WikiDer > Тепловой насос - Википедия

Наружные компоненты бытового воздушного теплового насоса

А Тепловой насос это устройство, которое передает тепловую энергию от источника тепла к тому, что называется термальный резервуар. Тепловые насосы двигаются тепловая энергия в противоположном направлении спонтанного теплопередача, поглощая тепло из холодного помещения и передавая его в более теплое. Тепловой насос использует внешнюю энергию для выполнения работы по передаче энергии от источника тепла к радиатору.^[1]Наиболее распространенная конструкция теплового насоса включает четыре основных компонента: конденсатор, расширительный клапан, испаритель и компрессор. Теплоноситель, циркулирующий через эти компоненты, называется хладагент.^[2]

Пока Кондиционеры и морозильники являются знакомыми примерами тепловых насосов, термин «тепловой насос» является более общим и применяется ко многим отопление, вентиляция и кондиционирование (HVAC) устройства, используемые для обогрева или охлаждения помещений. Тепловые насосы обычно могут использоваться либо в режиме обогрева, либо в режиме охлаждения, в зависимости от требований пользователя. Когда тепловой насос используется для отопления, он использует те же основные холодильный цикл используется кондиционером или холодильником, но в противоположном направлении - выделяя тепло в кондиционируемое пространство, а не в окружающую среду. При таком использовании тепловые насосы обычно отбирают тепло из более холодного внешнего воздуха или из земли.^[3] Тепловые насосы также можно использовать в районное отопление и являются основным элементом холодное центральное отопление системы.

Тепловые насосы также все чаще используются для обогрева бытовая горячая вода.

Тепловые насосы значительно более энергоэффективны, чем простые электрические нагреватели сопротивления. Эффективность начинает снижаться по мере увеличения разницы температур между источником тепла и поглотителем.^[4] Эта потеря эффективности из-за колебаний температуры наружного воздуха является движущим фактором для использования геотермальных тепловых насосов.^[5] Стандартная стоимость установки также выше, чем у резистивного нагревателя. Видеть § Рекомендации по производительности.

При обсуждении эффективности теплового насоса обычно используются следующие термины: коэффициент производительности (КС), сезонный коэффициент полезного действия (SCOP) и коэффициент сезонной производительности (SPF). Чем выше это число, тем эффективнее тепловой насос, тем меньше он потребляет энергии и тем более рентабельным является его эксплуатация. Есть несколько факторов, которые будут влиять на эффективность теплового насоса, такие как вспомогательное оборудование, технология, размер и система управления, а также условия температуры и влажности: эффективность падает, когда разница температур увеличивается или когда может произойти замерзание.^[6]

Обзор

Тепловая энергия естественным образом переносится из более теплых помещений в более холодные. Однако тепловой насос может обратить этот процесс вспять, поглощая тепло из холодного помещения и передавая его в более теплое. Этот процесс требует некоторого количества внешней энергии, например электричество. В системах отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC) системы, термин Тепловой насос обычно относится к парокомпрессионное охлаждение устройства, оптимизированные для обеспечения высокого КПД в обоих направлениях передачи тепловой энергии. То есть тепловые насосы могут обеспечивать обогрев или охлаждение внутреннего пространства по мере необходимости.

Тепловые насосы более эффективны для обогрева, чем резистивные нагреватели, поскольку большая часть выделяемой ими энергии поступает из окружающей среды и только часть энергии, поступающей из внешних источников, необходимой для работы устройства. В тепловых насосах с электрическим приводом передаваемое тепло может в три или четыре раза превышать потребляемую электрическую мощность, что дает системе коэффициент производительности (COP) 3 или 4, в отличие от COP, равного 1 для обычного электрического сопротивления. нагреватель, в котором все тепло вырабатывается за счет подводимой электрической энергии.

Тепловые насосы работают как холодильники, наизнанку. Они используют хладагент в качестве промежуточной жидкости для поглощения тепла там, где он испаряется, в испарителе, а затем для выделения тепла в конденсаторе в месте конденсации хладагента. Хладагент протекает по изолированным трубам между испарителем и конденсатором, обеспечивая эффективную передачу тепловой энергии на относительно большие расстояния.^[7]

Более простые тепловые насосы используют атмосферу в качестве источника тепла; для лучшей производительности и большего потока энергии, грунтовые воды или геотермальная энергия будет задействована, но для этого потребуется более дорогая установка. Тепло можно отводить прямо в воздух (это проще и дешевле) или через водопровод центральное отопление или для обеспечения горячего водоснабжения. Тепловые насосы используют низкую температуру пол с подогревом, потому что COP может быть выше, когда разница температур ниже.

Реверсивные тепловые насосы

Реверсивные тепловые насосы работают в любом направлении, обеспечивая обогрев или охлаждение внутреннего пространства. Они нанимают реверсивный клапан для реверсирования потока хладагента из компрессора через конденсатор и испарительные змеевики.

