КПД теплового насоса


Тепловой насос – любая холодильная машина, осуществляющая передачу теплоты нагреваемой системе за счет использования источников теплоты с низкой температурой (воздух, вода естественных и искусственных водоемов, грунт).

КПД теплового насоса

1 – водоем, 2 – насос,

3 – испаритель,

4 – компрессор,

5 – система отопления,

6 – конденсатор,

7 – вентиль

Вода из водоема 1 насосом 2 подается в испаритель 3. Испарение холодильного агента, проходящего через испаритель, осуществляется за счет низкопотенциальной теплоты, получаемой от холодной воды, поступающей из водоема. Хладагент поступает из испарителя в компрессор 4, далее – в конденсатор 6, где отдает часть своей теплоты воде системы отопления 5. Хладагент, проходя через вентиль 7, дросселируется, давление и температура хладагента снижаются, затем он вновь поступает в испаритель 3, и цикл замыкается.


Основная характеристика теплового насоса – отопительный коэффициент, равный отношению теплоты, сообщенной в обратном термодинамическом цикле нагреваемой системе, к работе, затраченной в этом цикле: εот = q1 / lц. . Так как q1 = q2 + lц , то εот = (q2 + lц) / lц = χ+1.

62. Состав топлива

Топливом называется любое вещество, которое при сгорании (окислении) выделяется значительное количество теплоты на единицу массы или объёма и доступно для массового использования. В качестве топливо применяют природные и производные органические соединения в твердом, жидком и газообразном состояниях. Любое органическое топливо состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, летучей серы, а твердые и жидкие топлива — из золы (минеральные остатки) и влаги. Топливо в том виде, в каком оно подается в топку котель­ного агрегата и сгорает, называется рабочим.


Элементарный состав рабочего топлива характеризуется со­держанием следующих элементов:

+++++++=100%.

Индекс «р» при элементах топлива указывает на то, что это уравнение относится к «рабочему топливу». Важнейшими горючими элементами топлива являются угле­род С и водород Н. Так, при сгорании 1 кг углерода выделяется 33,7 МДж теплоты, а при сгорании 1 кг водорода— 120 МДж. Сера при сгорании также выделяет теплоту (9 МДж/кг), но это нежелательный горючий элемент котельного топлива. При горе­нии летучей серы образуется сернистый газ S02, который вызы­вает коррозию металла труб котельного агрегата и, попадая с уходящими газами в атмосферу, загрязняет окружающую среду.

В связанном состоянии почти в любом топливе находятся не­горючие элементы — кислород О и азот N, образующие внутрен­ний балласт. Наличие этих элементов уменьшает тепловыделе­ние на единицу массы топлива. Зола А и влага W— нежелательные примеси, составляющие внешний балласт топлива. Содержание золы и влаги в топливе определяется главным образом внешними факторами — спосо­бом добычи, хранением, доставкой и т. д. Наличие золы и влаги уменьшает количество выделяемой теплоты при сгорании 1 кг топлива. Кроме того, часть теплоты бесполезно теряется, так как расходуется на нагревание золы и шлака, которые в нагретом состоянии удаляются из котельного агрегата; теплота также расходуется на испарение влаги, содержащейся в топливе. Зола ускоряет износ оборудования, загрязняет поверхности нагрева и газоходы, уменьшает коэффициент теплоотдачи, требует установки специальных устройств золоудаления и золоулавливание. Влага ухудшает процесс воспламенения топлива; за счет водяных паров возрастает количество уходящих газов, вследствие чего увеличивается расход электроэнергии на работу дымососов.

Обратите внимание!

Топливо, освобожденное от влаги, называется сухой массой. Элементарный состав топлив определяется специальными лабораторными методами.

Виды тепловых насосов

Принцип работы тепловых насосов одинаковый, но они отличаются по двум параметрам – откуда берут тепло и куда отдают. По отбору тепла они делятся на три типа:

  1. Грунтовые (геотермальные);
  2. Водяные;
  3. Воздушные.

Нагревают они воздух или воду. Поэтому есть такие виды тепловых насосов:

  • Воздух-воздух;
  • Воздух-вода;
  • Вода-воздух;
  • Вода-вода;
  • Грунт-воздух;
  • Грунт-вода.

Цикл теплового насоса простыми словами

Схема работы тепловых насосов
Упрощенная схема принципа работы теплового насоса

Тепловой насос не производит тепло как конвектор или котел. Он переносит его из одной среды в другую. Поэтому КПД теплового насоса для отопления и ГВС выше 100%. Это значит, что на 1 кВт электроэнергии он выдаст больше 1 кВт тепла.


