Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с тепловых насосов )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья посвящена устройствам, используемым для обогрева и / или охлаждения зданий и транспортных средств с использованием холодильного цикла. Для использования в других целях, см Тепловой насос (значения) .
Внешний теплообменник воздушного теплового насоса

Тепловой насос представляет собой устройство , используемое для нагреться , а иногда и охлаждение здания путем передачи тепловой энергии от охладителя пространства в более теплое пространство с помощью цикла охлаждения , будучи направлением , противоположным , в котором передача тепла будет происходить без применения внешнего источника питания. Общие типы устройств включают в себя источник воздуха тепловые насосы , геотермальные тепловые насосы , источник воды тепловых насосов и тепла выхлопных газов воздушные насосы . Тепловые насосы также часто используются в системах централизованного теплоснабжения .

КПД теплового насоса выражается как коэффициент полезного действия (COP) или сезонный коэффициент полезного действия (SCOP). Чем выше число, тем эффективнее тепловой насос и тем меньше энергии он потребляет. При использовании для обогрева помещений эти устройства обычно намного более энергоэффективны, чем простые электрические резистивные нагреватели .

История [ править ]

Основные вехи:

  • 1748: Уильям Каллен демонстрирует искусственное охлаждение.
  • 1834: Джейкоб Перкинс создает практичный холодильник с диэтиловым эфиром .
  • 1852: Лорд Кельвин описывает теорию, лежащую в основе тепловых насосов.
  • 1855–1857: Петер фон Риттингер разрабатывает и строит первый тепловой насос. [1]
  • 1928: Аурел Стодола строит тепловой насос с замкнутым контуром (источник воды из Женевского озера ), который по сей день обеспечивает отопление ратуши Женевы .
  • 1945: Джон Самнер, городской инженер-электрик Норвича , устанавливает экспериментальный водяной тепловой насос, питающий систему центрального отопления, используя соседнюю реку для обогрева новых административных зданий Совета. Коэффициент сезонной эффективности 3,42. Средняя тепловая отдача 147 кВт и пиковая мощность 234 кВт. [2]
  • 1948: Роберту К. Уэбберу приписывают разработку и строительство первого грунтового теплового насоса. [3]
  • 1951: Первая крупномасштабная установка - Открытие Королевского Фестивального Зала в Лондоне с городским газовым реверсивным тепловым насосом, работающим на воде, питаемым из Темзы , как для отопления зимой, так и для охлаждения летом. [2]

Типы [ править ]

Наружный блок воздушного теплового насоса, работающего в условиях замерзания

Тепловой насос с воздушным источником [ править ]

Основная статья: Воздушный тепловой насос

Тепловые насосы с воздушным источником используются для передачи тепла между двумя теплообменниками, один из которых находится за пределами здания и оборудован ребрами, через которые воздух нагнетается с помощью вентилятора, а другой либо нагревает воздух внутри здания напрямую, либо нагревает воду, которая затем циркулирует. вокруг здания через излучатели тепла, которые отдают тепло зданию. Эти устройства также могут работать в режиме охлаждения, когда они отбирают тепло через внутренний теплообменник и выбрасывают его в окружающий воздух с помощью внешнего теплообменника. Обычно они также используются для нагрева воды для стирки, которая хранится в резервуаре для горячей воды для бытового потребления. [ необходима цитата ]

Тепловые насосы с воздушным источником относительно просты и недороги в установке и поэтому исторически являются наиболее широко используемым типом тепловых насосов. В мягкую погоду COP может составлять около 4,0, в то время как при температурах ниже около 0 ° C (32 ° F) тепловой насос с воздушным тепловым насосом все еще может достигать COP 2,5. Среднее значение COP по сезонным колебаниям обычно составляет 2,5–2,8, а исключительные модели могут превышать это значение в мягком климате. [ необходима цитата ]

Земляной тепловой насос [ править ]

Основная статья: Геотермальный тепловой насос

Земные тепловые насосы (или геотермальные тепловые насосы) забирают тепло из земли или грунтовых вод, которые имеют относительно постоянную температуру круглый год на глубине около 30 футов (9 м). [4] Хорошо обслуживаемые грунтовые тепловые насосы обычно имеют КПД 4,0 в начале отопительного сезона с более низкими сезонными КПД около 3,0, поскольку тепло отбирается из земли. [5] Наземные тепловые насосы дороже в установке из-за необходимости бурения скважин для вертикального размещения труб теплообменника или рытья траншей для горизонтального размещения трубопровода, по которому переносится теплоноситель (вода с жидким теплоносителем). немного антифриза).