В режим отопления, наружный змеевик является испарителем, а внутренний - конденсатором. Хладагент, вытекающий из испарителя (наружного змеевика), переносит тепловую энергию из наружного воздуха (или почвы, или, еще лучше, движущейся воды) внутри помещения. Температура пара в насосе увеличивается за счет его сжатия. Затем змеевик внутри помещения передает тепловую энергию (включая энергию сжатия) в воздух в помещении, который затем перемещается внутри здания за счет обработчик воздуха.

В качестве альтернативы тепловая энергия передается воде, которая затем используется для обогрева здания через радиаторы или же пол с подогревом. Нагретую воду также можно использовать для бытовая горячая вода потребление. Затем хладагенту дают возможность расшириться и, следовательно, охладиться и поглотить тепло от температуры наружного воздуха в наружном испарителе, и цикл повторяется. Это стандартный цикл охлаждения, за исключением того, что «холодная» сторона холодильника (змеевик испарителя) расположена на улице, где окружающая среда более холодная.

В холодную погоду наружный блок тепловой насос с воздушным источником необходимо периодически размораживать. Это вызовет активацию дополнительных или аварийных нагревательных элементов (расположенных в воздухообрабатывающем устройстве). В то же время из-за теплого хладагента иней на наружном теплообменнике быстро растает. Вентилятор конденсатора / испарителя (наружный) не будет работать в режиме оттаивания. Внутренний вентилятор продолжает работать во время цикла оттаивания.

В режим охлаждения цикл аналогичен, но наружный змеевик теперь является конденсатором, а внутренний змеевик (который достигает более низкой температуры) - испарителем. Это привычный режим, в котором работают кондиционеры.

История

Эта секция нуждается в расширении. Вы можете помочь добавляя к этому. (Июнь 2008 г.)

Основные вехи:

• 1748: Уильям Каллен демонстрирует искусственное охлаждение.
• 1834: Джейкоб Перкинс строит практический холодильник с диэтиловый эфир.
• 1852: Лорд Кельвин описывает теорию, лежащую в основе тепловых насосов.
• 1855–1857: Питер фон Риттингер разрабатывает и строит первый тепловой насос.^[8]
• 1928: Аурел Стодола строит замкнутый тепловой насос (источник воды из Женевское озеро), который обеспечивает обогрев Женева мэрия по сей день.
• 1945: Джон Самнер, инженер-электрик города Норвич, 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.^[9]
• 1948: Роберт К. Уэббер считается, что она разработала и построила первый наземный тепловой насос.^[10]
• 1951: Первая крупномасштабная инсталляция - The Королевский фестивальный зал в Лондоне открывается городской газ- реверсивный водяной тепловой насос с приводом от Темза, как для зимнего отопления, так и для летнего охлаждения.^[9]

Принципы работы

Эта секция нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. (Декабрь 2016 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Механические тепловые насосы по сути холодильник вывернутый наизнанку и негабаритный. Чтобы справиться с большим потоком энергии, требуются насосы или вентиляторы там, где для холодильника нужны только пассивные теплообменники.

Тепловые насосы используют физические свойства летучих испаряющихся и уплотнение жидкость, известная как хладагент. Тепловой насос сжимает хладагент, чтобы нагреть его на стороне, которую нужно нагреть, и сбрасывает давление на стороне, где поглощается тепло.

Простая стилизованная схема теплового насоса парокомпрессионное охлаждение цикл: 1)конденсатор, 2) расширительный клапан, 3) испаритель, 4) компрессор

Фиктивная диаграмма давление-объем для типичного холодильного цикла

В рабочая жидкостьв газообразном состоянии находится под давлением и циркулирует по системе за счет компрессор. На нагнетательной стороне компрессора теперь горячий пар под высоким давлением охлаждается в теплообменник, называется конденсатордо тех пор, пока он не превратится в жидкость под высоким давлением и умеренной температурой. Затем конденсированный хладагент проходит через устройство для понижения давления, также называемое дозирующим устройством. Это может быть расширительный клапан, капилляр трубка или, возможно, устройство для извлечения произведений, такое как турбина. Затем жидкий хладагент низкого давления поступает в другой теплообменник, испаритель, в котором жидкость поглощает тепло и кипит. Затем хладагент возвращается в компрессор, и цикл повторяется.^[11]

Важно, чтобы при сжатии хладагент достигал достаточно высокой температуры для выделения тепла через «горячий» теплообменник (конденсатор). Точно так же жидкость должна достичь достаточно низкой температуры, когда ей позволено расшириться, иначе тепло не может течь из окружающей холодной области в жидкость в холодном теплообменнике (испарителе). В частности, перепад давления должен быть достаточно большим, чтобы жидкость конденсировалась на горячей стороне и все еще испарялась в области более низкого давления на холодной стороне. Чем больше разница температур, тем больше необходимая разница давлений и, следовательно, тем больше энергии требуется для сжатия жидкости. Таким образом, как и все тепловые насосы, коэффициент производительности (количество тепловой энергии, перемещаемой на единицу требуемой входной работы) уменьшается с увеличением разницы температур.^{[нужна цитата]}

Изоляция используется для уменьшения работы и энергии, необходимых для достижения достаточно низкой температуры в охлаждаемом пространстве.