Это не нарушает принцип сохранения энергии, так как тепловой насос – не замкнутая система. Он потребляет один вид энергии и переносит другой.

По строению тепловые насосы бывают разными, каждый производитель использует свои ноу-хау, у каждой их марки есть свои плюсы и минусы. Поэтому подробнее про рабочий цикл агрегата можно прочитать в статье про принцип работы теплового насоса.

Зависимость КПД от температуры нагрева

По общепринятым стандартам для отопления дома с помощью радиаторов и горячего водоснабжения нужна вода температурой 50-55 градусов. А вот для отопления теплыми полами – с температурой 30-35 градусов.

Обычно вода в дом поступает с температурой до +5 градусов, поэтому для ее подогрева до разных температур нужен разный объем тепловой энергии. И от этой разницы зависит КПД теплового насоса.

В статье указаны коэффициенты для нагрева воды на 50 градусов. Если нужно просчитать этот уровень для подогрева воды на 30 градусов, КПД теплового насоса стоит умножить на 1,5.

Укладка труб водяного теплого пола
Для теплого пола входящую в дом воду достаточно нагреть на 30 градусов, чтобы обеспечить мягкое отопление.

КПД теплового насоса грунт-вода и грунт-воздух


Реальный КПД грунтового теплонасоса лежит в пределах 400-800%, но бывают и редкие исключения. Высоких показателей эффективности можно достичь если почва получает тепло от солнечного света и в ней уложено геотермальное поле, а не пробурены скважины.

В случае со скважинным тепловым насосом, чем больше расстояние между ними, тем выше КПД. Разница в этом случае составит 50-100% от номинального значения.

Особенностью геотермальных тепловых насосов есть то, что они находятся в неподвижной среде. Если неправильно рассчитана мощность теплового насоса, количество скважин или площадь и глубина геотермального поля, произойдет следующее. Земля начнет промерзать и не успевать получать тепло, из-за чего КПД грунтового теплонасоса будет неуклонно падать и со временем опустится ниже 100%.

Схематическое подключение грунтового теплового насоса
Так как магистраль находится в земле неподвижно, грунтовый тепловой насос может выморозить почву

КПД теплового насоса воздух-воздух и воздух-вода


КПД этого типа тепловых насосов сильно зависит от того, какова температура воздуха снаружи. К тому же, есть модели рассчитанные на работу при экстремально низких температурах. Например, низкотемпературный воздушный теплонасос, рассчитанный на отопление бассейна, дает КПД 230% при температуре -15 градусов Цельсия. Самые дешевые варианты будут иметь такой же КПД только при +5 — +10 градусов тепла.

Принцип работы теплового насоса воздух-воздух не очень отличается от устройства типа воздух-вода. Поэтому приведенные ниже значения можно использовать для обоих типов. КПД теплового насоса воздух-воздух среднего класса можно увидеть по этому графику:

График зависимости КПД воздушного теплового насоса от температуры воздуха и нагрева воды
На графике видна зависимость КПД теплового насоса воздух-вода в зависимости от температуры наружного воздуха и температуры нагрева воды

КПД теплового насоса в морозы

Есть мнение, что КПД теплового насоса в морозы снижается, но это не совсем так. Дело в том, что напрямую эффективность теплонасоса зависит от его типа и среды:


  • Грунтовые тепловые насосы не меняют свой КПД так как температура почвы на глубине не изменяется.
  • Водяные теряют КПД ближе к весне, так как вода в водоеме постепенно остывает.
  • Воздушные тепловые насосы напрямую зависят от температуры воздуха, их КПД зависит от текущих условий.

Реальные значения КПД

В большинстве своем производители и дилеры тепловых насосов завышают показатели. КПД теплового насоса для отопления дома может отличаться в полтора раза (хотя такая разница и редкость). При выборе стоит учитывать, насколько проверенный перед вами производитель и тщательно изучать документацию.

Хоть принцип работы тепловых насосов примерно один и тот же, внутренне строение у них разное. Теплонасос может быть двухконтурным или одноконтурным, с разными типами компрессоров, использовать разный теплоноситель и т.д.

Мощность теплового насоса обычно определяет количество тепла, которое он может выдавать за определенный промежуток времени. Но у самых мощных моделей часто КПД выше, чем у аналогов. Разница не слишком велика, но иногда она важна.


Например, мощный воздушный тепловой насос сможет давать тепло с КПД 200% при -20 градусов, а аналогичный по строению, но менее мощный, при такой температуре даст только КПД 150%.

