  компрессор работает не для выработки тепла, а для ее перемещения из улицы в помещение. Поэтому, затрачивая всего 1 кВт электрической мощности для вращения вала компрессора, мы получаем 3,5 — 5,0 кВт тепла на конденсаторе.

Конструкция воздушного теплового насоса

Тепловой насос — это холодильная машина, основными узлами которой являются:

 Компрессор (находится в наружном блоке)

 Конденсатор (внутренний теплообменник)

 Расширительный вентиль

 Испаритель (наружный теплообменник)

Режим охлаждения

Тепловой насос Zubadan способен работать как в режиме нагрева так и в режиме охлаждения. Для работы в режиме охлаждения используются фанкойлы, холодные стены и потолки, а также можно использовать теплый пол.

Откуда тепло в холодном воздухе?

• Для того чтобы ответить на данный вопрос нужно вспомнить формулу из школьной физики:
• Q = c x m x (T1 — T0)
• Q – ко­ли­че­ство теп­ло­ты, из­ме­ря­ет­ся в Джо­у­лях [Дж];
• c – удель­ная теп­ло­ём­кость ве­ще­ства, из­ме­ря­ет­ся в [Дж/кг*°С]. 
• m – масса вещества, измеряется в килограммах [кг];
• T0 – начальная температура, измеряется в градусах цельсия [°С];
• T1 – конечная температура, измеряется в градусах цельсия [°С];
• Пример. Сколько тепла можно отобрать у 1 м3 воздуха при начальной температуре -20 °С, если испаритель теплового насоса способен отобрать Δ10°С?
• Удельная теплоемкость воздуха равна 1003 Дж/кг*°С
• Плотность воздуха равна 1,225 кг/м3
• Q = 1003 x 1,225 x (-20 — (-30)) = 12286,75 [Дж] 
• Ответ: 1 м3 воздуха содержит количество теплоты равное: Q=12286,75 [Дж] = 3,4 Вт*час

Вентиляторы наружного блока Zubadan PUHZ-SHW230YKA имеют максимальную производительность 8400 м3/час, что позволяет извлекать до 28,56 кВт*час тепловой энергии.

Тепловой насос в системе отопления/охлаждения

1. Наружный блок — тепловой насос
2. Внутренний блок — гидромодуль
3. Бак ГВС (горячего водоснабжения)
4. Буферный бак системы отопления/охлаждения
5. Трехходовой клапан (функция ГВС)
6. Беспроводной пульт управления 

Для отопления предпочтительнее использовать низкотемпературную систему «теплый пол», это позволяет добиться максимальной энергоэффективности.

Тепловой насос также можно внедрить в существующую систему отопления. Для этого необходимо будет подключить старый котел и систему отопления к буферной емкости №4

Для работы в режиме охлаждения используются фанкойлы, теплый пол, холодные стены или потолки.

Сколько электроэнергии будет потреблять тепловой насос?

Сертификаты энергоэффективности тепловых насосов Zubadan c указанием сезонного энергопотребления.

Как добиться максимальной экономии?

Потребление будет зависеть от четырех факторов:

1. Параметры здания, геометрия, направление по сторонам света.
2. Уровень энергоэффективности. Проще говоря — качество утепления здания, чем лучше будет утеплен Ваш дом, тем меньше тепла потребуется для его обогрева. Значительно дешевле утеплить дом и поменять окна, чем покупать более мощный тепловой насос.
3. Климатическая зона. Естественно что потребление в г.Киев будет немного больше чем в г.Одесса, так как климат южного региона более мягкий.
4. Приборы отопления. Тепловой насос имеет самые высокие показатели энергоэффективности при работе с низкотемпературными отопительными приборами (теплый пол, фанкойлы, теплообменники вентиляции). При работе на старые чугунные радиаторы потребление теплового насоса будет выше, так как тепловой насос должен будет греть воду до 50-60 °С, в отличие от 30-35°С в случае с теплым полом или фанкойлами. Какие приборы отопления лучше для теплового насоса?

Для достижения самых лучших результатов мы рекомендуем чтобы процент низкотемпературных приборов был равен не меньше 75%  и  более.

Тепловые насосы. Тепловые насосы для отопления. Принцип теплового насоса

Запасы полезных ископаемых неуклонно истощаются, и все чаще ученые ищут альтернативные источники энергии, которые были бы, вдобавок, еще и экологически чистые.

Все чаще используются солнечные батареи, но тепло можно получить не только от солнца, но из всего, что нас окружает и имеет плюсовую температуру: из грунта, воздуха либо воды. Для этого используют тепловые насосы. Тепло, которое вырабатывается с их помощью, уже широко используется для отопления и горячего водоснабжения домов и промышленных зданий.

С древних времен люди использовали тепло земли для согрева жилья. Но для этого они банально копали землянки, делали бревенчатый накат, засыпанный землей, что позволяло экономить дрова и сохранять тепло в помещении. Тепловые насосы тоже используют тепло окружающей среды, правда, работая по другому принципу.

Установив тепловой насос, отпадает необходимость не только отопительного котла, но и кондиционера. А что еще более важно, позволяет не беспокоиться о регулярном повышении цен на топливо и электроэнергию. Источник тепла постоянно будет у вас под ногами, поскольку температура грунта на глубине не поднимается выше 10 градусов тепла.

Конденсатор, компрессор и испаритель – вот составные части этого агрегата. Тепловой насос действует по принципу холодильника, только наоборот. Нагретый теплом окружающей среды теплоноситель по трубам поступает в насос. В испарителе теплоноситель передает тепло фреону (хладогену), который испаряется. Компрессор сжимает пары, что приводит к значительному повышению температуры. Затем хладоген в конденсаторе, охлаждаясь, передает тепло в систему горячего водоснабжения и отопления дома, после чего возвращается в испаритель. И так по непрерывному циклу. По сути, нет необходимости в постоянной дополнительной заправке топливом, как в двигателе внутреннего сгорания.