Тепловой транспорт

Тепло обычно передается через инженерные системы отопления или охлаждения с использованием проточного газа или жидкости. Иногда используется воздух, но во многих случаях он быстро становится непрактичным, поскольку для передачи относительно небольшого количества тепла требуются большие воздуховоды. В системах, использующих хладагент, эту рабочую жидкость также можно использовать для передачи тепла на значительные расстояния, хотя это может стать непрактичным из-за повышенного риска утечки дорогостоящего хладагента. Когда необходимо передать большое количество тепла, обычно используется вода, часто с добавлением антифриз, ингибиторы коррозии, и другие добавки.

Источники тепла / радиаторы

Обычным источником или поглотителем тепла в небольших установках является наружный воздух, используемый тепловым насосом с воздушным источником. Вентилятор необходим для повышения эффективности теплообмена.

В более крупных установках, потребляющих больше тепла, или в ограниченных физических пространствах часто используются тепловые насосы с водяным источником тепла. Тепло поступает или отклоняется в потоке воды, который может переносить гораздо большее количество тепла через заданное поперечное сечение трубы или воздуховода, чем может переносить воздушный поток. Воду можно нагреть в удаленном месте с помощью котлы, солнечная энергия, или другими способами. В качестве альтернативы, при необходимости, воду можно охладить с помощью градирни, или сброшены в большой водоем, такой как озеро, ручей или океан.

Геотермальные тепловые насосы или грунтовые тепловые насосы используют неглубокие подземные теплообменники в качестве источника или поглотителя тепла, а воду в качестве теплоносителя. Это возможно, потому что ниже уровня земли температура относительно постоянна в любое время года, и земля может обеспечивать или поглощать большое количество тепла. Земные тепловые насосы работают так же, как воздушные тепловые насосы, но обмениваются теплом с землей через воду, прокачиваемую по трубам в земле. Тепловые насосы с наземным источником проще и, следовательно, более надежны, чем тепловые насосы с воздушным источником (ASHP), поскольку они не нуждаются в вентиляторах или системах размораживания и могут размещаться внутри. Хотя грунтовый теплообменник требует более высоких начальных капитальных затрат, годовые эксплуатационные расходы ниже, потому что хорошо спроектированные системы тепловых насосов с грунтовым источником работают более эффективно, поскольку зимой они начинают с более высокой температуры источника, чем воздух.

Установки теплового насоса могут быть установлены рядом с дополнительным традиционным источником тепла, таким как электрические нагреватели сопротивления или сжигание нефти или газа. Вспомогательный источник устанавливается для обеспечения пиковых тепловых нагрузок или в качестве резервной системы.

Приложения

В миллионах бытовых установок используются воздушные тепловые насосы.^[12] Они используются в климатических условиях с умеренными потребностями в отоплении и охлаждении помещений (HVAC), а также могут обеспечивать горячее водоснабжение.^[13] Расходы на покупку поддерживаются в разных странах скидками для потребителей.^[14]

Отопление, вентиляция, кондиционирование

В отопление, вентиляция, кондиционирование (HVAC) тепловой насос обычно парокомпрессионное охлаждение устройство, которое включает реверсивный клапан и оптимизированные теплообменники, так что направление тепловой поток (движение тепловой энергии) можно обратить. Реверсивный клапан переключает направление хладагента в цикле, поэтому тепловой насос может подавать в здание тепло или охлаждение. В более прохладном климате установка реверсивного клапана по умолчанию - 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. Таким образом, рейтинг SEER, который является Рейтинг сезонной энергоэффективности, реверсивного теплового насоса обычно немного меньше, чем две отдельно оптимизированные машины. Для оборудования получить Energy Star рейтинг, он должен иметь рейтинг не менее 14,5 SEER.^{[нужна цитата]}

Водяное отопление

В водяное отопление В приложениях 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.

Районное отопление

Тепловые насосы могут быть интегрированы в системы централизованного теплоснабжения, особенно если они работают при низких температурах.

Тепловые насосы также могут использоваться в качестве источника тепла для районное отопление. Возможные источники тепла для таких приложений: сточные воды вода, окружающая вода (например, морская, озерная и речная вода), промышленная отходящее тепло, геотермальная энергия, дымовые газы, отходящее тепло от централизованное охлаждение и тепло от накопление солнечного тепла. В Европе с 1980-х годов было установлено более 1500 МВт, из которых около 1000 МВт использовалось в Швеции в 2017 году.^[15]

Крупномасштабные тепловые насосы для централизованного теплоснабжения в сочетании с накопитель тепловой энергии предлагают высокую гибкость для интеграции переменных возобновляемых источников энергии. Поэтому они считаются ключевой технологией для интеллектуальных энергетических систем с высокой долей Возобновляемая энергия до 100% и передовые системы централизованного теплоснабжения 4-го поколения.^[15][16][17]

