Тепловой насос с воздушным источником

Тепловой насос с воздушным источником

Тепловой насос источника воздуха (ASHP) представляет собой тип теплового насоса , который поглощает тепло от более холодного места и выпустить его в теплое место , используя тот же холодильный пар-сжатие процесс и тот же внешний теплообменник с вентилятором, используемым с помощью кондиционеров . Однако, в отличие от кондиционера, он может как обогревать, так и охлаждать здание, а в некоторых случаях также обеспечивать горячее водоснабжение .

Тепловые насосы воздух-воздух представляют собой более простые устройства и подают горячий или холодный воздух непосредственно в одно или два внутренних пространства. В отличие от этого, тепловые насосы «воздух-вода» используют радиаторы и / или полы с подогревом для обогрева или охлаждения всего дома, а также часто используются для горячего водоснабжения. При правильном указании ASHP может предложить полное решение для центрального отопления и горячего водоснабжения до 80 ° C (176 ° F). ^{[ необходима цитата ]}

Описание [ править ]

Воздух при любой температуре выше абсолютного нуля содержит некоторую энергию. Тепловой насос с воздушным источником передает часть этой энергии в виде тепла из одного места в другое, например, между внешней и внутренней частью здания. Это может обеспечить отопление помещения и горячую воду. Одна система может быть спроектирована для передачи тепла в любом направлении, для обогрева или охлаждения внутренних помещений здания зимой и летом соответственно. Для простоты в нижеследующем описании основное внимание уделяется использованию для отопления помещений.

Технология похожа на холодильник, морозильник или кондиционер: различный эффект обусловлен физическим расположением различных компонентов системы. Подобно тому, как трубы на задней стенке холодильника нагреваются при охлаждении внутренней части, так и ASHP нагревает внутреннюю часть здания, одновременно охлаждая наружный воздух.

Основными компонентами теплового насоса с воздушным источником являются:

• Змеевик теплообменника для установки вне помещений , который отбирает тепло из окружающего воздуха.
• Змеевик внутреннего теплообменника, который передает тепло в каналы горячего воздуха, внутреннюю систему отопления, такую ​​как водяные радиаторы или контуры под полом, и резервуар для горячей воды для бытового потребления.

Тепловые насосы с воздушным источником тепла могут обеспечить относительно дешевое отопление помещения. Высокоэффективный тепловой насос может обеспечить в четыре раза больше тепла, чем резистивный резистивный нагреватель, используя такое же количество электроэнергии. ^[1] На стоимость срока службы воздушного теплового насоса будет влиять цена на электроэнергию по сравнению с ценой на газ (если таковой имеется). Горящий газ или масло выделяют углекислый газ, а также двуокись азота, что может быть вредным для здоровья. Тепловой насос с воздушным источником не выделяет углекислый газ, оксид азота или любой другой газ. Он использует небольшое количество электроэнергии для передачи большого количества тепла: электричество может быть из возобновляемых источников или вырабатываться на электростанциях, сжигающих ископаемое топливо.

«Стандартный» тепловой насос, использующий воздух для бытовых нужд, может отводить полезное тепло примерно до -15 ° C (5 ° F). ^[2] При более низких температурах наружного воздуха тепловой насос менее эффективен; его можно выключить и отапливать помещения только за счет дополнительного тепла (или аварийного тепла), если дополнительная система отопления достаточно большая. Существуют специально разработанные тепловые насосы, которые, хотя и теряют некоторую производительность в режиме охлаждения, обеспечивают полезный отвод тепла даже при более низких температурах наружного воздуха.

В холодном климате [ править ]

Наружный блок воздушного теплового насоса, работающего в условиях замерзания

Тепловой насос с воздушным источником, разработанный специально для очень холодного климата, может извлекать полезное тепло из окружающего воздуха при низких температурах –30 ° C (–22 ° F). Производители включают Mitsubishi и Fujitsu. ^[3] Одна модель Mitsubishi обеспечивает нагрев до -35 ° C, но коэффициент полезного действия (COP) падает до 0,9, что указывает на то, что резистивный нагрев будет более эффективным при этой температуре. По данным производителя ^[4], при -30 ° C КПД составляет 1,1 (в маркетинговой литературе производителя также указывается минимальный КПД 1,4 и рабочие характеристики до -30 ° C ^[5] ). Хотя воздушные тепловые насосы менее эффективны, чем правильно установленные наземные тепловые насосы.В холодных условиях воздушные тепловые насосы имеют более низкие начальные затраты и могут быть наиболее экономичным или практичным выбором. ^[6]