Несмотря на то, что для работы компрессора теплового насоса необходима электроэнергия, ее расход в 3-4 раза меньше, чем при использовании электрического котла.

Теплоносителем могут быть различные вещества. Но если рядом есть речка или озеро, это сразу снимает проблему. В таком случае вода по трубам через тепловой насос охлаждается и возвращается в озеро или реку, не загрязняя окружающую среду. При отсутствии водоема, источником тепла может быть грунт — небольшой участок земли, в котором прокладывают трубы с водой, в которую добавлен антифриз, предотвращающий ее замерзание. При горизонтальной укладке труб для дома площадью до 200 кв.м. достаточно участка площадью примерно 320 кв.м. Но, если размеры участка не позволяют занять столько места под монтаж системы, производится монтаж труб в вертикальную скважину.

В случае установки теплового насоса в доме, используется тепло воздуха, что делает систему более эффективной. Летом тепловой насос можно использовать вместо кондиционера для охлаждения комнат. Кроме того, эффективность работы теплового насоса зависит от хорошего утепления стен здания, установки пластиковых окон, чтобы напрасно не отапливать улицу. Но в том случае, если здание находится в холодных широтах, на время особо сильных морозов, желательно иметь дополнительное электрическое отопление, либо использовать систему в сочетании с солнечными коллекторами.

Несмотря на то, что это оборудование дороже, чем обычные газовые или электрические котлы, оно быстро окупается благодаря экономии на оплате за газ и электроэнергию, но что более важно — этот метод является не только экологически чистым, но и позволяет освободиться от зависимости перед поставщиками газа.

Как работают тепловые насосы | HowStuffWorks

Если вы регулярно пользуетесь тепловым насосом, вам следует менять фильтр примерно раз в месяц. Вам, вероятно, удастся заменить фильтр только один раз в три месяца, если вы будете запускать устройство только периодически. Следите, чтобы вентиляторы и змеевики были чистыми и свободными от мусора, а ваш тепловой насос должен проверять профессионал раз в год или два.

Общие проблемы с тепловыми насосами включают слабый воздушный поток, негерметичные или шумные воздуховоды, проблемы с температурой, использование неправильной заправки хладагента, дребезжание, скрип и скрежет.Если можете, попытайтесь определить место возникновения проблемы. Слабый воздушный поток выходит из одного регистра или все регистры имеют низкий воздушный поток? Неприятный шум исходит из воздуховодов или внутри самого теплового насоса?

Есть несколько вещей, которые вы можете сделать, чтобы определить и, возможно, решить проблему теплового насоса, прежде чем обращаться за профессиональной помощью. Во-первых, если устройство не работает, попробуйте перезагрузить его двигатель. Проверьте систему зажигания насоса на наличие проблем и убедитесь, что у вас нет сработавшего прерывателя цепи или перегоревшего предохранителя.Проверьте термостат, чтобы убедиться, что он работает правильно. Замените фильтр, если он грязный, и убедитесь, что нет препятствий для воздушного потока. Если воздуховоды издают шум при расширении и сжатии, вы можете попробовать сделать вмятину сбоку воздуховода, чтобы сделать поверхность более жесткой. Погремушки можно устранить, закрепив незакрепленные детали, и если вы слышите скрип внутри устройства, вам может потребоваться заменить или отрегулировать ремень вентилятора, соединяющий двигатель и вентилятор. Скрежетание может указывать на износ подшипников двигателя, для устранения которого потребуется помощь профессионала.

Имейте в виду, что если у вас нет склонности к механике, вам, вероятно, не стоит пытаться выполнять такого рода ремонтные работы. А поскольку тепловые насосы могут содержать опасные материалы, это еще одна веская причина для получения профессиональной помощи. Утечка химического вещества — плохая новость, и вы можете легко пораниться, взяв сломанное устройство.

Тепловой насос должен прослужить от 10 до 30 лет, а геотермальные установки — лидеры по долговечности. Фактически, некоторые компоненты геотермальных тепловых насосов могут служить даже дольше.Имейте в виду, что технология может измениться до того, как ваш тепловой насос выйдет из строя, поэтому вы можете обнаружить, что срок службы вашего теплового насоса превышает возможности технического специалиста по его обслуживанию. Новые технологии могут сделать тепловые насосы более безопасными или более эффективными, поэтому вы можете следить за новыми видами тепловых насосов.

Чтобы узнать больше о тепловых насосах, воспользуйтесь ссылками на следующей странице для получения дополнительной информации.

Первоначально опубликовано: 13 мая 2009 г.

Как работают тепловые насосы | HowStuffWorks

Если вы регулярно пользуетесь тепловым насосом, вам следует менять фильтр примерно раз в месяц.Вам, вероятно, удастся заменить фильтр только один раз в три месяца, если вы будете запускать устройство только периодически. Следите, чтобы вентиляторы и змеевики были чистыми и свободными от мусора, а ваш тепловой насос должен проверять профессионал раз в год или два.

Общие проблемы с тепловыми насосами включают слабый воздушный поток, негерметичные или шумные воздуховоды, проблемы с температурой, использование неправильной заправки хладагента, дребезжание, скрип и скрежет. Если можете, попытайтесь определить место возникновения проблемы. Слабый воздушный поток выходит из одного регистра или все регистры имеют низкий воздушный поток? Неприятный шум исходит из воздуховодов или внутри самого теплового насоса?

