Тепловой носос - Heat pump

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 .

Эффективность 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 . Тепловые насосы имеют меньший углеродный след, чем системы отопления, работающие на ископаемом топливе, таком как природный газ , но те, которые работают на водороде, также низкоуглеродистые и могут стать конкурентами.

История

Основные вехи:

Типы

Наружный блок воздушного теплового насоса, работающего в условиях замерзания

Тепловой насос с воздушным источником

Тепловые насосы с воздушным источником тепла используются для передачи тепла между двумя теплообменниками, один из которых находится вне здания, который оснащен ребрами, через которые воздух нагнетается с помощью вентилятора, а другой, который либо непосредственно нагревает воздух внутри здания, 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.

Тепловые насосы с воздушным источником относительно просты и недороги в установке и поэтому исторически являются наиболее широко используемым типом тепловых насосов. В мягкую погоду КПД 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 КПД 2,5. Среднее значение COP по сезонным колебаниям обычно составляет 2,5–2,8, а в исключительных моделях этот показатель может быть выше в мягком климате.

Геотермальный (грунтовый) тепловой насос

Геотермальный тепловой насос ( североамериканский английский ) или грунтовый тепловой насос ( британский английский ) забирает тепло из почвы или грунтовых вод, которые остаются при относительно постоянной температуре круглый год на глубине около 30 футов (9,1 м). У хорошо обслуживаемого геотермального теплового насоса, как правило, КПД 4,0 в начале отопительного сезона и сезонный КПД около 3,0, поскольку тепло отбирается из земли. Установка геотермальных тепловых насосов обходится дороже из-за необходимости бурения скважин для вертикального размещения труб теплообменника или рытья траншей для горизонтального размещения трубопровода, по которому проходит теплоноситель (вода с небольшим количеством антифриза).

Геотермальный тепловой насос 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.

Тепловой насос вытяжного воздуха

Тепловые насосы на вытяжном воздухе отбирают тепло из вытяжного воздуха здания и требуют принудительной вентиляции . Существует два класса тепловых насосов на вытяжном воздухе.

  • Вытяжные воздушно-воздушные тепловые насосы передают тепло всасываемому воздуху.
  • Вытяжные воздушно-водяные тепловые насосы передают тепло в отопительный контур, который включает резервуар горячей воды для бытового потребления.

Тепловой насос с солнечной батареей

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 работают параллельно) для производства горячей воды . В этой системе солнечная тепловая панель выполняет функцию низкотемпературного источника тепла, а произведенное тепло используется для подпитки испарителя теплового насоса. Цель этой системы - получить высокий КПД и затем производить энергию более эффективным и менее дорогостоящим способом.

Тепловой насос источника воды

Устанавливается водяной теплообменник

Тепловой насос с водным источником работает аналогично тепловому насосу с источником тепла от земли, 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

Гибридные (или сдвоенные) тепловые насосы потребляют тепло из разных источников в зависимости от температуры наружного воздуха. Когда температура наружного воздуха превышает 4-8 градусов по Цельсию (40-50 градусов по Фаренгейту, в зависимости от температуры грунтовых вод), они используют воздух; при более низких температурах 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. У этого есть два преимущества: он функционирует как недорогая система охлаждения внутреннего воздуха и (если грунтовые воды относительно неподвижны) повышает температуру грунтового источника, что повышает энергоэффективность системы теплового насоса примерно на 4%. на каждый градус повышения температуры наземного источника.

Приложения

По оценкам Международного энергетического агентства , по состоянию на 2011 год на Земле было установлено 800 миллионов тепловых насосов. Они используются в климатических условиях с умеренными потребностями в отоплении, вентиляции и кондиционировании (HVAC), а также могут обеспечивать функции горячего водоснабжения и сушки белья. Расходы на покупку поддерживаются в разных странах скидками для потребителей.

Отопление и охлаждение зданий и транспортных средств

В системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха 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 является показателем 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.