Исследование, проведенное Natural Resources Canada, показало, что тепловые насосы с воздушным источником холодного климата (CC-ASHP) работают в канадские зимы, на основе испытаний в Оттаве ( Онтарио ) в конце декабря 2012 - начале января 2013 года с использованием воздуховода CC-ASHP. (В отчете прямо не указывается, следует ли рассматривать резервные источники тепла для температур ниже -30 ° C. Рекордно низкий показатель для Оттавы составляет -36 ° C.) CC-ASHP обеспечил 60% -ную экономию энергии по сравнению с природным газом (в энергетике). единицы измерения). ^{[7] Однако} при рассмотрении энергоэффективности при производстве электроэнергии с CC-ASHP будет использоваться больше энергии по сравнению с отоплением на природном газе в провинциях или территориях ( Альберта , Новая Шотландия иСеверо-Западные территории ), где угольная генерация была преобладающим методом производства электроэнергии. (Экономия энергии в Саскачеване была незначительной. Другие провинции используют в основном гидроэлектрическую и / или ядерную генерацию.) Несмотря на значительную экономию энергии по сравнению с газом в провинциях, не зависящих в основном от угля, более высокая стоимость электроэнергии по сравнению с природным газом (при использовании розничной торговли 2012 г. цены в Оттаве, Онтарио) сделали природный газ менее дорогим источником энергии. (В отчете не рассчитывалась стоимость операции в провинции Квебек.(который имеет более низкие тарифы на электроэнергию и не показывает влияние тарифов на электроэнергию на время использования). Исследование показало, что в Оттаве стоимость эксплуатации системы CC-ASHP на 124% дороже, чем система природного газа. Однако в районах, где природный газ недоступен для домовладельцев, можно сэкономить 59% затрат на электроэнергию по сравнению с отоплением на мазуте. В отчете отмечается, что около 1 миллиона жилых домов в Канаде (8%) по-прежнему отапливаются мазутом. Отчет показывает 54% -ную экономию энергии для CC-ASHP по сравнению с электрическим нагревом плинтуса сопротивлением. Основываясь на этой экономии, отчет показал пятилетнюю окупаемость перехода с жидкого топлива или электрического нагревателя сопротивления плинтуса на CC-ASHP. (В отчете не уточняется, учитывалась ли в этом расчете возможная потребность в модернизации электроснабжения в случае перехода с мазута.Предположительно, не потребуется модернизация электроснабжения при преобразовании с электрического сопротивления тепла.) В отчете действительно отмечены большие колебания комнатной температуры с тепловым насосом из-за его циклов оттаивания.^[8]

Долголетие [ править ]

Тепловые насосы с воздушным источником могут служить более 20 лет при минимальных требованиях к техническому обслуживанию. ^{[ необходима цитата ]} В Соединенных Штатах имеется множество тепловых насосов 1970-х и 1980-х годов, которые все еще работают в 2012 году ^{[ необходима цитата ]} , даже в местах с очень холодными зимами. Небольшое количество движущихся частей снижает требования к техническому обслуживанию. Однако наружный теплообменник и вентилятор не должны содержать листьев и мусора. Тепловые насосы имеют больше движущихся частей, чем аналогичный резистивный нагреватель или нагреватель, работающий на топливе. ^{[ необходима цитата ]}Тепловые насосы с наземным источником имеют меньше движущихся частей, чем тепловые насосы с воздушным источником, поскольку они не нуждаются в вентиляторах или механизмах размораживания и расположены в помещении. Заземляющий массив для установки наземного источника должен прослужить более 100 лет.