Тепловой насос с грунтовым источником также можно использовать для охлаждения зданий в жаркие дни, тем самым передавая тепло от жилища обратно в почву через контур заземления. Солнечные тепловые коллекторы или трубопроводы, размещенные на асфальте парковки, также могут использоваться для пополнения тепла под землей. [ необходима цитата ]

Вытяжной тепловой насос [ править ]

Основная статья: Вытяжной тепловой насос
  • Тепловой насос для вытяжного воздуха (извлекает тепло из вытяжного воздуха из здания, требует механической вентиляции )
    • Вытяжной тепловой насос воздух-воздух (передает тепло всасываемому воздуху)
    • Вытяжной воздушно-водяной тепловой насос (передает тепло в контур отопления и резервуар горячей воды для бытового потребления)

Солнечный тепловой насос [ править ]

См. Также: Тепловой насос на солнечных батареях

Тепловой насос с солнечной батареей - это машина, которая представляет собой интеграцию теплового насоса и тепловых солнечных панелей в единую интегрированную систему. Обычно эти две технологии используются отдельно (или размещаются только параллельно) для производства горячей воды . [6] В этой системе солнечная тепловая панель выполняет функцию низкотемпературного источника тепла, а произведенное тепло используется для подпитки испарителя теплового насоса. [7] Целью этой системы является получение высокого КС , а затем производить энергию в более эффективном и менее дорогом способе.

Тепловой насос источника воды [ править ]

Устанавливается водяной теплообменник

Тепловой насос с водным источником работает аналогично грунтовому тепловому насосу, за исключением того, что он забирает тепло от воды, а не от земли. Однако водоем должен быть достаточно большим, чтобы выдерживать охлаждающий эффект устройства, не замерзая и не создавая неблагоприятного воздействия на дикую природу.

Гибридный тепловой насос [ править ]

Гибридные (или сдвоенные) тепловые насосы: когда температура наружного воздуха выше 4-8 градусов Цельсия (40-50 градусов Фаренгейта, в зависимости от температуры грунтовых вод), они используют воздух; когда воздух холоднее, они используют наземный источник. Эти системы с двумя источниками также могут накапливать летнее тепло, пропуская воду из грунтовых источников через воздушный теплообменник или через теплообменник-теплообменник здания, даже когда сам тепловой насос не работает. Это имеет двойное преимущество: он обеспечивает низкие эксплуатационные расходы на охлаждение воздуха и (если грунтовые воды относительно неподвижны) повышает температуру грунтового источника, что повышает энергоэффективность системы теплового насоса примерно на 4% для на каждый градус повышения температуры наземного источника.

Приложения [ править ]

В миллионах бытовых установок используются воздушные тепловые насосы. [8] Они используются в климате с умеренными потребностями в обогреве и охлаждении (HVAC), а также могут обеспечивать горячее водоснабжение. [9] Расходы на покупку поддерживаются в разных странах скидками для потребителей. [10]

Отопление и охлаждение зданий и транспортных средств [ править ]

В системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) тепловой насос обычно представляет собой парокомпрессионное холодильное устройство, которое включает в себя реверсивный клапан и оптимизированные теплообменники, так что направление теплового потока (движение тепловой энергии) может быть изменено на противоположное. Реверсивный клапан переключает направление хладагента в цикле, поэтому тепловой насос может подавать в здание отопление или охлаждение. В более прохладном климате по умолчанию реверсивный клапан настроен на обогрев.