Есть несколько вещей, которые вы можете сделать, чтобы определить и, возможно, решить проблему теплового насоса, прежде чем обращаться за профессиональной помощью.Во-первых, если устройство не работает, попробуйте перезагрузить его двигатель. Проверьте систему зажигания насоса на наличие проблем и убедитесь, что у вас нет сработавшего прерывателя цепи или перегоревшего предохранителя. Проверьте термостат, чтобы убедиться, что он работает правильно. Замените фильтр, если он грязный, и убедитесь, что нет препятствий для воздушного потока. Если воздуховоды издают шум при расширении и сжатии, вы можете попробовать сделать вмятину сбоку воздуховода, чтобы сделать поверхность более жесткой. Погремушки можно устранить, закрепив незакрепленные детали, и если вы слышите скрип внутри устройства, вам может потребоваться заменить или отрегулировать ремень вентилятора, соединяющий двигатель и вентилятор.Скрежетание может указывать на износ подшипников двигателя, для устранения которого потребуется помощь профессионала.

Имейте в виду, что если у вас нет склонности к механике, вам, вероятно, не стоит пытаться выполнять такого рода ремонтные работы. А поскольку тепловые насосы могут содержать опасные материалы, это еще одна веская причина для получения профессиональной помощи. Утечка химического вещества — плохая новость, и вы можете легко пораниться, взяв сломанное устройство.

Тепловой насос должен прослужить от 10 до 30 лет, а геотермальные установки — лидеры по долговечности.Фактически, некоторые компоненты геотермальных тепловых насосов могут служить даже дольше. Имейте в виду, что технология может измениться до того, как ваш тепловой насос выйдет из строя, поэтому вы можете обнаружить, что срок службы вашего теплового насоса превышает возможности технического специалиста по его обслуживанию. Новые технологии могут сделать тепловые насосы более безопасными или более эффективными, поэтому вы можете следить за новыми видами тепловых насосов.

Чтобы узнать больше о тепловых насосах, воспользуйтесь ссылками на следующей странице для получения дополнительной информации.

Первоначально опубликовано: 13 мая 2009 г.

Тепловой насос — образование в области энергетики

Рис. 1. Наружные компоненты теплового насоса для жилого дома. ^[1]

A Тепловой насос — это устройство, которое забирает энергию из воздуха с целью обогрева или охлаждения помещения. Этот процесс известен как кондиционирование пространства. ^[2] Тепловые насосы работают как тепловая машина в обратном направлении, поскольку они работают от источника электричества, перемещая тепло из холодного места в теплое. Это, казалось бы, нарушило бы Второй закон термодинамики, но основная причина, по которой это не так, заключается в том, что эта теплопередача не является спонтанной ; для этого требуется вложенная энергия.Для отопления дома тепловой насос извлекает тепло из наружного воздуха, еще больше нагревает теплый воздух и передает его в помещение. При домашнем охлаждении тепловой насос меняет этот процесс, и тепло извлекается из воздуха в помещении и выводится наружу, как в холодильнике или кондиционере, тем самым охлаждая внутренний воздух. ^[2]

Эксплуатация

Цикл нагрева

Цикл нагрева теплового насоса работает, забирая тепло из воздуха снаружи, нагревая его дальше и используя этот теплый воздух для нагрева воздуха в помещении.Это делается следующим образом: ^[2]

1. Жидкий хладагент поглощает тепло в «испарителе» наружного воздуха, превращаясь в газ.
2. Хладагент проходит через «компрессор», который повышает давление газа, повышая его температуру.
3. Горячий газ проходит через «змеевики конденсатора» внутри обогреваемого помещения, и, поскольку он имеет более высокую температуру, чем это пространство, он передает тепло в комнату и снова конденсируется в жидкость.
4. Жидкость, наконец, течет обратно через клапан, который снижает ее давление, чтобы охладить ее и повторить цикл.

Это можно увидеть на картинке ниже.

Рисунок 2: Процесс и части, участвующие в цикле нагрева. ^[3]

Цикл охлаждения

Цикл охлаждения теплового насоса используется для охлаждения помещения путем отвода тепла от него и отвода его в другое место, обычно на улицу для кондиционирования воздуха или в комнату для холодильника.Для этого «испаритель» и «змеевики конденсатора» меняются ролями, и поток хладагента меняется на противоположный: ^[2]

1. Холодный хладагент поглощает тепло из более горячего помещения в испарителе, поэтому помещение охлаждается.
2. Затем пропускают через компрессор для повышения его температуры.
3. Он проходит через змеевики конденсатора и передает это тепло наружному воздуху.
4. Затем он расширяется, чтобы снизить давление, и охлаждается до температуры ниже комнатной, чтобы повторить цикл.

Этот процесс можно визуализировать на рисунке 3.

Рисунок 3: Цикл охлаждения теплового насоса. ^[3]

Коэффициент полезного действия

основная статья

Производительность теплового насоса выражается отношением тепловой мощности к работе, которую необходимо вложить. По сути, эта величина показывает, сколько охлаждения или обогрева делается на доллар (электричество в конце концов не бесплатное). Этот коэффициент известен как коэффициент полезного действия (K), представленный уравнением: ^[2]

[math] K = \ frac {heat} {электричество} [/ math]

Итак, для отопления этот коэффициент равен:

[математика] K = \ frac {Q_H} {W_ {in}} [/ математика]

, а для охлаждения это:

[math] K = \ frac {Q_C} {W_ {in}} [/ math]

где:

• [math] Q_H [/ math] — количество тепла, подводимого к комнате для ее обогрева.
• [math] Q_C [/ math] — это тепло, излучаемое из комнаты для охлаждения.
• [math] W_ {in} [/ math] — это затраченная работа в виде электричества.

Чем выше значение этого коэффициента, тем лучше тепловой насос передает тепло, потому что для выработки определенного количества тепла требуется меньше работы. передача.Однако есть предел, установленный законами энтропии и вторым началом термодинамики.

Кондиционер

основная статья

Кондиционер (A / C) — это система, которая работает на тех же основных принципах, что и тепловые насосы, хотя для них требуются некоторые другие компоненты. ^[4] Кондиционеры не так универсальны, как тепловые насосы, потому что они выполняют только функцию охлаждения. Однако во многих случаях они имеют более практическое применение, поскольку некоторые места на Земле не требуют обогрева.Они работают, по сути, выполняя тот же цикл охлаждения, что и тепловые насосы.