Они также являются важным элементом холодное центральное отопление системы.^[18]

Промышленное отопление

Существует большой потенциал для снижения потребления энергии и связанных с этим 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.^[19] Исследование показывает, что возможны короткие сроки окупаемости (менее 2 лет), может быть достигнуто значительное сокращение выбросов CO2 (в некоторых случаях более 50%).^[20][21]

Хладагенты

До 1990-х годов хладагенты часто были хлорфторуглероды (ХФУ), такие как R-12 (дихлордифторметан), один в классе из нескольких хладагентов, использующих торговую марку Фреон, торговая марка DuPont. Его производство сейчас запрещено или строго ограничено Монреальский протокол августа 1987 г. из-за повреждать что хлорфторуглероды вызывают озоновый слой если выпущен в атмосфера.^[22]

Одним из широко распространенных хладагентов на замену является гидрофторуглерод (HFC), известный как R-134a (1,1,1,2-тетрафторэтан). Замена тепловых насосов, использующих R-134a R-12 (дихлордифторметан) и имеют аналогичные термодинамические свойства, но с незначительными озоноразрушающая способность и несколько ниже потенциал глобального потепления.^[23] Другие вещества, например жидкий R-717. аммиак широко используются в крупномасштабных системах или иногда менее коррозионные, но более легковоспламеняющиеся пропан или же бутан, также можно использовать.^[24]

С 2001 г. углекислый газ, R-744, все чаще используется, используя транскритический цикл, хотя для этого требуется гораздо более высокое рабочее давление. В жилых и коммерческих помещениях гидрохлорфторуглерод (ГХФУ) R-22 все еще широко используется, однако ГФУ R-410A не разрушает озоновый слой и используется чаще; однако это мощный парниковый газ, который способствует изменению климата.^[25][26] Водород, гелий, азот или обычный воздух используется в Цикл Стирлинга, обеспечивая максимальное количество вариантов использования экологически чистых газов.

Более современные холодильники используют R600A который изобутан, не разрушает озон и менее вреден для окружающей среды.^[27] Диметиловый эфир (DME) также приобрел популярность как хладагент.^[28]

Поскольку совершенно аналогичным критериям должны соответствовать рабочие жидкости применительно к тепловым насосам, холодильным установкам и циклам ORC, несколько рабочих жидкостей применяются во всех этих технологиях и могут быть отнесены к одной и той же термодинамической классификации на основе формы их кривой насыщения.

Шум

Для геотермального теплового насоса не требуется наружный блок с движущимися механическими компонентами: внешний шум не создается.^{[нужна цитата]}

Для теплового насоса с воздушным источником требуется наружный блок, содержащий движущиеся механические компоненты, включая вентиляторы, которые производят шум. В 2013 г. Европейский комитет по стандартизации (CEN) начал работу над стандартами защиты от шумового загрязнения, создаваемого наружными блоками теплового насоса.^[29] Хотя в начале бизнес-плана CEN / TC 113 было сказано, что «потребители все больше нуждаются в низкой акустической мощности этих устройств, поскольку пользователи и их соседи теперь отвергают шумные установки», к январю не было разработано никаких стандартов для шумозащитных экранов или других средств защиты от шума. 2016 г.

В США допустимый уровень шума в ночное время суток был определен в 1974 г. как «средний 24-часовой предел воздействия, равный 55. Децибелы, взвешенные по шкале А (дБА) для защиты населения от всех неблагоприятных воздействий на здоровье и благополучие в жилых районах (US EPA 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.^[30] 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 одна особенность воздушные тепловые насосы (ASHP) внешние теплообменники - это их необходимость время от времени останавливать вентилятор 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.^[31][32]

Соображения производительности

При сравнении производительности тепловых насосов лучше избегать слова «эффективность», которое имеет очень конкретное термодинамическое определение. Период, термин коэффициент производительности (COP) используется для описания отношения полезного теплового движения к затраченной работе. В большинстве парокомпрессионных тепловых насосов для работы используются двигатели с электрическим приводом.

Согласно Агентство по охране окружающей среды США (EPA) геотермальные тепловые насосы могут снизить потребление энергии до 44% по сравнению с тепловыми насосами с воздушным источником и до 72% по сравнению с электрическим нагревом сопротивлением.^[33] КПД тепловых насосов колеблется от 3,2 до 4,5 для тепловых насосов с воздушным источником до 4,2-5,2 для тепловых насосов с наземным источником.^[34]

При использовании для отопления здания с наружной температурой, например, 10 ° C, типичная воздушный тепловой насос (ASHP) имеет COP от 3 до 4, тогда как электрический резистивный нагреватель имеет COP 1.0. То есть произвести один джоуль Для полезного тепла резистивному нагревателю требуется один джоуль электрической энергии, тогда как тепловому насосу в условиях, когда его коэффициент полезного действия составляет 3 или 4, потребуется всего 0,33 или 0,25 джоулей электрической энергии, причем разница берется из более прохладного места. Обратите внимание убывающая отдача: увеличение COP с 1 до 2 вдвое уменьшает требуемую энергию (экономия 50%), затем увеличение его с 2 до 3 экономит только (1/2 - 1/3) = 1/6 (17%) больше, начиная с 3 до 4 экономит на 8% больше и т. д. Повышение COP до высоких значений происходит по цене, которая быстро не стоит того.