Настройка по умолчанию для более теплого климата - охлаждение. Поскольку два теплообменника, конденсатор и испаритель, должны поменять местами функции, они оптимизированы для адекватной работы в обоих режимах. Следовательно, рейтинг SEER, который представляет собой рейтинг сезонной энергоэффективности реверсивного теплового насоса, обычно немного меньше, чем у двух отдельно оптимизированных машин. Чтобы оборудование получило рейтинг Energy Star , оно должно иметь рейтинг не менее 14,5 SEER. [ необходима цитата ]

Водяное отопление [ править ]

В системах водяного отопления тепловой насос может использоваться для нагрева или предварительного нагрева воды для плавательных бассейнов или нагрева питьевой воды для использования в домах и в промышленности. Обычно тепло извлекается из наружного воздуха и передается в резервуар для воды в помещении, в другом варианте тепло извлекается из воздуха в помещении, чтобы помочь в охлаждении помещения.

Центральное отопление [ править ]

Основная статья: Центральное отопление

Тепловые насосы также могут использоваться в качестве источника тепла для централизованного теплоснабжения . Возможными источниками тепла для таких применений являются сточные воды, вода из окружающей среды (например, морская, озерная и речная вода), промышленные отходы тепла , геотермальная энергия , дымовые газы , отходящее тепло от централизованного охлаждения и тепло от солнечных аккумуляторов . В Европе с 1980-х годов было установлено более 1500 МВт, из которых около 1000 МВт использовалось в Швеции в 2017 году. [11] Крупномасштабные тепловые насосы для централизованного теплоснабжения в сочетании с накоплением тепловой энергии.предлагают высокую гибкость для интеграции переменных возобновляемых источников энергии. Поэтому они считаются ключевой технологией для интеллектуальных энергетических систем с высокой долей возобновляемых источников энергии до 100% и передовых систем централизованного теплоснабжения 4-го поколения. [11] [12] [13] Они также являются важным элементом систем холодного централизованного теплоснабжения . [14]

Промышленное отопление [ править ]

Существует большой потенциал для снижения потребления энергии и связанных с ним выбросов парниковых газов в промышленности за счет применения промышленных тепловых насосов. Проект международного сотрудничества, завершенный в 2015 году, собрал в общей сложности 39 примеров проектов НИОКР и 115 тематических исследований по всему миру. [15] Исследование показывает, что возможны короткие сроки окупаемости (менее 2 лет), может быть достигнуто значительное сокращение выбросов CO2 (в некоторых случаях более 50%). [16] [17]

Производительность [ править ]

Основная статья: коэффициент полезного действия

При сравнении производительности тепловых насосов термин «производительность» предпочтительнее, чем «эффективность», при этом коэффициент производительности (COP) используется для описания отношения полезного теплового движения к затраченной работе. Электрический нагреватель сопротивления имеет КС 1,0, что значительно ниже , чем хорошо спроектированной тепловой насос , который, как правило , быть между КС от 3 до 5 с внешней температурой 10 ° C и внутренней температурой 20 ° С. Тепловой насос, работающий на земле, обычно имеет более высокую производительность, чем тепловой насос с воздушным источником.

«Сезонный коэффициент эффективности» (SCOP) - это мера совокупного показателя энергоэффективности за период в один год, который очень зависит от климата региона. Одна основа для этого расчета дается Регламентом Комиссии (ЕС) № 813/2013: [18]

В режиме охлаждения рабочие характеристики теплового насоса описываются в США как его коэффициент энергоэффективности (EER) или сезонный коэффициент энергоэффективности (SEER), и оба показателя имеют единицы БТЕ / (ч · Вт) (1 БТЕ / (ч · Вт) = 0,293 Вт / Вт) с большим числом EER, указывающим на лучшую производительность. Однако фактическая производительность варьируется и зависит от многих факторов, таких как детали установки, разница температур, высота площадки и техническое обслуживание.