Список литературы

1. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Heat_Pump.jpg
2. ↑ ^{2,0 ​​ 2,1 2,2 2,3 2,4} Р. А. Хинрихс и М. Кляйнбах, «Энергосбережение в домашних условиях и контроль теплопередачи», в Энергия: ее использование и окружающая среда , 4-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Томсон Брукс / Коул, 2006, гл.5, sec.G, стр.149-153
3. ↑ ^{3,0 3,1} Адаптировано из Энергия: ее использование и окружающая среда Р. Хинрихса и М. Кляйнбаха.
4. ↑ Consumer Energy Center, Системы центрального отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC) [Online], доступно: http://www.consumerenergycenter.org/residential/heating_cooling/heating_cooling.html

% PDF-1.4 % 1 0 объект > поток 2017-03-30T12: 12: 16-04: 00 Microsoft® Word 20132021-10-13T04: 24: 31-07: 002021-10-13T04: 24: 31-07: 00iText 4.2.0 от 1T3XTapplication / pdfuuid: 419b7af1-3fb7-4f66-ACDA-1ccd35b0a9a9uuid: eed002a1-6d3c-480D-bf80-8fecbc32c6bfuuid: 419b7af1-3fb7-4f66-ACDA-1ccd35b0a9a9

savedxmp.iid: 9DEF4651D521E7119022FDA961B9CACC2017-04-15T17: 46: 13+ 05:30 Adobe Bridge CS6 (Windows) / метаданные

Лу Лю

конечный поток эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > поток xXM6ϯ #

Тепловые насосы: Принципы работы теплового насоса

Тепловой насос — это холодильное устройство, используемое для передачи тепла из одного помещения в другое.Тепловой насос предназначен для приема тепла от источника со средней температурой, например наружного воздуха, и преобразования его в тепло с более высокой температурой для распределения внутри конструкции. С помощью специально разработанного реверсивного клапана тепловой насос может также отбирать тепло из воздуха в помещении и выводить его наружу.

Поскольку в системе с тепловым насосом используется принцип работы с обратным циклом, ее принцип работы иногда называют reverse- cycl e кондиционирование или охлаждение с обратным циклом. Последний термин неверен, потому что существуют фундаментальные различия между принципами работы теплового насоса и настоящей холодильной установки. Путаница, вероятно, связана с тем фактом, что во время цикла охлаждения работа теплового насоса идентична работе цикла механического охлаждения в компактной установке кондиционирования воздуха. Внутренний змеевик работает как испаритель, охлаждая воздух в помещении. Наружный змеевик представляет собой конденсатор, в котором горячий газообразный хладагент отдает тепло внешнему воздуху.

Принцип работы теплового насоса

Двумя основными фазами работы теплового насоса являются циклы нагрева и охлаждения. Третья фаза, цикл размораживания, используется для защиты змеевиков от чрезмерного образования инея.

Цикл нагрева

Цикл нагрева теплового насоса начинается с циркуляции хладагента через наружные змеевики (см. Рисунок 10-1). Первоначально хладагент находится в жидком состоянии при низком давлении и низкой температуре, но вскоре он поглощает достаточно тепла из наружного воздуха, чтобы повысить его температуру до точки кипения.По достижении точки кипения хладагент превращается в горячий пар или газ. Затем этот газ сжимается компрессором и циркулирует под более высоким давлением и температурой через внутренние змеевики, где он вступает в контакт с более холодным комнатным воздухом, который циркулирует вокруг змеевиков. Более холодный воздух заставляет газ охлаждаться, конденсироваться и возвращаться в жидкое состояние. Конденсация паров хладагента отдает тепло внутрь конструкции. После того, как хладагент вернулся в жидкое состояние, он проходит через специальное устройство понижения давления (

расширительный клапан), а затем обратно через наружные змеевики, где цикл нагрева начинается снова.Температура воздуха в помещении, который первоначально охлаждала пар хладагента с более высокой температурой, сама повышается в процессе передачи тепла и рециркулируется по комнате для обеспечения необходимого тепла.

Примечание

Тепловой насос предназначен для реверсирования действия или направления теплопередачи в зависимости от того, требуется ли нагрев или охлаждение. В результате внутренние и внешние змеевики меняют свои функции в зависимости от цикла нагрева или охлаждения. Наружный змеевик становится конденсатором в цикле охлаждения и испарителем в цикле нагрева.С другой стороны, внутренний змеевик становится испарителем в цикле охлаждения и змеевиком конденсатора в цикле нагрева.

Цикл охлаждения

В цикле охлаждения реверсивный клапан вызывает реверсирование потока хладагента. В результате компрессор перекачивает хладагент в противоположном направлении, так что змеевики, которые нагревают здание или пространство в холодную погоду, охлаждают его в теплую погоду. Другими словами, тепло извлекается изнутри, циркулирует через тепловой насос, а затем выводится за пределы здания или помещения во время конденсации хладагента (то есть его перехода из газообразного состояния в жидкое) (см. Рисунок 10 -2).

Радиатор

Тепло, выделяемое в процессе конденсации, принимается радиатором . Это верно как для цикла нагрева, так и для цикла охлаждения. В первом случае воздух комнат или помещений выполняет функцию радиатора. В цикле охлаждения наружный воздух, источник воды (например, колодец, пруд или канализационная труба) или земля обычно служат радиаторами вне конструкции.

Цикл оттаивания

Поскольку наружный воздух относительно холодный, когда тепловой насос работает в цикле нагрева, а наружный змеевик действует как испаритель, при определенных условиях температуры и относительной влажности на поверхности змеевика образуется иней.Поскольку этот слой инея на змеевиках мешает эффективной работе теплового насоса, его необходимо удалить. Это достигается за счет включения теплового насоса в цикл размораживания.