Использование [ править ]

Тепловые насосы с воздушным источником тепла используются для обогрева и охлаждения внутренних помещений даже в более холодном климате и могут эффективно использоваться для нагрева воды в более мягком климате. Основным преимуществом некоторых ASHP является то, что одну и ту же систему можно использовать для отопления зимой и охлаждения летом. Хотя стоимость установки , как правило , высока, она меньше стоимости геотермального теплового насоса , так как тепловой насос геотермального требует земляных работ , чтобы установить его контур заземления. Преимущество геотермального теплового насоса заключается в том, что он имеет доступ к теплоаккумулирующей способности земли, что позволяет ему производить больше тепла при меньшем количестве электроэнергии в холодных условиях.

ASHP часто сочетаются с вспомогательными или аварийными системами отопления, чтобы обеспечить резервное тепло, когда наружные температуры слишком низкие для эффективной работы насоса, или в случае неисправности насоса. Поскольку у ASHP высокие капитальные затраты, а эффективность падает с понижением температуры, обычно ^{[ расплывчато ]} нерентабельно рассчитывать систему для самого холодного из возможных температурных сценариев, даже если ASHP может полностью удовлетворить потребность в тепле при самых низких ожидаемых температурах. . Печи на пропане , природном газе, жидком топливе или пеллетах могут обеспечить это дополнительное тепло.

Системы с полностью электрическими тепловыми насосами имеют электрическую печь или электрическое сопротивление нагреву, или полосовое нагревание, которое обычно состоит из рядов электрических катушек, которые нагреваются. Вентилятор обдувает нагретые змеевики и распространяет теплый воздух по всему дому. Он служит подходящим источником тепла, но с понижением температуры возрастают затраты на электроэнергию. Перебои в электроснабжении представляют такую ​​же угрозу, как и для центральных систем приточного воздуха и насосных котлов, но дровяные печи и неэлектрические каминные топки могут снизить этот риск. Некоторые ASHP могут быть подключены к солнечным батареям в качестве первичного источника энергии, а обычная электрическая сеть - в качестве резервного источника.

Решения для аккумулирования тепла, включающие резистивный нагрев, могут использоваться вместе с ASHP. Хранение может быть более рентабельным, если доступны тарифы на электроэнергию на время использования. Тепло хранится в керамических кирпичах высокой плотности, содержащихся в теплоизолированном корпусе. ^[9] ASHP также могут работать в паре с пассивным солнечным отоплением . Тепловая масса (например, бетон или камни), нагретая пассивным солнечным теплом, может помочь стабилизировать температуру в помещении, поглощая тепло в течение дня и выделяя тепло ночью, когда температура наружного воздуха ниже, а эффективность теплового насоса ниже.

Наружная часть некоторых блоков может «замерзнуть», когда в воздухе достаточно влаги и температура наружного воздуха составляет от 0 ° C до 5 ° C (от 32 ° F до 41 ° F) ^{[ необходима ссылка ]} . Это ограничивает поток воздуха через наружный змеевик. В этих агрегатах используется цикл размораживания, при котором система временно переключается в режим «охлаждения» для перемещения тепла из дома к наружному змеевику для растапливания льда. Это требует включения дополнительного нагревателя (электрического или газового). Цикл оттаивания значительно снижает эффективность теплового насоса, хотя новые (требуемые) системы более интеллектуальны и требуют меньше оттаивания. Когда температура опускается ниже нуля, тенденция к обмерзанию наружной части уменьшается из-за пониженной влажности воздуха.

Трудно модернизировать обычные системы отопления, в которых используются радиаторы / излучающие панели, водонагреватели для плинтусов или даже воздуховоды меньшего диаметра, с использованием тепла, получаемого из источников ASHP. Более низкие температуры на выходе теплового насоса означают, что радиаторы необходимо увеличить в размерах или вместо них установить низкотемпературную систему напольного отопления . В качестве альтернативы можно установить высокотемпературный тепловой насос и сохранить существующие излучатели тепла. ^{[ необходима цитата ]}

Технология [ править ]

Нагрев и охлаждение осуществляются путем прокачки хладагента через внутренний и внешний змеевики теплового насоса. Как и в холодильнике, компрессор , конденсатор , расширительный клапан и испаритель используются для изменения состояния хладагента между состояниями более холодной жидкости и более горячего газа .

Когда жидкий хладагент с низкой температурой и низким давлением проходит через змеевики наружного теплообменника, окружающее тепло вызывает кипение жидкости (превращение в газ или пар ): тепловая энергия из внешнего воздуха поглощается и сохраняется в хладагенте как скрытая. тепло . Затем газ сжимается с помощью электрического насоса; сжатие увеличивает температуру газа.