В этой статье мы рассказали, каковы ральный КПД и эффективность теплового насоса в зависимости от его типа. Вопросы, мнения, нарекания вы можете оставить в комментариях. Мы стараемся реагировать на них оперативно Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!

Теория тепловых насосов

Если сравнивать принципы работы геотермальной энергетики с другими способами генерирования электрической или тепловой энергии, то следует заметить, что ветроэнергетика, солнечная энергетика и энергия биотоплива занимаются именно генерированием энергии от внешних источников. В случае с геотермальной энергетикой тепло или электрическая энергия не генерируется а «переносится» в виде тепла из одной системы в другую. В этом ее уникальность. Зачем тратить силы на добычу энергоресурсов, их отгрузку, транспортировку …? Все что необходимо для создания тепла — у нас под носом, а если быть совершенно точным, то — под ногами. Грунт на определенной глубине (обычно от 2-х метров) всегда имеет положительную температуру и часто эта температура выше, чем температура на поверхности.


ерен, что многие из нас не раз наблюдали утром за ремонтом дороги или водопровода, когда из вырытой ямы поднимается пар. Всего-навсего каких-то несколько метров и уже относительно значительный перепад температур. Пользуясь технологическими решениями, это тепло недр земли можно перенести в свой дом для отопления пола, стен или … нагрева воды или охлаждения воздуха. Такое технологическое решение назвали тепловым насосом, и принцип его работы схож с принципом работы любимого кухонного аппарата — холодильника.

Как и тепловой насос, холодильник забирает тепло из одной системы (холодильная камера) и переносит его в другую систему (помещение), нагревая радиаторы на тыльной стороне своего корпуса. Отличие лишь в том, что холодильник забирает тепло из камеры и отдает это тепло в окружающую среду. В случае с тепловым насосом все наоборот — он забирает тепло из окружающей среды и переносит в помещение (к объекту).

В землю зарывают контур (внешний контур), он представляет собой замкнутую систему полиэтиленовых труб, по которым циркулирует теплоноситель. Для эффективной работы теплового насоса необходимо, чтобы точка замерзания теплового носителя была ниже нуля, поэтому теплоносителем служить смесь воды с антифризом. Теплоноситель, который перекачивается насосом по трубам, нагревается на несколько градусов за счет тепла грунта. Далее теплоноситель нагретым попадает в теплообменник, в нашем случае теплообменник испарителя. По внутреннему контуру циркулирует хладагент с низкой температурой кипения.


мпературы теплоносителя полностью хватит для того, чтобы хладагент закипел и превратился в пар, забрав при этом тепло от теплоносителя. После этого газообразный хладагент закачивается компрессором, где он сжимается и его температура повышается. Далее сжатый хладагент попадает в конденсатор, где и происходит отдача тепла теплоносителю, который циркулирует по контуру отапливаемого объекта. Следовательно, остуженный хладагент в жидком состоянии возвращается обратно в испаритель, где его нагревает теплоноситель из внешнего контура.

Если говорить об эффективности такого альтернативного решения как тепловой насос, следует выяснить его коэффициент полезности. В Интернете случаются статьи, в которых автор утверждает, что тепловой насос имеет КПД больше чем 100%, а именно 300-400%, то есть, тепловой насос — вечный двигатель. Но, как известно из школьного курса физики, это невозможно. Во-первых, потому что тепловой насос не берет энергию из ниоткуда, он берет ее с объекта, масса и размеры которого намного больше, чем отапливаемый объект. Во-вторых, для целой системы, которой является тепловой насос, правильным будет использовать понятие коэффициент передачи тепла (КПТ), а не КПД. Действительно, потратив определенное количество электроэнергии из сети на личные нужды, насос в виде тепла принесет в 3-6 раз больше с внешнего источника (почва, вода, воздух), но эта энергия взята из объекта, который находится в одной системе с отапливаемым объектом, что не позволяет такое отношение назвать КПД.