В цикле оттаивания действие теплового насоса реверсируется через определенные промежутки времени и возвращается к циклу охлаждения. Это делается на

временно нагревает наружный змеевик и растапливает иней. Повышение температуры наружного змеевика ускоряется, поскольку работа наружного вентилятора останавливается, когда система переключается на цикл охлаждения.

Система будет продолжать цикл охлаждения до тех пор, пока температура змеевика не поднимется до 57 ° F. Время цикла размораживания будет варьироваться в зависимости от того, сколько инея скопилось на змеевике. В течение этого периода внутренний двигатель продолжает работать и дуть прохладным воздухом. Это состояние холода можно устранить, установив электрический нагревательный элемент (см. Вспомогательные электрические нагревательные элементы в этой главе). Нагревательный элемент соединен со второй ступенью двухступенчатого термостата и включается автоматически, когда тепловой насос находится в цикле оттаивания (клеммы 9 и 7 на реле оттаивания на рис. 10-3).

Система управления циклом оттаивания состоит из термостата, таймера и реле. Термостат оттаивания расположен в нижней части змеевика на открытом воздухе, где он может реагировать на изменения температуры в змеевике. Он замыкается (замыкается), когда температура наружного змеевика падает до 32 ° F. Это действие термостата приводит к запуску двигателя таймера (расположенного в электрической коробке агрегата). После того, как совокупные периоды работы достигают 30 минут или 90 минут (в зависимости от типа кулачка, установленного в таймере), таймер включает реле оттаивания, которое меняет реверсивный клапан и останавливает выход — doo r мотор вентилятора.Блок остается в цикле оттаивания (цикл охлаждения) до тех пор, пока температура наружного змеевика не достигнет 57 ° F. При этой температуре в змеевике не должно быть инея, и термостат защиты от замерзания открывается на

.

остановите таймер и верните агрегат в цикл нагрева. Таймер не будет работать снова, пока температура наружного змеевика не упадет до 32 ° F. Таймер запускает только , когда контакты термостата замкнуты.

Таймер размораживания поставляется с установленным 30-минутным кулачком (см. Рисунок 10-4).С помощью этого кулачка блок будет размораживаться каждые 30 минут (суммарное время работы), когда температура наружного змеевика ниже 32 ° F. Если на змеевике мало или совсем нет инея, цикл размораживания будет соответственно коротким (примерно от 45 секунд до 1 минуты). Рекомендуется 90-минутная камера.

Входящие поисковые запросы:

Тепловые насосы и передача энергии — Science Learning Hub

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

Что такое тепловая энергия?

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

Конструкция теплового насоса

Можно обойти естественную потребность в потоке энергии от горячей к холодной.

Если применяется другой вид энергии в виде работы (будь то электрическая или механическая), 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 из (охлаждение) замкнутого пространства, например дома.

Основные компоненты теплового насоса:

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

В настоящее время в большинстве тепловых насосов используется рабочая жидкость (хладагент) — 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 испарения 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 испарения. Тепловая энергия из внешней атмосферы используется для кипячения рабочего тела (наружного змеевика испарителя). Затем производимый пар конденсируется (внутри змеевика конденсатора), выделяя тепловую энергию в воздух внутри дома.

Термодинамика теплового насоса

Термодинамика — это отрасль науки, изучающая тепло и его связь с энергией и работой. Впервые он появился в 19 веке, когда ученые и инженеры открывали, как проектировать и эксплуатировать паровые двигатели.

Применение термодинамических принципов к работе теплового насоса показывает, что для перемещения тепловой энергии из холодной среды за пределами дома в теплую среду внутри дома требуются затраты труда.

На этой диаграмме потока энергии теплового насоса:

• Q _c представляет тепловую энергию, взятую из наружного воздуха
• Q _h представляет тепловую энергию, передаваемую внутрь дома
• Вт представляет собой необходимую работу для достижения этого
• T _c — температура рабочей жидкости теплового насоса (жидкости)
• T _h — температура рабочей жидкости 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 проделанная работа. в системе.

Используя символы из диаграммы, это сокращается до:
Q _h = Q _c + W

Например, при работе коммерческого теплового насоса тепловая энергия, передаваемая внутрь здания ( Q _h ) оказалось равным 80 кДж, тогда как тепловая энергия, извлеченная из холодного наружного воздуха, составила 60 кДж.Было установлено, что для этого от компрессора требуется электрическая работа (Вт), равная 20 кДж.

Эти цифры соответствуют первому закону термодинамики:
Q _h = Q _c + W
80 кДж = 60 кДж + 20 кДж

Это показывает, что 60 кДж «свободной» энергии от холодный наружный воздух подается во внутренний воздух на каждые 20 кДж работы теплового насоса.

Приложения термодинамики: тепловые насосы и холодильники

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите использование тепловых двигателей в тепловых насосах и холодильниках.
• Продемонстрируйте, как тепловой насос работает для обогрева внутреннего пространства.
• Объясните различия между тепловыми насосами и холодильниками.
• Рассчитайте коэффициент полезного действия теплового насоса.

Рис. 1. Практически в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не осознают, что они тоже делят свои дома с тепловым насосом. (кредит: Id1337x, Wikimedia Commons)

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холода к горячему.Это тепловые двигатели, работающие задом наперед. Мы говорим «в обратном направлении», а не в обратном направлении, потому что, за исключением двигателей Карно, все тепловые двигатели, хотя они и могут работать в обратном направлении, не могут быть полностью реверсированы. Передача тепла происходит из холодного резервуара Q _c и в горячий. Для этого требуется рабочая мощность Вт , которая также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплопередача к горячему резервуару составляет Q _h = Q _c + W . (Обратите внимание, что Q _h , Q _c и W положительные, их направления указаны на схемах, а не знаком.) Тепловой насос предназначен для передачи тепла Q _h в теплую среду, например, в доме зимой. Задача кондиционеров и холодильников заключается в том, чтобы передача тепла Q _c происходила из прохладной окружающей среды, такой как охлаждение комнаты или хранение продуктов при более низких температурах, чем окружающая среда. (На самом деле тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и нагревательный агрегат одновременно. В этом разделе мы сконцентрируемся на его режиме обогрева.)