Также обратите внимание, что тепловой насос с воздушным источником более эффективен в более жарком климате, чем в более прохладном, поэтому, когда погода намного теплее, агрегат будет работать с более высоким COP (поскольку он имеет меньший температурный интервал для перекрытия). Когда существует большая разница температур между горячим и холодным резервуарами, КПД ниже (хуже). В очень холодную погоду КПД снизится до 1,0.

С другой стороны, хорошо продуманный грунтовый тепловой насос (GSHP) системы выигрывают от умеренной температуры под землей, так как земля естественным образом действует как накопитель тепловой энергии.^{[нужна цитата]} Поэтому их круглогодичный COP обычно находится в диапазоне от 3,2 до 5,0.

Когда существует высокая разница температур (например, когда тепловой насос с воздушным источником тепла используется для обогрева дома с наружной температурой, скажем, 0 ° C (32 ° F)), требуется больше работы, чтобы переместить такое же количество тепла в помещении, чем в более мягкий день. В конечном итоге из-за Эффективность Карно ограничения, производительность теплового насоса будет снижаться по мере увеличения разницы между температурой наружного и внутреннего воздуха (наружная температура становится ниже), достигая теоретического предела 1,0 при абсолютный ноль (-273 ° С). На практике для тепловых насосов с воздушным источником обычно достигается КПД 1,0 при температуре наружного воздуха около –18 ° C (0 ° F).

Кроме того, поскольку тепловой насос забирает тепло из воздуха, некоторая влага из наружного воздуха может конденсироваться и, возможно, замерзать на наружном теплообменнике. Система должна периодически растапливать этот лед; это размораживание приводит к дополнительным расходам энергии (электричества). Когда на улице очень холодно, проще нагревать с помощью альтернативного источника тепла (например, электрического нагревателя сопротивления, масляной печи или газовой печи), чем запускать тепловой насос с воздушным источником тепла. Кроме того, отказ от использования теплового насоса в экстремально холодную погоду снижает износ компрессора машины.

Конструкция теплообменников испарителя и конденсатора также очень важна для общей эффективности теплового насоса. Площадь поверхности теплообмена и соответствующий перепад температур (между хладагентом и воздушным потоком) напрямую влияют на рабочее давление и, следовательно, на работу, которую должен выполнять компрессор, чтобы обеспечить такой же эффект нагрева или охлаждения. Как правило, чем больше теплообменник, тем ниже перепад температур и тем эффективнее становится система.

Теплообменники дороги, требуют сверления некоторых типов тепловых насосов или больших помещений, чтобы быть эффективными, и промышленность тепловых насосов обычно конкурирует по цене, а не по эффективности. Тепловые насосы уже находятся в более низкой цене, когда речь идет о начальных инвестициях (а не о долгосрочной экономии) по сравнению с традиционными решениями в области отопления, такими как бойлеры, поэтому стремление к более эффективным тепловым насосам и кондиционерам воздуха часто обусловлено законодательными мерами по минимальным стандартам эффективности. . Тарифы на электроэнергию также будут влиять на привлекательность тепловых насосов.^[35]

В режиме охлаждения рабочие характеристики теплового насоса описываются в США как его коэффициент энергоэффективности (EER) или коэффициент сезонной энергоэффективности (SEER), и обе меры имеют единицы БТЕ / (ч · Вт) (1 БТЕ / (ч · Вт) = 0,293 Вт / Вт). Большее число EER указывает на лучшую производительность. В документации производителя должны быть указаны как COP для описания производительности в режиме нагрева, так и EER или SEER для описания производительности в режиме охлаждения. Однако фактическая производительность варьируется и зависит от многих факторов, таких как детали установки, разница температур, высота площадки и техническое обслуживание.

Как и в случае с любым другим оборудованием, в котором теплообменники используются для передачи тепла между воздухом и жидкостью, важно, чтобы змеевики конденсатора и испарителя содержались в чистоте. Если на змеевиках накапливаться отложения пыли и другого мусора, эффективность устройства (как в режиме нагрева, так и в режиме охлаждения) снизится.