Внутри здания газ проходит через клапан давления в змеевики теплообменника. Здесь горячий газообразный хладагент конденсируется обратно в жидкость и передает сохраненное скрытое тепло воздуху в помещении, водонагревателю или системе горячего водоснабжения. Воздух в помещении или отопительная вода перекачивается через теплообменник с помощью электрического насоса или вентилятора .

Затем холодный жидкий хладагент снова входит в змеевики наружного теплообменника, чтобы начать новый цикл.

Большинство тепловых насосов также могут работать в режиме охлаждения, когда холодный хладагент перемещается через внутренние змеевики для охлаждения воздуха в помещении.

Рейтинги эффективности [ править ]

«Эффективность» тепловых насосов с воздушным источником воздуха измеряется коэффициентом полезного действия (COP). Коэффициент COP, равный 3, означает, что тепловой насос производит 3 единицы тепловой энергии на каждую 1 единицу потребляемой электроэнергии. В диапазоне температур от –3 ° C до 10 ° C COP для многих машин довольно стабильно составляет 3–3,5.

В очень мягкую погоду КПД теплового насоса с воздушным источником может достигать 4. Однако в холодный зимний день требуется больше усилий для отвода такого же количества тепла в помещении, чем в мягкий день. ^[10] Производительность теплового насоса ограничена циклом Карно и приближается к 1,0 по мере увеличения разницы температур между наружным и внутренним воздухом, что для большинства тепловых насосов с воздушным источником происходит, когда температура наружного воздуха приближается к –18 ° C / 0 ° F. Конструкция теплового насоса, которая позволяет использовать диоксид углерода в качестве хладагента, может иметь COP более 2 даже при температуре до -20 ° C, что приводит к снижению показателя безубыточности до -30 ° C (-22 ° F). Тепловой насос геотермального имеет сравнительно меньшее изменение COP при изменении температуры наружного воздуха, потому что земля, из которой они извлекают тепло, имеет более постоянную температуру, чем наружный воздух.

Конструкция теплового насоса существенно влияет на его эффективность. Многие воздушные тепловые насосы предназначены в первую очередь для кондиционирования воздуха , в основном для использования при летних температурах. Конструирование теплового насоса специально для теплообмена может обеспечить более высокий КПД и более длительный срок службы. Основные изменения коснулись масштаба и типа компрессора и испарителя.

Сезонно скорректированная эффективность отопления и охлаждения выражается сезонным коэффициентом полезного действия отопления (HSPF) и сезонным коэффициентом энергоэффективности (SEER) соответственно.

В агрегатах, заправленных хладагентами HFC , COP уменьшается, когда тепловые насосы используются для нагрева воды для бытового потребления до температуры выше 60 ° C или для обогрева обычных систем центрального отопления , в которых для распределения тепла используются радиаторы (вместо системы подогрева пола).

Риски и меры предосторожности [ править ]

• Обычные воздушные тепловые насосы теряют свою мощность, когда внешняя температура опускается ниже 5 градусов по Цельсию (около 41 градуса по Фаренгейту). CC-ASHP (см. Выше) могут эффективно работать при температурах до -30 ° C, хотя они могут быть не такими эффективными при охлаждении в летний сезон, как традиционные тепловые насосы с воздушным источником. Если в более холодном климате используется обычный воздушный тепловой насос, системе требуется дополнительный источник тепла для дополнения теплового насоса в случае очень низких температур или когда просто слишком холодно для работы теплового насоса.
• Система вспомогательного / аварийного обогрева, например традиционная печь, также важна, если тепловой насос неисправен или ремонтируется. В более холодном климате тепловые насосы сплит-системы в сочетании с газовыми, масляными или топливными печами на пеллетах будут работать даже при очень низких температурах.