Рис. 2. Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые машины, работающие в обратном направлении. Показанный здесь основан на реверсивном двигателе Карно. (а) Принципиальная схема, показывающая передачу тепла из холодного резервуара в теплый резервуар с помощью теплового насоса. Направления W , Q _h и Q _c противоположны тем, которые были бы в тепловом двигателе. (b) диаграмма для цикла Карно, аналогичная показанной на рисунке 3, но в обратном порядке по пути ADCBA.Площадь внутри цикла отрицательная, что означает, что имеется сетевой ввод. Имеется передача тепла Q _c в систему из холодного резервуара по пути DC и передача тепла Q _h из системы в горячий резервуар по пути BA.

Тепловые насосы

Большим преимуществом использования теплового насоса для поддержания тепла в доме, а не просто сжигания топлива, является то, что тепловой насос подает Q _h = Q _c + W .Теплоотдача происходит от наружного воздуха даже при температуре ниже точки замерзания во внутреннее пространство. Вы платите только за W и получаете дополнительную теплоотдачу Q _c извне бесплатно; во многих случаях в отапливаемое пространство передается как минимум вдвое больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все. Недостатком является то, что затраты на работу (требуемые вторым законом термодинамики) иногда дороже, чем просто сжигание топлива, особенно если работа выполняется за счет электроэнергии.

Основные компоненты теплового насоса в режиме нагрева показаны на рисунке 3. Используется рабочая жидкость, например хладагент, не содержащий CFC. В наружных змеевиках (испарителе) теплопередача Q _c происходит к рабочему телу из холодного наружного воздуха, превращая его в газ.

Рис. 3. Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) конденсатор, (2) расширительный клапан, (3) испаритель и (4) компрессор. В режиме обогрева теплопередача Q _c происходит к рабочему телу в испарителе (3) из более холодного наружного воздуха, превращая его в газ.Компрессор с электрическим приводом (4) увеличивает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (1) внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура в комнате, передача тепла от газа к комнате происходит, когда газ конденсируется в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, поскольку она течет обратно через расширительный клапан (2) к змеевикам испарителя наружного блока.

Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность W ) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, которые находятся внутри отапливаемого пространства.Поскольку температура газа выше, чем температура внутри комнаты, происходит передача тепла в комнату, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость течет обратно через редукционный клапан к змеевикам испарителя наружного блока, охлаждаясь за счет расширения. (В цикле охлаждения змеевики испарителя и конденсатора меняются ролями, и направление потока жидкости меняется на противоположное.)

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько тепла Q _h происходит в теплое пространство, по сравнению с тем, сколько работы требуется W .Исходя из соотношения между тем, что вы получаете, и тем, что вы тратите, мы определяем коэффициент полезного действия теплового насоса ( COP _л.с. ) как [латексный] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ latex].

Поскольку эффективность теплового двигателя составляет [латекс] Eff = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex], мы видим, что [латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex], важный и интересный факт. Во-первых, поскольку КПД любого теплового двигателя меньше 1, это означает, что COP _л.с. всегда больше 1, то есть тепловой насос всегда имеет большую теплопередачу Это.Во-вторых, это означает, что тепловые насосы лучше всего работают при небольших перепадах температур. Эффективность идеального двигателя Карно составляет [латексный] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ left (\ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \ справа) \\ [/ латекс]; таким образом, чем меньше разница температур, тем меньше КПД и больше COP _л.с. (потому что [латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex] ). Другими словами, тепловые насосы не так хорошо работают в очень холодном климате, как в более умеренном.

Трение и другие необратимые процессы снижают эффективность теплового двигателя, но они не влияют на работу теплового насоса. тепловой носос.

Рис. 4. Когда реальный тепловой двигатель работает в обратном направлении, часть запланированной работы ( W ) идет на теплопередачу, прежде чем она попадет в тепловую машину, тем самым снижая ее коэффициент полезного действия.На этом рисунке W ‘представляет часть W , которая поступает в тепловой насос, в то время как остаток W теряется в виде тепла трения ( Q _f ) в холодный резервуар. Если бы весь W пошел в тепловой насос, то Q _h было бы больше. В лучшем тепловом насосе используются адиабатические и изотермические процессы, поскольку теоретически не было бы диссипативных процессов, снижающих передачу тепла к горячему резервуару.

Пример 1. Лучший [латексный] COP _ {\ text {hp}} \\ [/ latex] теплового насоса для домашнего использования

Тепловой насос, используемый для обогрева дома, должен использовать цикл, который производит рабочую жидкость при температурах выше, чем типичная температура в помещении, чтобы могла происходить передача тепла внутрь. Точно так же он должен производить рабочую жидкость при температурах ниже, чем температура наружного воздуха, чтобы передача тепла происходила извне. Следовательно, его горячая и холодная температура резервуара не может быть слишком близкой, что ограничивает его COP _л.с. .(См. Рис. 5.) Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для такого теплового насоса, если температура горячего резервуара составляет 45,0 ° C, а температура холодного резервуара —15,0 ° C?

Стратегия

Двигатель Карно с реверсом обеспечивает наилучшую производительность в качестве теплового насоса. Как отмечалось выше, [latex] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex], поэтому нам нужно сначала рассчитать эффективность Карно, чтобы решить эту проблему.

Решение

Эффективность Карно по абсолютной температуре определяется по формуле:

[латекс] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \\ [/ latex].

