Тепловые насосы Viessmann

О геотермальных тепловых насосах.

Создание теплового насоса.

Цикл Карно назван в честь французского учёного и инженера Сади Карно. Принцип работы теплового насоса основан на цикле Карно, опубликованного в его диссертации  в 1824 году. Практическую схему и систему теплонаносной установки предложил Вильям Томсон (лорд Кельвин) в 1852 г. Умножитель тепла так она была названа, и показывала как можно холодильную установку (машину) эффективно использовать для целей отопления. В описании своего научного труда Вильям Томсон указывал, что «ограниченность энергетических ресурсов не позволит непрерывно и бесконечно сжигать топливо в печах для отопления» и что его умножитель тепла будет потреблять меньше топлива и энергии, при этом отдавая тепловой мощности 3-4 раза больше, используемое на отопления при сжигание топлива.

Принцип работы теплового насоса.

Предложенный Вильямом Томсоном умножитель тепла (тепловой насос) использовал воздух в качестве рабочего тела. Как видно на рисунке, окружающий воздух засасывается в цилиндр, при этом воздух расширяется и при этом охлаждаясь, а затем проходит через теплообменник, где нагревался наружным воздухом. После сжатия до атмосферного давления воздух из цилиндра поступает в обогреваемое помещение, будучи нагретым до температуры выше окружающей. Фактически подобная машина была реализована в Швейцарии. Томсон заявил, что его тепловой насос способен давать необходимое тепло при использовании только 3% энергии, затрачиваемой на прямое отопление.

ИСТОРИЯ:  В 1912 в Швейцарии был выдан первый патент на тепловой насос.

 Благодаря холодильной промышленности активное развитие технологии тепловых установок началось только в 20-30тые. годы, после когда в Англии была создана первая теплонаносная установка предназначенная для отопления и горячего водоснабжения с использованием тепла окружающего воздуха. После этого начались разработки и работы в США, приведшие к созданию несколько демонстративных установок.

Следом за США и Великобританией последовали Швейцария, Франция, Италия. Первая крупнейшая теплонаносная установка создана в Европе и бала введена в действии в 1937-1939г. в Цюрихе в здании ратуши был установлен тепловой насос «вода-вода» с использованием тепло речной воды, ротационный компрессор и хладагент. Установка обеспечивала систему отопления  + 60С  при мощности 175 кВт. Имелась система аккумулирования тепла с электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. В летние месяцы установка работала на охлаждение.  

Современный тепловой насос.

Тепловой насос – электрический прибор, который предназначен для систем отопления и обеспечения горячего водоснабжения или кондиционирования. Тепловой насос - это современное технологичное устройство, которое позволяет получать тепловую энергию для вашей системы отопления и горячего водоснабжения экологически чистым способом, а также одновременно может служить источником для системы кондиционирования.

Основное отличие тепловых насосов от других генераторов тепловой энергии (котлов отопления) (электрические, газовые и дизельные котлы) заключается в том, что при производстве тепла до 80% энергии извлекается из окружающей среды.

Тепловой насос невозможно использовать без электроэнергии, также как и другие тепловые установки. Тепловой насос использует электроэнергию которая преобразовывается в тепловую с высоким коэффициентом - так, если тепловой насос потребляет 3 кВт электроэнергии, на выходе он выдает в 3-4 раза больше - т.е. 10-14 кВт тепловой энергии.

 

Принцип отопления геотермальным тепловым насосом основан на сборе (выкачивания) тепла из земли (грунта) воды, в том числе и из грунтовых вод, и последующей передачи его в систему отопления. Средняя температура грунта составляет от 4 °С до 12 °С, эта энергия представляет собой природный резерв использования низкопотенциальной теплоты. Тепловые насосы работают по тому же физическому принципу, что и обычный холодильник. Различие состоит только в том, что все процессы осуществляются в обратном направлении - тепловые насосы отбирают тепло у окружающей среды, передавая его для нагрева бытовой воды и системы отопления.

 

Тепловой насос. 

Принцип работы теплового насоса также как и кондиционера основан на свойстве жидкостей выделять тепло при конденсации (переходе из газообразного состояния в жидкое) и поглощать - при испарении. Чтобы понять, откуда в тепловом насосе берется холод или тепло, рассмотрим состав оборудования.