Тепловые насосы больше эффективный для обогрева, чем для охлаждения внутреннего пространства, если разница температур сохраняется. Это связано с тем, что входная энергия компрессора также преобразуется в полезное тепло в режиме нагрева и выводится вместе с переносимым теплом через конденсатор во внутреннее пространство. Но для охлаждения конденсатор обычно находится на открытом воздухе, и рассеиваемая работа компрессора (отходящее тепло) также должна переноситься на улицу с использованием большего количества входящей энергии, а не использоваться для полезной цели. По той же причине открытие холодильника или морозильника для пищевых продуктов приводит к нагреву помещения, а не к его охлаждению, поскольку его цикл охлаждения отводит тепло в воздух в помещении. Это тепло включает в себя рассеиваемую работу компрессора, а также тепло, отводимое изнутри устройства.

COP для теплового насоса в системе отопления или охлаждения в установившемся режиме составляет:

${ displaystyle COP _ { text {heating}} = { frac { Delta Q _ { text {hot}}} { Delta A}} leq { frac {T _ { text {hot}}} {T_ { text {hot}} - T _ { text {cool}}}},}$

${ displaystyle COP _ { text {охлаждение}} = { frac { Delta Q _ { text {cool}}} { Delta A}} leq { frac {T _ { text {cool}}} {T_ { text {hot}} - T _ { text {cool}}}},}$

куда

• ${ displaystyle Delta Q _ { text {круто}}}$ количество тепла, извлеченного из холодного резервуара при температуре ${ displaystyle T _ { text {cool}}}$,
• ${ displaystyle Delta Q _ { text {hot}}}$ количество тепла, переданного горячему резервуару при температуре ${ displaystyle T _ { text {hot}}}$,
• ${ displaystyle Delta A}$ - рассеиваемая работа компрессора.
• Все температуры являются абсолютными температурами, обычно измеряемыми в кельвины или степени Ренкин.

Коэффициент полезного действия и подъемная сила

В коэффициент производительности (COP) увеличивается по мере уменьшения разницы температур или «подъема» между источником тепла и местом назначения. СОР можно максимизировать во время проектирования, выбрав систему отопления, требующую только низкой конечной температуры воды (например, теплый пол), и выбрав источник тепла с высокой средней температурой (например, грунт). Для горячего водоснабжения (ГВС) и обычных радиаторов отопления требуется высокая температура воды, что снижает достижимый КПД и влияет на выбор технологии теплового насоса.^{[нужна цитата]}

Одно наблюдение заключается в том, что, хотя нынешние тепловые насосы "передовой практики" (наземные системы, работающие при температуре от 0 ° C до 35 ° C) имеют типичный КПД около 4, не лучше 5, максимально достижимый показатель составляет 8,8 из-за фундаментальных Цикл Карно пределы. Это означает, что в ближайшие десятилетия энергоэффективность топовых тепловых насосов может примерно удвоиться.^{[нужна цитата]} Повышение эффективности требует разработки лучшего газовый компрессор, оснащение машин HVAC большими теплообменниками с более медленными потоками газа, а также решение внутренних смазка проблемы, возникающие из-за более медленного потока газа.

В зависимости от рабочего тела может иметь значение также стадия расширения. Работа, выполняемая расширяющейся жидкостью, охлаждает ее и может заменить часть входящей энергии. (Испаряющаяся жидкость охлаждается за счет свободного расширения через небольшое отверстие, а идеальный газ - нет.)

Типы

Два основных типа тепловых насосов: сжатие и абсорбция. Компрессионные тепловые насосы работают на механической энергии (обычно приводимой в действие электричеством), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также работать на тепле в качестве источника энергии (от электричества или сжигаемого топлива).^[39][40] Абсорбционный тепловой насос может питаться от натуральный газ или же Сжиженный газ, Например. В то время как эффективность использования газа в таком устройстве, которая представляет собой отношение подаваемой энергии к потребляемой, может составлять в среднем всего 1,5, что лучше, чем в печи на природном газе или сжиженном газе, которая может приближаться только к 1. Теплота поглощения газа насосы работают как высокоэффективные решения для отопления с низкими требованиями и могут использоваться с традиционными котлы для снижения выбросов и экономичности.

Источники тепла и раковины

По определению, все источники тепла для теплового насоса должны иметь более низкую температуру, чем обогреваемое пространство. Чаще всего тепловые насосы получают тепло из воздуха (наружный или внутренний воздух) или из земли (грунтовые воды или же почва).^[41]

Тепло, получаемое из наземных систем, в большинстве случаев является накопленным солнечным теплом, и его не следует путать с прямым. геотермальное отопление, хотя последний в некоторой степени будет способствовать накоплению тепла в земле. Истинное геотермальное тепло, когда оно используется для отопления, требует циркуляционного насоса, но не теплового насоса, поскольку для этой технологии температура грунта выше, чем температура отапливаемого помещения, поэтому технология полагается только на простые тепловая конвекция.

Другие источники тепла для тепловых насосов включают воду; использовались близлежащие ручьи и другие природные водоемы, а иногда и бытовые сточные воды (через рекуперация тепла дренажной воды), которая часто бывает теплее, чем холодная зимняя температура окружающей среды (хотя и ниже, чем температура в отапливаемом помещении).