Температура в кельвинах составляет T _h = 318 K и T _c = 258 K, так что

[латекс] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ frac {258 \ text {K}} {318 \ text {K}} = 0,1887 \\ [/ latex].

Таким образом, из обсуждения выше,

[латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} = \ frac {1} {0,1887} = 5,30 \\ [/ latex], или [латекс] COP _ {\ text {hp} } = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} = \ frac {1} {0.1887} = 5.30 \\ [/ latex], так что Q _h = 5.30 W.

Обсуждение

Это означает, что теплопередача тепловым насосом равна 5.В 30 раз больше, чем вложено в это дело. Это будет стоить в 5,30 раза больше, чем теплопередача, произведенная электрическим комнатным обогревателем, как и теплопередача, производимая этим тепловым насосом. Это не нарушение сохранения энергии. Холодный окружающий воздух обеспечивает 4,3 Дж на 1 Дж работы от электрической розетки.

Рис. 5. Передача тепла снаружи внутрь, а также работа, выполняемая для запуска насоса, происходит в тепловом насосе из приведенного выше примера. Обратите внимание, что холодная температура, создаваемая тепловым насосом, ниже, чем температура наружного воздуха, поэтому происходит передача тепла рабочей жидкости.Компрессор насоса создает температуру выше температуры в помещении для передачи тепла в дом.

Рис. 6. В жаркую погоду теплопередача происходит от воздуха внутри помещения к воздуху снаружи, охлаждая помещение. В прохладную погоду происходит передача тепла от воздуха снаружи к воздуху внутри, нагревая комнату. Это переключение достигается за счет изменения направления потока рабочей жидкости на противоположное.

Настоящие тепловые насосы работают не так хорошо, как идеальные в предыдущем примере; Их значения КС _л.с. колеблются примерно от 2 до 4.Этот диапазон означает, что теплопередача Q _h от тепловых насосов в 2–4 раза больше, чем вклад в них W . Однако их экономическая осуществимость все еще ограничена, поскольку W обычно поставляется за счет электроэнергии, которая стоит больше на джоуль, чем передача тепла путем сжигания топлива, такого как природный газ. Кроме того, первоначальная стоимость теплового насоса выше, чем у многих печей, поэтому тепловой насос должен работать дольше, чтобы окупить его стоимость.Тепловые насосы, скорее всего, будут экономически лучше там, где зимние температуры мягкие, электричество относительно дешево, а другие виды топлива относительно дороги. Кроме того, поскольку они могут охлаждать и обогревать помещение, они имеют преимущества там, где также желательно охлаждение в летние месяцы. Таким образом, одни из лучших мест для тепловых насосов — теплый летний климат с прохладной зимой. На рис. 6 показан тепловой насос, называемый в некоторых странах «обратным циклом » или «охладителем сплит-системы » .

Кондиционеры и холодильники

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения чего-либо в теплой среде. Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холодного к горячему требуется дополнительная работа, а это дорого. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, сколько тепла Q _c происходит из холодной окружающей среды, по сравнению с тем, сколько работы требуется W . То, что считается преимуществом теплового насоса, в холодильнике считается отходящим теплом.Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия ( COP _ref ) кондиционера или холодильника как

.

[латекс] {COP} _ {\ text {ref}} = \ frac {Q _ {\ text {c}}} {W} \\ [/ latex].

Еще раз отмечая, что Q _h = Q _c + W , мы видим, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос, потому что [латекс] {COP} _ { \ text {hp}} = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ latex] и Q _h больше, чем Q _c .В задачах и упражнениях этого модуля вы покажете, что COP _ref = COP _л.с. — 1 для теплового двигателя, используемого либо в качестве кондиционера, либо в качестве теплового насоса, работающего между двумя одинаковыми температурами. Настоящие кондиционеры и холодильники обычно работают замечательно, имея значения COP _ref в диапазоне от 2 до 6. Эти числа лучше, чем значения COP _hp для упомянутых выше тепловых насосов, потому что разница температур составляет меньше, но они меньше, чем у двигателей Карно, работающих между теми же двумя температурами.

Был разработан тип рейтинговой системы COP , называемый «рейтинг энергоэффективности» ( EER ). Этот рейтинг является примером того, что единицы, не относящиеся к системе СИ, по-прежнему используются и актуальны для потребителей. Чтобы упростить жизнь потребителю, Австралия, Канада, Новая Зеландия и США используют рейтинг Energy Star из 5 звезд — чем больше звездочек, тем более энергоэффективным является устройство. EER s выражены в смешанных единицах британских тепловых единиц (БТЕ) ​​в час нагрева или охлаждения, разделенных на потребляемую мощность в ваттах.Комнатные кондиционеры легко доступны с EER s в диапазоне от 6 до 12. Эти EER s, хотя и не такие же, как только что описанные COP s, подходят для сравнения — чем больше EER , тем дешевле кондиционер должен работать (но тем выше, вероятно, будет его покупная цена).

EER кондиционера или холодильника можно выразить как

[латекс] \ displaystyle {EER} = \ frac {\ frac {Q _ {\ text {c}}} {t_1}} {\ frac {W} {t_2}} \\ [/ latex],

, где Q _c — количество теплопередачи из холодной среды в британских тепловых единицах, t ₁ — время в часах, W — затраченная работа в джоулях и t ₂ — время в секундах.