Изменение COP в зависимости от температуры на выходе
Тип и источник насосаТипичное использование35 ° C
(например, стяжка с подогревом )		45 ° C
(например, стяжка с подогревом)		55 ° C
(например, деревянный пол с подогревом)		65 ° C
(например, радиатор или ГВС )		75 ° C
(например, радиатор и ГВС)		85 ° C
(например, радиатор и ГВС)
Высокоэффективный воздушный тепловой насос (ASHP), воздух при –20 ° C [19]2.22.0----
Двухступенчатая АШП, воздух при –20 ° C [20]Низкая температура источника2,42.21.9---
Высокоэффективный ASHP, воздух при 0 ° C [19]Низкая температура на выходе3.82,82.22.0--
Прототип транскритического СО
2(R744) тепловой насос с трехкомпонентным газовым охладителем, источник при 0 ° C [21]		Высокая температура на выходе3.3--4.2-3.0
Земляной тепловой насос (GSHP), вода при 0 ° C [19]5.03,72,92,4--
GSHP, измельченный при 10 ° C [19]Низкая температура на выходе7.25.03,72,92,4-
Теоретический предел цикла Карно , источник −20 ° C5,64.94.44.03,73,4
Теоретический предел цикла Карно , источник 0 ° C8,87.16.05.24.64.2
Теоретический предел цикла Лорентцена ( CO
2насос), возвратная жидкость 25 ° C, исходная 0 ° C [21]		10.18,87.97.16.56.1
Теоретический предел цикла Карно , источник 10 ° C12,39.17.36.15,44.8

Операция [ править ]

Рисунок 2: Температурно-энтропийная диаграмма парокомпрессионного цикла.
Внутренний вид наружного блока теплового насоса с воздушным источником Ecodan
См. Также: Парокомпрессионное охлаждение

Компрессия пара использует циркулирующий жидкий хладагент в качестве среды, которая поглощает тепло из одного пространства, сжимает его, тем самым повышая его температуру, прежде чем выпустить в другое пространство. Система обычно состоит из 8 основных компонентов: компрессора , резервуара, реверсивного клапана, который выбирает между режимами нагрева и охлаждения, двух тепловых расширительных клапанов (один используется в режиме нагрева, а другой - в режиме охлаждения) и два теплообменника, один связан с внешним источником тепла / радиатором, а другой - с внутренним пространством. В режиме обогрева внешний теплообменник является испарителем, а внутренний - конденсатором; в режиме охлаждения роли меняются.

Циркулирующий хладагент входит в компрессор в термодинамическом состоянии, известном как насыщенный пар [22], и сжимается до более высокого давления, что также приводит к более высокой температуре. Горячий сжатый пар находится в термодинамическом состоянии, известном как перегретый пар, и имеет температуру и давление, при которых он может конденсироваться либо с охлаждающей водой, либо с охлаждающим воздухом, текущим через змеевик или трубы. В режиме отопления это тепло используется для обогрева здания с помощью внутреннего теплообменника, а в режиме охлаждения это тепло отводится через внешний теплообменник.

Конденсированный жидкий хладагент в термодинамическом состоянии, известном как насыщенная жидкость , затем направляется через расширительный клапан, где он подвергается резкому снижению давления. Это снижение давления приводит к адиабатическому мгновенному испарению части жидкого хладагента. Эффект автоохлаждения адиабатического мгновенного испарения снижает температуру смеси жидкого и парообразного хладагента до уровня, который ниже температуры замкнутого пространства, подлежащего охлаждению.

Затем холодная смесь проходит через змеевик или трубы испарителя. Вентилятор обеспечивает циркуляцию теплого воздуха в замкнутом пространстве по змеевику или трубам, по которым проходит смесь холодного жидкого хладагента и пара. Этот теплый воздух испаряет жидкую часть холодной смеси хладагентов. В то же время циркулирующий воздух охлаждается и, таким образом, снижает температуру замкнутого пространства до желаемой температуры. Испаритель - это место, где циркулирующий хладагент поглощает и отводит тепло, которое впоследствии отводится в конденсаторе и переносится в другое место водой или воздухом, используемыми в конденсаторе.