Ряд источников был использован в качестве источника тепла для отопления частных и коммунальных зданий.^[42]

Тепловой насос с воздушным источником

• Тепловой насос с воздушным источником (извлекает тепло из наружного воздуха)
  • Тепловой насос воздух-воздух (передает тепло внутреннему воздуху)
  • Тепловой насос воздух-вода (передает тепло в контур отопления и резервуар горячей воды для бытового потребления)

Тепловые насосы «воздух-воздух», которые отбирают тепло из внешнего воздуха и передают это тепло внутреннему воздуху, являются наиболее распространенным типом тепловых насосов и самыми дешевыми. Они похожи на Кондиционеры работает в обратном направлении. Air-water heat pumps are otherwise similar to air-air heat pumps, but they transfer the extracted heat into a water heating circuit, floor heating being the most efficient, and they can also transfer heat into a domestic hot water tank for use in showers and hot water taps of the building. However, ground-water heat pumps are more efficient than air-water heat pumps, and therefore they are often the better choice for providing heat for the floor heating and domestic hot water systems.

Air source heat pumps are relatively easy and inexpensive to install and have therefore historically been the most widely used heat pump type. However, they suffer limitations due to their use of the outside air as a heat source. The higher temperature differential during periods of extreme cold leads to declining efficiency. In mild weather, COP may be around 4.0, while at temperatures below around 0 °C (32 °F) an air-source heat pump may still achieve a COP of 2.5. The average COP over seasonal variation is typically 2.5-2.8, with exceptional models able to exceed this in mild climates.

The heating output of low temperature optimized heat pumps (and hence their energy efficiency) still declines dramatically as the temperature drops, but the threshold at which the decline starts is lower than conventional pumps, as shown in the following table (temperatures are approximate and may vary by manufacturer and model):

Ground-source heat pump

• Ground source heat pump (extracts heat from the ground or similar sources)
  • Ground–air heat pump (transfers heat to inside air)
    • Soil–air heat pump (soil as a source of heat)
    • Rock–air heat pump (rock as a source of heat)
    • Water–air heat pump (body of water as a source of heat, can be грунтовые воды, озеро, река etc.)
  • Ground–water heat pump (transfers heat to a heating circuit and a tank of domestic hot water)
    • Soil–water heat pump (ground as a source of heat)
    • Rock–water heat pump (rock as a source of heat)
    • Water–water heat pump (body of water as a source of heat)

Ground-source heat pumps, also called geothermal heat pumps, typically have higher efficiencies than air-source heat pumps. This is because they draw heat from the ground or грунтовые воды which is at a relatively constant temperature all year round below a depth of about 30 feet (9 m).^[43] This means that the temperature differential is lower, leading to higher efficiency. Well maintained ground-source heat pumps typically have COPs of 4.0^[44] at the beginning of the heating season, with lower seasonal COPs of around 3.0 as heat is drawn from the ground. The tradeoff for this improved performance is that a ground-source heat pump is more expensive to install, due to the need for the drilling of boreholes for vertical placement of heat exchanger piping or the digging of trenches for horizontal placement of the piping that carries the heat exchange fluid (water with a little antifreeze).

When compared, groundwater heat pumps are generally more efficient than heat pumps using heat from the soil. Closed loop soil or ground heat exchangers tend to accumulate cold if the ground loop is undersized. This can be a significant problem if nearby ground water is stagnant or the soil lacks thermal conductivity, and the overall system has been designed to be just big enough to handle a "typical worst case" cold spell, or is simply undersized for the load.^[45] One way to fix cold accumulation in the ground heat exchanger loop is to use ground water to cool the floors of the building on hot days, thereby transferring heat from the dwelling into the ground loop. There are several other methods for replenishing a low temperature ground loop; one way is to make large solar collectors, for instance by putting plastic pipes just under the roof, or by putting coils of black polyethylene pipes under glass on the roof, or by piping the tarmac of the parking lot. A further solution is to ensure ground collector arrays are correctly sized, by ensuring soil thermal properties and thermal conductivity are correctly measured and integrated into the design.^{[нужна цитата]}

Exhaust air heat pump

• Exhaust air heat pump (extracts heat from the exhaust air of a building, requires mechanical ventilation)
  • Exhaust air-air heat pump (transfers heat to intake air)
  • Exhaust air-water heat pump (transfers heat to a heating circuit and a tank of domestic hot water)

Water source heat pump

• Uses flowing water as source or sink for heat
• Single-pass vs. recirculation
  • Single-pass — water source is a body of water or a stream, and utilized water is rejected at a different temperature without further use
  • Recirculation
    • When cooling, closed-loop heat transfer medium to central cooling tower или же chiller (typically in a building or industrial setting)
    • When heating, closed-loop heat transfer medium from central boilers generating heat from combustion or other sources

• 

  Heat pump coils ready for immersion

• 

  Coils being immersed in pond

Hybrid heat pump

Hybrid (or twin source) heat pumps: when outdoor air is above 4 to 8 Celsius, (40-50 Fahrenheit, depending on ground water temperature) they use air; when air is colder, they use the ground source. These twin source systems can also store summer heat, by running ground source water through the air exchanger or through the building heater-exchanger, even when the heat pump itself is not running. This has dual advantage: it functions as a low running cost for air cooling, and (if ground water is relatively stagnant) it cranks up the temperature of the ground source, which improves the energy efficiency of the heat pump system by roughly 4% for each degree in temperature rise of the ground source.