Стратегии решения проблем термодинамики

1. Изучите ситуацию, чтобы определить, задействовано ли тепло, работа или внутренняя энергия . Ищите любую систему, в которой основными методами передачи энергии являются тепло и работа. Тепловые двигатели, тепловые насосы, холодильники и кондиционеры являются примерами таких систем.
2. Определите интересующую систему и нарисуйте помеченную диаграмму системы, показывающую поток энергии.
3. Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные) .Письменный список полезен. Максимальная эффективность означает, что задействован двигатель Карно. Эффективность — это не то же самое, что коэффициент полезного действия.
4. Составьте список того, что дано или может быть выведено из указанной проблемы (укажите известные). Обязательно отличите теплопередачу в системе от теплопередачи из системы, а также затраченные усилия и результаты работы. Во многих ситуациях полезно определить тип процесса, например изотермический или адиабатический.
5. Решите соответствующее уравнение для количества, которое необходимо определить (неизвестное).
6. Подставьте известные величины вместе с их единицами измерения в соответствующее уравнение и получите численные решения с указанием единиц.
7. Проверьте ответ, чтобы узнать, разумен ли он: имеет ли он смысл? Например, КПД всегда меньше 1, тогда как коэффициенты производительности больше 1.

Сводка раздела

• Артефакт второго закона термодинамики — это способность обогревать внутреннее пространство с помощью теплового насоса.Тепловые насосы сжимают холодный окружающий воздух и при этом нагревают его до комнатной температуры без нарушения принципов консервации.
• Чтобы рассчитать коэффициент полезного действия теплового насоса, используйте уравнение [latex] {\ text {COP}} _ {\ text {hp}} = \ frac {{Q} _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ латекс].
• Холодильник — это тепловой насос; он забирает теплый окружающий воздух и расширяет его, чтобы охладить.

Концептуальные вопросы

1. Объясните, почему тепловые насосы не работают в очень холодном климате так же хорошо, как в более мягком.То же самое и с холодильниками?
2. В некоторых странах Северной Европы дома строятся без каких-либо систем отопления. Они очень хорошо изолированы и согреваются теплом тела жителей. Однако, когда жителей нет дома, в этих домах все равно тепло. Какое возможное объяснение?
3. Почему холодильники, кондиционеры и тепловые насосы работают наиболее рентабельно для циклов с небольшой разницей между T _h и T _c ? (Обратите внимание, что температура используемого цикла имеет решающее значение для его COP .)
4. Менеджеры продуктовых магазинов утверждают, что летом общее потребление энергии меньше, если в магазине поддерживается низкая температура. Приведите аргументы в поддержку или опровержение этого утверждения, учитывая, что в магазине множество холодильников и морозильников.
5. Можно ли охладить кухню, оставив дверцу холодильника открытой?

Задачи и упражнения

1. Каков коэффициент полезного действия идеального теплового насоса с теплопередачей при температуре холода −25?От 0ºC до горячей температуры 40,0ºC?
2. Предположим, у вас есть идеальный холодильник, который охлаждает окружающую среду до –20,0 ° C и передает тепло в другую среду до 50,0 ° C. Каков его коэффициент полезного действия?
3. Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для гипотетического холодильника, который может производить жидкий азот при температуре –200ºC и имеет теплопередачу в окружающую среду при температуре 35,0ºC?
4. В очень мягком зимнем климате тепловой насос передает тепло из окружающей среды на 5.От 00ºC до единицы при 35,0ºC. Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для этих температур? Ясно покажите, как вы следуете шагам, указанным в Стратегиях решения проблем термодинамики.
5. (a) Каков наилучший коэффициент полезного действия теплового насоса с температурой горячего резервуара 50,0 ° C и температурой холодного резервуара -20,0 ° C? (б) Сколько тепла происходит в теплой среде, если в нее вложено 3,60 × 10 ⁷ Дж работы (10,0 кВт · ч)? (c) Если стоимость этих работ составляет 10.0 центов / кВт · ч, как его стоимость по сравнению с прямой теплопередачей, достигаемой за счет сжигания природного газа по цене 85,0 центов за терм. (Термины — это общепринятая единица измерения энергии для природного газа, равная 1,055 × 10 ⁸ Дж.)
6. (a) Каков наилучший коэффициент полезного действия холодильника, который охлаждает окружающую среду до –30,0ºC и передает тепло в другую среду при 45,0ºC? (б) Сколько работы в джоулях необходимо сделать для передачи тепла 4186 кДж из холодной среды? (c) Какова стоимость этого, если работа стоит 10.0 центов за 3,60 × 10 ⁶ Дж (киловатт-час)? (d) Сколько кДж теплопередачи происходит в теплую среду? (e) Обсудите, какой тип холодильника может работать при этих температурах.
7. Предположим, вы хотите использовать идеальный холодильник с температурой холода -10,0 ° C и хотите, чтобы его коэффициент полезного действия составлял 7,00. Какова температура горячего резервуара у такого холодильника?
8. Рассматривается идеальный тепловой насос для обогрева помещения с температурой 22 ° C.0ºC. Какова температура холодного резервуара, если коэффициент полезного действия насоса должен составлять 12,0?
9. 4-тонный кондиционер удаляет 5,06 × 10 ⁷ Дж (48 000 британских тепловых единиц) из холодной среды за 1 час. (a) Какая энергия в джоулях необходима для этого, если кондиционер имеет рейтинг энергоэффективности ( EER ), равный 12,0? (b) Какова стоимость этого, если работа стоит 10,0 центов за 3,60 × 10 ⁶ Дж (один киловатт-час)? (c) Обсудите, насколько реалистична эта стоимость.Обратите внимание, что рейтинг энергоэффективности ( EER ) кондиционера или холодильника определяется как количество британских тепловых единиц теплопередачи из холодной среды в час, деленное на потребляемую мощность в ваттах.
10. Покажите, что коэффициенты производительности холодильников и тепловых насосов связаны соотношением COP _ref = COP _hp -1. Начнем с определений COP s и отношения сохранения энергии между Q _h , Q _c и W .

Глоссарий

тепловой насос: машина, передающая тепло от холода к горячему

КПД: для теплового насоса, это отношение теплопередачи на выходе (горячий резервуар) к произведенной работе; для холодильника или кондиционера это отношение теплоотдачи от холодного резервуара к произведенной работе

Избранные решения проблем и упражнения

1.