Применение тепловых насосов для утилизации теплоты низкотемпературных источников
Принцип работы теплового насоса.
Тепловые насосы являются устройствами, предназначенными для отбора теплоты от менее нагретой среды и ее передачи более нагретой среде.
Очевидно, что самопроизвольно теплота может передаваться только в обратном направлении – от среды с более высокой температурой к среде с меньшей температурой, поэтому для реализации процесса теплового насоса необходимо применение специального устройства. Наибольшим коэффициентом полезного действия отличаются тепловые насосы, работа которых основана на зависимости температуры изменения агрегатного состояния жидкости от ее давления.
Известно, что для перехода единицы массы жидкости и жидкого состояния в газообразное к ней необходимо подвести количество теплоты, называемое скрытой теплотой парообразования. Для этого необходимо осуществить тепловой контакт жидкости с внешней, по отношению к ней средой, имеющей более высокую температуру, чем температура кипения жидкости.
В свою очередь, температура кипения жидкости зависит от ее физико-химических свойств и давления. Если испарение жидкости будет происходить при низком давлении, а конденсация ее паров при высоком давлении, то температура кипения окажется ниже температуры конденсации. В результате при испарении жидкости будет отбираться теплота от среды с меньшей температурой, а при конденсации паров теплота будет передаваться среде с более высокой температурой. Конечным результатом данного процесса будет передача теплоты от среды с меньшей температурой к среде с большей температурой. Например, теоретически возможно отобрать теплоту у среды, имеющей температуру 15 ОС и ниже и за счет этого нагреть воду или воздух до температуры 65 ОС.
Описанный выше рабочий процесс теплового насоса может быть реализован при помощи устройства парокомпрессионного типа, схема которого приведена на рис. 12.9.
Рис. 12.9. Схема парокомпрессионного теплового насоса. 1 -компрессор; 2 — конденсатор; 3 — регулирующий вентиль; 4 — испаритель
Принцип работы этого устройства следующий. В компрессоре при подводе механической энергии сжимается пар хладагента, при этом повышается его температура. Пар, имеющий высокие значения температуры и давления, проходя через конденсатор, представляющий собой теплообменник, охлаждается, конденсируется и отдает скрытую теплоту парообразования внешней среде. В том случае, если тепловоспринимающей средой будет являться воздух помещения, результатом конденсации паров хладоагента будет нагреввоздуха. Жидкий хладагент поступает к дроссельному вентилю, где снижается его давление. В испарителе, который представляет собой теплообменник, предназначенный для передачи теплоты от внешней среды к хладоагенту, он переходит из жидкого состояния в парообразное, отбирая при этом теплоту от внешней, по отношению к тепловому насосу, среды. После этого пары хладоагента поступают в компрессор, и цикл повторяется.
В качестве источников низкопотенциальной теплоты для тепловых насосов можно использовать грунтовую или поверхностную воду, грунт, воздух, канализационные стоки.
Очевидно, что для реализации теплонасосного цикла необходимо затратить электрическую энергию на привод компрессора.
Энергетическую эффективность теплового насоса характеризует коэффициент преобразования (КОП), равный отношению электрической энергии, затраченной на привод компрессора, Wk , к количеству полезной теплоты, переданной нагреваемой среде, Qн:
. (12.3)
В соответствии с первым законом термодинамики Qн складывается из теплоты, отобранной от источника теплоты, Qо, и энергии, затраченной на привод компрессора:
. (12.4)
Из последней зависимости ясно, почему при использовании теплового насоса нагреваемой среде передается теплоты больше, чем затрачивается энергии на привод компрессора. Величина КОП зависит от значений температур теплоотдающей, То, О К, и тепловоспринимающей, Тн, О К, сред, а также вида хладоагента, коэффициента полезного действия компрессора и ряда других факторов.
Теоретическое значение КОП определяется зависимостью:
. (12.5)
Определим значение 
для применения теплового насоса для нагрева воздуха до температуры 30 ОС (303 О К) за счет отбора теплоты от среды, имеющей температуру 5 ОС (278 О К). Для рассматриваемого случая:
(12.6)
Это значит, что, затрачивая 1кВт электроэнергии на привод компрессора теплового насоса, работающего в данном режиме, теоретически можно получить 12 кВт теплоты в виде воздуха, нагретого до 30 ОС.
В действительности, за счет необратимости процессов и потерь энергии в функциональных элементах теплового насоса максимальное значение реального КОП не превышает 4-5.
Об энергетической эффективности теплового насоса говорит то, что при прямом преобразовании электрической энергии в тепловую, например в электрических водонагревателях, затратив 1кВт электрической мощности, можно получить только 1 кВт тепловой энергии, то есть в 4-5 раз меньше чем при использовании теплового насоса.
Для работы теплового насоса необходим источник теплоты, от которого отбирается теплота, например, воздух, вода, грунт или канализационные стоки, а также теплоприемник, которому тепловой насос передает теплоту. В качестве теплоприемника в системах отопления помещений используются преимущественно воздух и вода. В зависимости от типа источника и приемника тепла испаритель и конденсатор теплового насоса могут выполняться как теплообменники типа «воздух-жидкость», «жидкость-жидкость», «воздух-воздух», «жидкость-воздух», «грунт-воздух», «грунт-жидкость».
Примером использования тепловых насосов для отопления помещений могут служить кондиционеры, осуществляющие обогрев помещений в холодный период года. В этом случае холодильная машина кондиционера работает в режиме теплового насоса, отбирая теплоту от наружного воздуха и передавая ее воздуху помещения. Один из вариантов отопления помещений посредством применения теплового насоса приведен на рис. 12.10.
В теплый период года система кондиционирования воздуха обеспечивает охлаждение помещений. Источником холода в системе является чиллер с воздушным охлаждением конденсатора. Охлаждение воздуха помещений осуществляется в фанкойлах – теплообменниках типа «вода-воздух», установленных в помещениях и снабжаемых холодной водой от чиллера.
Рис. 12.10. Система кондиционирование воздуха с функцией отопления помещений за счет отбора теплоты от наружного воздуха.
В отопительный период чиллер работает в режиме теплового насоса, отбирая теплоту у наружного воздуха и передавая ее воде, нагреваемой в чиллере. Нагретая вода поступает в фанкойлы и отдает теплоту в помещение. В данном случае фанкойлы выполняют роль отопительных приборов.
При снижении температуры наружного воздуха ниже -5ОС эффективность работы чиллера в режиме теплового насоса становится недостаточной, он отключается, а теплоснабжение фанкойлов производится от теплового пункта здания.
В данной системе используются фанкойлы, имеющие два теплообменника – один снабжается водой от чиллера, второй – от системы теплоснабжения здания, поэтому данная система называется четырехтрубной.