Конденсатор — теплообменник, в котором происходит переход фреона из газообразной фазы в жидкую (конденсация). Расположен в наружном блоке;
Испаритель — теплообменник, в котором происходит переход фреона из жидкой фазы в газообразную (испарение). Расположен во внутреннем блоке;
Компрессор — повышает давление фреона 410 до давления, при котором он конденсируется, поддерживает движение фреона по холодильному контуру;
ТРВ (терморегулирующий вентиль) — дроссельное устройство, понижающий давление фреона до давления испарения. Устанавливается перед испарителем;

Воздушный контур (вентилятор), земляной контур, водяной контур — предназначен для ускорения теплообмена между испарителем (конденсатором) и окружающим воздухом или средой.

Фреон 410 - Это фтороуглеводород, закипающий (переход из жидкого состояния в газообразное) при очень низкой температуре. А именно, при температуре -48,5 градусов по Цельсию. (То есть, если обычная вода при нормальном атмосферном давлении кипит при температуре +100 градусов по Цельсию, то фреон R410 кипит при температуре почти на  -150 градусов ниже. Более того, при сильно отрицательной температуре.) 

 

Принцип работы кондиционеров и теплового насоса. 

Газ при сжатии нагревается, а при испарении остывает - (вот на этом принципе работы газа основаны холодильники, кондиционеры, тепловой насосы) 

Тепловой насос использует в работе два переходных режима: испарение и конденсацию, то есть оперирует веществом, находящимся либо в жидком, либо в газообразном состоянии. В качестве рабочего тела в контуре теплового насоса используется специальное вещество - хладагент, в качестве которого обычно используется фреон. Для того, чтобы внутренний блок стал источником холода или тепла, фреон в жидком виде должен постоянно циркулировать поступать на вход испарителя и там испаряться (источник холода) и при сжатии и высоком давлении передавая тепло конденсатору (источник тепла). Для поддержания этого процесса необходим компрессор и расширительный вентиль, понижающий давление хладагента. В процессе работы компрессор сжимает газообразный фреон, который поступает в него с выхода испарителя (температура фреона 15-20°С, давление — 3-5 атмосфер). Компрессор сжимает фреон до давления в 20-25 атмосфер, а поскольку при сжатии любой газ нагревается, температура фреона увеличивается до 80-90°С.

Газообразный хладагент поступает на вход компрессора. Компрессор сжимает газ, при этом его давление и температура увеличиваются (универсальный газовый закон Менделеева—Клапейрона). Горячий фреон (газ) под высоким давлением попадает в теплообменник, называемый конденсатором, в котором он охлаждается, передавая свое тепло воздуху или воде (который обдувается потоком наружного воздуха или гидравлической системой отопления) В результате фреон остывает, что сопровождается его переходом в жидкое состояние с выделением дополнительного тепла. Таким образом, на выходе из конденсатора образуется жидкий фреон, температура которого на 10-15°С выше температуры наружного воздуха. Далее на пути жидкости высокого давления установлен расширительный вентиль, понижающий давление хладагента. Компрессор и расширительный вентиль делят замкнутый гидравлический контур на две части: сторону высокого давления и сторону низкого давления фреона до 3-5 атмосфер. Проходя через расширительный вентиль, часть жидкости испаряется (При низком давлении жидкость испаряется (превращается в газ)) и температура потока понижается до температуры фреона до 5-7°С. Далее этот поток (газообразный фреон) поступает в теплообменник (испаритель), что сопровождается понижением температуры . После этого газообразный фреон поступает на вход компрессора и процесс повторяется. 

Можно сказать, что работа компрессора идет не столько на «производство» теплоты, сколько на ее перемещение. Поэтому затрачивая всего 1 кВт электрической мощности на привод компрессора, можно получить теплопроизводительность конденсатора около 4 кВт и отопить 40 мкв площади. Зная принцип работы  - тепловой насос несложно заставить работать в обратном направлении, то есть использовать тепловой насос для охлаждения (кондиционирования) воздуха в помещении летом

 

И так мы имеем два теплообменника, один очень горячий, а второй холодный - конденсатор и испаритель. Конденсатор - является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребления. Испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкую температуру.