Несколько фактов о тепловом насосе:
1. В США ежегодно производится около 1 млн. тепловых насосов.
2. В Японии ежегодно производится около 3 млн. тепловых насосов.
3. В Швеции 50% всего отопления обеспечивается тепловыми насосами. 12% всего отопления Стокгольма обеспечивают ТН общей мощностью 320 МВт, использующие в качестве источника тепла Балтийское море со среднегодовой температурой около восьми градусов Цельсия.
4. В 2001 г. в Швейцарии в каждой третьей новостройке устанавливались ТН (сведений за другие года нет). На каждые два квадратных километра территории Швейцарии (включая леса, горы и водоемы) установлен один ТН.
5. В резиденции экс-президента США Джорджа Буша в Техасе с 2001 года установлен геотермальный тепловой насос, что позволяет уменьшить расходы на отопление и кондиционирование на 75%.
6. «Королева бурит скважину для отопления дворца» — сообщила лондонская газета Таймс 21.08.2005 о планах строительства ТН для отопления Букингемского дворца.
7. Сэр Элтон Джон в ноябре 2003 года установил тепловой насос для отопления личного особняка (Виндзор, Великобритания).
8. По прогнозам Мирового Энергетического Комитета в 2020 году в мире доля тепловых насосов в теплоснабжении составит 75%.

От чего зависит эффективность теплового насоса?

Вы уже построили или собираетесь построить добротный, красивый, хорошо утеплённый  дом. Но бесконечно утеплять дом нельзя, в этом случае придётся поступиться  площадью остекления ,  формой дома и его архитектурой, ведь ни кто не захочет жить в прямоугольном термосе без окон и дверей, следовательно, в нашем климате придётся мириться с расходами на отопление.

При этом каждый хозяин желает решить вопрос с отоплением с наименьшими будущими эксплуатационными расходами.

В этой статье мы расскажем от чего главным образом зависит производительность или эффективность отопительной системы на основе теплового насоса.

Если посмотреть на  множество рекламных проспектов производителей тепловых насосов, то можно заметить, что цены разнятся очень сильно, технические характеристики приблизительно похожи.   Что бы понять в чём дело,  достаточно взглянуть на список производителей компрессоров, который состоит буквально из десятка хорошо известных имен, и список производителей тепловых насосов, который не ограничивается  сотней другой компаний,   использующих эти компрессоры.
Не спешите верить рекламным роликам , в конечном итоге, система отопления вашего дома, построенная на базе якобы очень дорого теплового насоса,  может на  поверку  иметь самые заурядные характеристики производительности, от чего в конечном счёте зависит срок окупаемости  и суммы счетов за электричество.

И дело здесь не только в тепловом насосе, а в том на сколько грамотно сделана вся отопительная система в целом.  Избегая сложных физических формул и расчётов, попробуем на простых примерах разобраться, от чего в основном зависит эффективность  отопительной системы на основе теплового насоса.

Заплатив не малые деньги за монтаж, нас как потребителей, в первую очередь интересует вопрос сколько мы получим тепловой энергии заплатив за 1кВт*час электрической. Это отношение называется — коэффициент производительности теплового насоса, сокращённо КоП,  от английского COP- (coefficient of performance)

И так, СОР (коп) теплового насоса — Это отношение  тепловой мощности заведённой в дом к затраченной электроэнергии на работу компрессора, автоматики и циркуляционных насосов.

Каждый производитель тепловых насосов прилагает полную техническую документацию, в которой перечислены всевозможные режимы эксплуатации агрегата и зависимости СОР от температур источника тепла и выдаваемой температуры теплоносителя в нагрузку: батареи, тепловые панели, тёплые полы.

Мы не будем здесь приводить эти огромные таблицы, лишь заметим, что производительность теплового насоса растёт с уменьшением разницы температур между источником тепла и его потребителем. 

 Если провести аналогию с обычным дренажным водяным насосом, то чем меньше высота ямы из которой выкачивается вода, тем сильнее напор и тем больше воды перекачивается в единицу времени. Так же и для теплового насоса, чем меньше разница между температурой источника и температурой в отопительной системе, тем большую мощность развивает тепловой насос, тем больше тепла перекачивается в еденицу времени, тем выше СОР.

Например:

Тепловой насос имеет COP =5.03 при температуре теплоносителя из земли +4С и подаче в тёплые полы +35С. Однако при той же температуре  из земли , а подаче в Тёплые полы или радиаторы +50С его СОР будет только 3.20!! 

  Обратите внимание! 

В первом случае на 1 кВт электроэнергии мы забираем из земли 4,03 кВт тепла, а во втором только 2,20кВт, разница составляет почти в 2 раза!!!

Мы конечно можем отвоевать пару градусов у низкопотенциального тепла земли, сделав геотермальный контур ещё мощнее, но можем проиграть 15-20 градусов, подключив в качестве нагрузки, например, радиаторы с рабочей температурой +50 градусов и выше,  вместо тёплых полов для работы которых достаточно +33.

Для современных , хорошо утеплённых домов , можно добиться эффективной компенсации тепловых потерь дома уже при +28+30 градусах, если  Тёплые полы тщательно просчитаны и сделаны.