Шум [ править ]

Для геотермального теплового насоса нет необходимости в наружном блоке с движущимися механическими компонентами: внешний шум не создается. ^{[ необходима цитата ]}

Для теплового насоса с воздушным источником требуется наружный блок, содержащий движущиеся механические компоненты, включая вентиляторы, которые производят шум. В 2013 году Европейский комитет по стандартизации (CEN) начал работу над стандартами защиты от шумового загрязнения, создаваемого наружными блоками тепловых насосов. ^[11] Хотя в начале бизнес-плана CEN / TC 113 было сказано, что «потребители все чаще требуют низкой акустической мощности этих устройств, поскольку пользователи и их соседи в настоящее время отказываются от шумных установок», не было никаких стандартов для шумозащитных экранов или других средств защиты от шума. разработан до января 2016 года.

В Соединенных Штатах допустимый уровень шума в ночное время был определен в 1974 году как «средний 24-часовой предел воздействия в 55 децибел по шкале А (дБА) для защиты населения от всех неблагоприятных воздействий на здоровье и благополучие в жилых районах (Агентство по охране окружающей среды США). 1974) .Этот предел представляет собой 24-часовой средний уровень шума (LDN) днем ​​и ночью, со штрафом в 10 дБА, применяемым к ночным уровням между 22:00 и 07:00 часами для учета нарушения сна, и без штрафа к дневным уровням ^{[12]. ]} Штраф в 10 дБ (A) делает допустимый уровень шума в ночное время в США равным 45 дБ (A), что больше, чем принято в некоторых европейских странах, но меньше, чем шум, производимый некоторыми тепловыми насосами.

Еще одной особенностью внешних теплообменников тепловых насосов с воздушным источником тепла (ПТНВ) является необходимость остановки вентилятора время от времени на несколько минут, чтобы избавиться от инея, который накапливается в наружном блоке в режиме обогрева. После этого тепловой насос снова начинает работать. Эта часть рабочего цикла приводит к двум внезапным изменениям шума, производимого вентилятором. Акустический эффект от таких помех для соседей особенно силен в тихой обстановке, где фоновый ночной шум может составлять от 0 до 10 дБА. Это включено в законодательство Франции. Согласно французскому понятию «раздражающий шум», «появление шума» - это разница между окружающим шумом, включающим мешающий шум, и окружающим шумом без мешающего шума. ^{[13] [14]}

Противоречие [ править ]

Агрегаты, заправленные хладагентами ГФУ , часто продаются как низкоэнергетические или экологически безопасные технологии, однако, если ГФУ выходит из системы, существует потенциал для внесения вклада в глобальное потепление, которое измеряется потенциалом глобального потепления (GWP) и потенциалом разрушения озона (ODP). ). Недавние правительственные постановления предусматривают постепенный отказ от хладагента R-22 и его замену более экологически безопасным хладагентом R-410A. ^[15]

Влияние на электроэнергетику [ править ]

В то время как тепловые насосы с резервными системами, отличными от электрического резистивного обогрева, часто поощряются электроэнергетическими предприятиями, тепловые насосы с воздушным источником вызывают беспокойство у коммунальных предприятий, работающих в зимний период, если электрическое резистивное отопление используется в качестве дополнительного или заменяющего источника тепла, когда температура падает ниже точки. что тепловой насос может удовлетворить все потребности дома в тепле. Даже при наличии неэлектрической резервной системы тот факт, что эффективность ASHP снижается с увеличением температуры наружного воздуха, вызывает беспокойство у электроэнергетических компаний. Падение эффективности означает, что их электрическая нагрузка резко возрастает при падении температуры. Исследование на территории Юкон в Канаде , где дизельные генераторыиспользуются для пиковой мощности, отмечается, что широкое внедрение тепловых насосов с воздушным источником может привести к увеличению потребления дизельного топлива, если повышенный спрос на электроэнергию из-за использования ASHP превысит доступную мощность гидроэлектроэнергии. ^[16] Несмотря на эти опасения, исследование действительно пришло к выводу, что ASHP являются экономичной альтернативой отопления для жителей Юкона. Поскольку ветряные электростанции все чаще используются для подачи электроэнергии в сеть, повышенная зимняя нагрузка хорошо сочетается с увеличением зимней выработки от ветряных турбин , а более спокойные дни приводят к снижению тепловой нагрузки для большинства домов, даже при низкой температуре воздуха.

Ссылки [ править ]

Литература [ править ]

Саммер, Джон А. (1976). Бытовые тепловые насосы. PRISM Press. ISBN 0-904727-10-6 .