Забрать тепло с конденсатора для обогрева не сложно. Гидравлическая система -Теплоноситель системы отопления проходя через водяной теплообменник (конденсатор) нагревается, и тепло (горячий теплоноситель) при помощи циркуляционного насоса поступает в обогреваемое помещение.   Воздушная система - Вентилятор обдувает воздушный теплообменник (конденсатор) и нагретый воздух по вентиляционным каналом поступает в обогреваемое помещение.

Собрать тепло (отдать) испарителю для его обогрева без затрат.  Каким путем можно без затрат растопить лед.? (положить на стол где окружающий воздух теплее льда или положить в воду или в среду где температура более + 0.)  для сбора тепла незамерзающая жидкость циркулирует через испаритель и остывает (замерзает) и далее по трубопроводу (зонд) расположенного в грунте или водоеме. Таким образом теплоноситель нагревается (отмораживается)

 

Какие положительные стороны тепловых насосов.

Почему стоит устанавливать и покупать геотермальный тепловой насос?

• Безопасность - минимальная возможность возгорания или взрыва;
• Не нужно топлива - Ваш участок может быть значительно удален, тепловые насосы используют только электроэнергию, топливо им не нужно;
• Экологичность - т.к. тепловые насосы не используют никакого топлива, то выбросы загрязняющих веществ в атмосферу также отсутствуют;
• Удобство обслуживания - система управления полностью автоматизирована, что дает возможность тонких настроек и задания различных режимов работы;
• Небольшие размеры - в отличие от котлов, не требуют специальной котельной, прокладки вентиляции или сооружения дымоходов;
• Экономичность - несмотря на то, что установка теплового насоса требует вложений, они быстро окупаются - незначительные расходы на эксплуатацию и независимость от роста цен на энергоносители на долгие годы.

 

Система теплового насоса практически не требуют эксплуатационных затрат. Также вы экономите на топливе. На сегодняшний день в России стоимость производства тепловой энергии значительно зависит от вида «топлива»: самым дешевым является природный газ, затем тепловой насос, сжиженный газ, дизельное топливо, электроэнергия.

 

Преимущества геотермального теплового насоса

• Высокая эффективность, достигаемая за счет его высокого КПД (от 400% до 500%), что обеспечивает получение на 1 кВт электрической энергии и 3-5 кВт мощности тепловой энергии.
• Максимально стабильные характеристики (тепловая мощность, КПД), вне зависимости от погоды и времени года (температура грунта в скважинах постоянна).
• Располагающиеся на участке скважины требуют минимальной площади размещения. Отсутствуют наружные блоки. Не нарушается целостность интерьера и фасада.
• Обеспечивает максимально комфортные условия в помещениях (низкотемпературное отопление - теплым полом или фанкойлами). Минимальные колебания температуры и влажности, отсутствует шум.
• Долговечен и не требует особого внимания к себе. Срок эксплуатации заводских грунтовых зондов достигает 100 лет. Срок работы основного узла теплового насоса - компрессора - 30 лет, и может быть легко заменен.
• Двойной, U- образный заводской зонд обеспечивает увеличенный теплосъем, дублирование зондов в скважине, малое гидравлическое сопротивление и после заливки скважины термо раствором, защищен от повреждений.
• Возможность отопления и охлаждения одним и тем же оборудованием.
• Отсутствует необходимость в газопроводе и газоснабжении.
• Небольшая потребность в электроэнергии. 17 кВт геотермальный тепловой насос для отопления дома площадью около 350 м² будет потреблять до 5 кВт в час, обеспечивая этим низкие эксплуатационные затраты.
• Система отопления, с применением теплового насоса, абсолютно взрыва и пожаробезопасна, не требует специального обслуживания, проста в управлении. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования, отсутствуют выбросы СО₂, NOX и других продуктов горения. Тепловой насос экологичен.
• Максимальная независимость и автономность - необходимо только электричество. Независимость от поставок и цен на газообразное и жидкое топливо.
• Высвобождение территории, необходимой для размещения котельной, дымохода, хранилища топлива.

 

 

Источники тепла для геотермального насоса

Вертикальный коллектор (скважина под тепловые насосы)

Вертикальный коллектор размещается в вертикальном положении, в пробуренных скважинах (глубина до 150 м).

Данный способ применяют, если площадь земельного участка недостаточна для размещения контура в горизонтальном положении или нежелательно изменение ландшафта.