Водяное отопление

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, другая разновидность извлекает тепло из воздуха в помещении, чтобы помочь в охлаждении помещения.

Районное 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 солнечного накопителя тепла . В Европе с 1980-х годов было установлено более 1500 МВт, из которых около 1000 МВт использовалось в Швеции в 2017 году. Крупномасштабные тепловые насосы для централизованного теплоснабжения в сочетании с накоплением тепловой энергии обеспечивают высокую гибкость для интеграции переменных возобновляемых источников энергии. Поэтому они считаются ключевой технологией для интеллектуальных энергетических систем с высокой долей возобновляемой энергии до 100% и передовыми системами централизованного теплоснабжения 4-го поколения. Они также являются важным элементом систем холодного централизованного теплоснабжения .

Промышленное отопление

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. Исследование показывает, что возможны короткие сроки окупаемости менее 2 лет при значительном сокращении выбросов CO2 (в некоторых случаях более 50%).

Представление

При сравнении производительности тепловых насосов термин «производительность» предпочтительнее, чем «эффективность», а коэффициент полезного действия (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 с наземным источником энергии 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:

Рабочие характеристики теплового насоса в режиме охлаждения в США характеризуются либо его коэффициентом энергоэффективности (EER), либо сезонным коэффициентом энергоэффективности (SEER), оба из которых имеют единицы БТЕ / (ч · Вт) (обратите внимание, что 1 БТЕ / (h · W) = 0,293 Вт / Вт) и более высокие значения указывают на лучшую производительность. 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 насоса Типичное использование 35 ° 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 температуре −20 ° C 2.2 2.0 - - - -
Двухступенчатая АШП, воздух при −20 ° C Низкая температура источника 2,4 2.2 1.9 - - -
Высокоэффективный АШП, воздух при 0 ° C Низкая температура на выходе 3.8 2,8 2.2 2.0 - -
Прототип транскритического СО
2
(R744) тепловой насос с трехкомпонентным газовым охладителем, источник при 0 ° C
Высокая температура на выходе 3.3 - - 4.2 - 3.0
Земляной тепловой насос (GSHP), вода при 0 ° C 5.0 3,7 2,9 2,4 - -
GSHP, измельченный при 10 ° C Низкая температура на выходе 7.2 5.0 3,7 2,9 2,4 -
Теоретический предел цикла Карно , источник −20 ° C 5,6 4.9 4.4 4.0 3,7 3,4
Теоретический предел цикла Карно , источник 0 ° C 8,8 7.1 6.0 5.2 4.6 4.2
Теоретический предел цикла Лорентцена ( CO
2
насос), возвратная жидкость 25 ° C, исходная 0 ° C
10.1 8,8 7.9 7.1 6.5 6.1
Теоретический предел цикла Карно , источник 10 ° C 12,3 9.1 7.3 6.1 5,4 4.8

Операция

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

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, 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 охлаждающей водой, либо 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 трубки 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, понижает 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

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. Заменители, в том числе R-134a и R-410A , представляют собой гидрофторуглерод с аналогичными термодинамическими свойствами с незначительным потенциалом разрушения озона, но имеют проблемный потенциал глобального потепления . ГФУ - мощный парниковый газ, который способствует изменению климата. Более современные холодильники включают дифторметан (R32) и изобутан (R600A), которые не разрушают озон и гораздо менее вредны для окружающей среды. Диметиловый эфир (DME) также приобрел популярность в качестве хладагента.

Государственные стимулы

Объединенное Королевство

С 2021 года: тепловые насосы облагаются налогом по сниженной ставке 5% вместо обычного 20% НДС для большинства других продуктов.

Соединенные Штаты

Кредиты на альтернативную энергию в Массачусетсе

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. 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, которые добавляли возобновляемые источники тепла, топливные элементы и тепловую энергию из отходов в энергию. APS.

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.

использованная литература

внешние ссылки