Для завершения цикла охлаждения пар хладагента из испарителя снова является насыщенным паром и направляется обратно в компрессор.

Со временем испаритель может собирать лед или воду из-за влажности окружающей среды . Лед тает во время цикла размораживания . Внутренний теплообменник используется либо для прямого нагрева / охлаждения внутреннего воздуха, либо для нагрева воды, которая затем циркулирует через радиаторы или контур напольного отопления, для нагрева или охлаждения зданий.

Выбор хладагента [ править ]

Основная статья: хладагент

До 1990-х годов тепловые насосы, а также холодильники и другие сопутствующие товары использовали хлорфторуглероды (CFC) в качестве хладагентов, которые наносили серьезный ущерб озоновому слою при выбросе в атмосферу . Использование этих химикатов было запрещено или строго ограничено Монреальским протоколом августа 1987 года. [23] Заменители, в том числе R-134a и R-410A, представляют собой гидрофторуглерод с аналогичными термодинамическими свойствами с незначительным озоноразрушающим потенциалом, но имеют проблемный потенциал глобального потепления . [24] ГФУ - мощный парниковый газ, который способствует изменению климата. [25][26] Более современные холодильники, содержащие дифторметан (R32) и изобутан (R600A) , не разрушают озон, а также гораздо менее вредны для окружающей среды. [27] Диметиловый эфир (DME) также приобрел популярность в качестве хладагента. [28]

Государственные стимулы [ править ]

Соединенные Штаты [ править ]

Кредиты на альтернативную энергию в Массачусетсе [ править ]

Стандарт портфеля альтернативных источников энергии (APS) был разработан в 2008 году, чтобы требовать, чтобы определенный процент электроэнергии в штате Массачусетс поступал из определенных альтернативных источников энергии. [29] В октябре 2017 года Министерство энергетики штата Массачусетс (DOER) разработало проект правил в соответствии с главой 251 Закона 2014 года и главой 188 Закона 2016 года, в которые добавлены возобновляемые источники тепла, топливные элементы и отходы для получения энергии. термический к APS. [29]