Air/water-brine/water heat pump (hybrid heat pump)

Эта секция не цитировать любой источники. Пожалуйста помоги улучшить этот раздел к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удаленный. (Апрель 2014 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

The air/water-brine/water heat pump is a hybrid heat pump, developed in Rostock, Germany, that uses only renewable energy sources. Unlike other hybrid systems, which usually combine both conventional and renewable energy sources, it combines air and geothermal heat in one compact device. The air/water-brine/water heat pump has two evaporators — an outside air evaporator and a brine evaporator — both connected to the heat pump cycle. This allows use of the most economical heating source for the current external conditions (for example, air temperature). The unit automatically selects the most efficient operating mode — air or geothermal heat, or both together. The process is controlled by a control unit, which processes the large amounts of data delivered by the complex heating system.

The control unit comprises two controllers, one for the air heat cycle and one for the geothermal circulation, in one device. All components communicate over a common bus to ensure they interact to enhance the efficiency of the hybrid heating system. The German Patent and Trade Mark Office in Munich granted the air/water-brine/water heat pump a patent in 2008, under the title “Heat pump and method for controlling the source inlet temperature to the heat pump”. This hybrid heat pump can be combined with a solar thermal system or with an ice-storage. It trades and is marketed under the name ThermSelect. In the United Kingdom, ThermSelect won the 2013 Commercial Heating Product of the Year award of the HVR Awards for Excellence, organised by Heating and Ventilating Review, an industry magazine.

Solar-assisted heat pump

A solar-assisted heat pump is a machine that represents the integration of a heat pump and thermal solar panels in a single integrated system. Typically these two technologies are used separately (or only placing them in parallel) to produce hot water.^[46] In this system the solar thermal panel performs the function of the low temperature heat source and the heat produced is used to feed the heat pump's evaporator.^[47] The goal of this system is to get high COP and then produce energy in a more efficient and less expensive way.

Solid state heat pumps

Магнитный

In 1881, the German physicist Emil Warburg found that a block of iron into a strong magnetic field is at a slightly increased temperature than outside the magnetic field. Gadolinium and its alloys exhibit the strongest effect currently known, up to 5 °C (9 °F). This can be theoretically used for heat pumping through the following cycle: move gadolinium to the place to heat, expose it to magnetic field (this generates heat) ; move the gadolinium to the place to cool, unexposed to magnetic field (the gadolinium gets colder and absorbs heat). Some claim of commercial ventures to implement this technology have been made, based on claim of energy consumption cut compared to current domestic refrigerators,^[48] but still didn't make it.

Thermoelectric

Solid state heat pumps using the thermoelectric effect have improved over time to the point where they are useful for certain refrigeration tasks. Thermoelectric (Peltier) heat pumps are generally only around 10-15% as efficient as the ideal refrigerator (Carnot cycle), compared with 40–60% achieved by conventional compression cycle systems (reverse Rankine systems using compression/expansion);^[49] however, this area of technology is currently the subject of active research in materials science.This is popular for thermoelectric coolers, where the low efficiency is not much of a problem, while being lightweight, cheap, and endurant are valuable qualities. It also has a "long lifetime" as there are no moving parts, and it does not use potentially hazardous refrigerants.

Thermoacoustic

Near-solid-state heat pumps using thermoacoustics are commonly used in cryogenic laboratories.^{[нужна цитата][50]}

Government incentives

Соединенные Штаты

Alternative Energy Credits in Massachusetts

The Alternative Energy Portfolio Standard (APS) was developed in 2008 to require a certain percentage of the Massachusetts electricity supply to be sourced from specific alternative energy sources.^[51] In October 2017, the Massachusetts Department of Energy (DOER) drafted regulations, pursuant to Chapter 251 of the Acts of 2014 and Chapter 188 of the Acts of 2016, that added renewable thermal, fuel cells, and waste-to-energy thermal to the APS.^[51]

Alternative Energy Credits (AECs) are issued as an incentive to the owners of eligible renewable thermal energy facilities, at a rate of one credit per every megawatt-hour equivalent (MWhe) of thermal energy generated. Retail electricity suppliers may purchase these credits to meet APS compliance standards. The APS expands the current renewable mandates to a broader spectrum of participants, as the state continues to expand its portfolio of alternative energy sources.

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

Викискладе есть медиафайлы по теме Heat pumps.

• Heat pump (engineering) на Британская энциклопедия
• Practical information on setting up geothermal heat pump systems at home
• IEA Technology Collaboration Programme on Heat Pumping Technologies