Вероятно, что для  монтажа более качественных полов потребуются и большие начальные единовременные затраты.

Например: использовать чуть больше коллекторов, но при этом получить все петли теплых полов длинной не более 40-50м, положить  металлопласт 20-го диаметра вместо 16-го, или уменьшить шаг труб с 20см до 10см. Использовать дорогой, но более эффективный пластификатор для стяжки, теплопроводную подложку под паркет или ламинат.

Тем не менее, эти дополнительные затраты единовременны, и с лихвой окупятся в будущем.

Точно также на общую эффективность отопительной системы будет влиять качество геотермального контура.

Например: увеличение длинны контура на 20% приводит к увеличению температуры из земли на 1 градус, что в конечном итоге приведёт к увеличению СОР на 5-10%.

Существенного увеличения производительности Теплового Насоса на 30-50% можно добиться, если увеличить  температуру из Геотермального контура до +15 градусов. Например, закачивая в него летом тепло из Солнечных водонагревателей или систем кондиционирования.

Если вы уже выбрали способ обогрева с помощью Теплового Насоса, то обратите внимание на приведённые примеры, это поможет избежать случаев, когда в целом вся отопительная система с использованием даже самого дорого и производительного импортного теплового насоса, работает не эффективно или вообще не справляется с тепловыми потерями дома в холода.

Основные ошибки при подключении теплового насоса не квалифицированными специалистами.

  •   Отсутствие правильного расчёта гидросопротивления контура нагрузки или источника, и в частности гидропотерь на диаметрах труб, учитывая заужения на фитингах, фильтрах, углах, кранах, клапанах. Это приводит к увеличению Дельты Т (разница между выходной и входной темп.) с требуемых 3 — 5 градусов до 7-15градусов, что существенно снижает производительность всей отопительной системы.
  •   При использовании радиаторного отопления с тепловым насосом, количество радиаторов не достаточно увеличено. Что требует температуру подачи теплоносителя более +45С. Максимальный теплосъём не должен превышать 50 Вт на секцию высотой 500мм.
  •  Неправильный подбор Термостатических головок для коллекторов тёплых полов, которые должны быть с большим проходным сечением. Например, Данфосс для однотрубных систем.
  •  Неправильная укладка петель теплых полов. Максимальная длина одного контура, для труб диаметром 16мм, не должна превышать 50м, а для труб диаметром 20мм, 70м.
  • Разводка всех петель теплых полов из одной точки (из одного коллектора) по всем комнатам  на одном этаже.
  •  Не правильная схема соединения зондов Геотермального контура.Например, все зонды в параллель.
  • Не правильная установка зондов в скважину. Например, трубы одного зонда рядом друг к другу, что приводит к паразитному теплообмену в верхних частях зонда, при этом эффективная длина теплосъема снижается до 75% от длинны зонда.
  • Использование одной глубокой скважины, что убивает живучесть отопительной системы на базе теплового насоса. В случае повреждения скважины зимой, восстановление работоспособности системы становится крайне затруднительным.
  • Использование скважин глубиной более 15м. Температура на глубинах более 15м не успевает восстанавливаться к следующему отопительному сезону. (на широтах севернее Воронежа в РФ.)
  • Дельта температур Циркуляции по Геотермальному контуру не должна быть больше 5С градусов
  • Использование густого, не разбавленного до расчетного значения, теплоносителя, что приводит к возрастанию гидравлических потерь в системе и , соответственно, к перерасходу электроэнергии циркуляционными насосами.
  • Как показывает практика, после подключения теплового насоса обычным сантехником, тепловая мощность на выходе получается 60-70 % от номинальной, чего сразу не заметно, хотя все работает. Но через некоторое время тепловой насос выдаёт ошибки на дисплей и останавливает свою работу.
  •  Типичные ошибки:
  • 1) Перегрев (высокое давление в конденсаторе)
  • 2) Переохлаждение ( низкое давление в испарителе).

Если Тепловой насос выдаёт подобные ошибки, то это означает, что работа ведётся со значительными перегрузками и потребляется максимальное количество электроэнергии.


Использованные источники

  1. studfile.net/preview/2473937/page:7/
  2. vteple.xyz/kpd-teplovogo-nasosa-dlya-otopleniya-realnyie-tsifryi/
  3. alternativenergy.ru/energiya/86-effektivnost-teplovyh-nasosov.html
  4. alternative-heating.ru/от-чего-зависит-эффективность-теплов/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.