Кредиты на альтернативную энергию (AEC) выдаются в качестве стимула для владельцев правомочных объектов возобновляемой тепловой энергии по ставке один кредит на каждый эквивалент мегаватт-часа (МВтч) произведенной тепловой энергии. Розничные поставщики электроэнергии могут приобретать эти кредиты для соответствия стандартам APS. APS расширяет текущие полномочия по возобновляемым источникам энергии на более широкий круг участников, поскольку государство продолжает расширять свой портфель альтернативных источников энергии.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Бэнкс, Дэвид Л. (2008-05-06). Введение в термогеологию: нагревание и охлаждение подземных источников (PDF) . Вили-Блэквелл. ISBN 978-1-4051-7061-1.
  2. ^ Б Электроснабжение в Соединенном Королевстве: хронология - от истоков отрасли до 31 декабря 1985 . Совет по электричеству. Совет. 1987. ISBN. 978-0851881058. OCLC  17343802 .CS1 maint: others (link)
  3. ^ Бэнкс, Дэвид (август 2012). Введение в термогеологию: нагревание и охлаждение подземных источников . Джон Вили и сыновья. п. 123.
  4. ^ «Сезонные температурные циклы» . 30 мая 2013 г. Архивировано из оригинального 30 мая 2013 года .
  5. ↑ Эксплуатационные характеристики грунтовых тепловых насосов в Манитобе Роб Андрушук, Фил Меркель, июнь 2009 г.
  6. ^ "Солнечные тепловые насосы" . Проверено 21 июня +2016 .
  7. ^ "Pompe di calore elio-assistite" (на итальянском языке). Архивировано из оригинального 7 -го января 2012 года . Проверено 21 июня +2016 .
  8. ^ https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/buildings_roadmap.pdf pg16
  9. ^ "Системы теплового насоса" . Министерство энергетики США.
  10. ^ «Возобновляемые источники тепла - внутренние RHI - выплачиваются в течение 7 лет» . Ассоциация наземных тепловых насосов .
  11. ^ а б Давид, Андрей; и другие. (2017). «Дорожная карта по отоплению Европы: крупные электрические тепловые насосы в системах централизованного теплоснабжения» . Энергии . 10 (4): 578. DOI : 10,3390 / en10040578 .
  12. ^ Лунд, Хенрик ; и другие. (2014). «Централизованное теплоснабжение 4-го поколения (4GDH): интеграция интеллектуальных тепловых сетей в будущие устойчивые энергетические системы». Энергия . 68 : 1–11. DOI : 10.1016 / j.energy.2014.02.089 .
  13. ^ Сайег, Массачусетс; и другие. (2018). «Размещение, подключение и режимы работы тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения Европы» . Энергия и здания . 166 : 122–144. DOI : 10.1016 / j.enbuild.2018.02.006 .
  14. ^ Симона Буффа; и другие. (2019), «Системы централизованного теплоснабжения и охлаждения 5-го поколения: обзор существующих примеров в Европе», Renewable and Sustainable Energy Reviews (на немецком языке), 104 , стр. 504–522, doi : 10.1016 / j.rser.2018.12. 059
  15. ^ https://heatpumpingtechnologies.org/annex35/ Приложение 35 IEA HPT TCP
  16. ^ https://heatpumpingtechnologies.org/publications/?search=Annex+35 Публикации Приложения 35 IEA HPT TCP
  17. ^ https://heatpumpingtechnologies.org/publications/application-of-industrial-heat-pumps-annex-35-two-page-summary/ IEA HPT TCP Annex 25 Summary
  18. ^ «Требования к экодизайну для обогревателей» . Право Европейского Союза . Проверено 31 января 2021 .
  19. ^ a b c d Канадская сеть возобновляемых источников энергии «Коммерческие энергетические системы Земли», рисунок 29 . . Проверено 8 декабря 2009 года.
  20. ^ Технический институт физики и химии Китайской академии наук «Современное состояние тепловых насосов с воздушным источником для холодных регионов», рисунок 5 . . Проверено 19 апреля 2008 года.
  21. ^ a b SINTEF Energy Research «Интегрированные системы тепловых насосов CO 2 для отопления помещений и горячего водоснабжения в энергосберегающих и пассивных домах», Дж. Стин, Таблица 3.1, Таблица 3.3. Архивировано 18 марта 2009 г. в Wayback Machine . . Проверено 19 апреля 2008 года.
  22. ^ Насыщенные пары и насыщенные жидкости - это пары и жидкости при их температуре и давлении насыщения . Перегретый пар имеет температуру выше, чем температура насыщения, соответствующая его давлению.
  23. ^ «Справочник Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой - 7-е издание» . Программа ООН по окружающей среде - Секретариат по озону. 2007. Архивировано из оригинала на 2016-05-30 . Проверено 18 декабря 2016 .
  24. ^ «Хладагенты - Экологические свойства» . Engineering ToolBox . Проверено 12 сентября 2016 .
  25. ^ R-410A # Воздействие на окружающую среду
  26. ^ Ecometrica.com. «Расчет парникового газа R-410A» . Проверено 13 июля 2015 .
  27. ^ Иттейлаг, Ричард Л. (2012-08-09). Зеленое электричество и глобальное потепление . АвторДом. п. 77. ISBN 9781477217405.
  28. ^ «Смесь хладагента R404 и DME как новое решение для ограничения потенциала глобального потепления» (PDF) . 14 марта 2012 г. Архивировано из оригинального (PDF) 14 марта 2012 г.
  29. ^ a b "DSIRE" . program.dsireusa.org . Проверено 31 июля 2019 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Тепловой насос (инженерное дело) в Британской энциклопедии
  • Практическая информация по настройке геотермальных тепловых насосов в домашних условиях
  • Программа сотрудничества МЭА по технологиям тепловых насосов