Теоретичні відомості.

Теплові насоси (ТН) отримують енергію з низькопотенційнго теплового джерела і постачають її до споживача, підігріваючи до температури 35 - 55°C. На рис. 2.1. представлено схему теплового балансу ТН. Теплові насоси перетворюють розсіяну теплову енергію землі, води або навіть повітря у відносно високопотенційне тепло. Приблизно 75% теплової енергії можна отримати безкоштовно із природи: ґрунту, води, повітря й тільки 25% енергії необхідно витратити для роботи самого теплового насоса.

4 – 1 випаровування, отримання тепла із навколишнього середовища; 1 – 2 стискання робочої рідини в компресорі; 2 – 3 конденсація – віддача тепла системі опалення; 3 – 4 розширення.     Рис. 2.2. Циклу Карно на T-S діаграмі

Площа прямокутника А являє собою енергію взяту з навколишнього середовища, площа прямокутника B – енергію, призначена для приводу компресора. Загальна площа А і В – це енергія, які віддається до системи опалення.

Конструкція теплових насосів

Внутрішній контур теплових насосів складається з конденсатору, розширювального клапану, випарника, компресора (у компресорних ТН) та терморегулятора, який управляє процесом передачі теплової енергії. В якості робочої рідини, за допомогою якої власне і відбувається теплопередача, служить холодоагент, що циркулює в системі. Це рідина із певними фізичними властивостями і характеристиками.

Холодоагент під високим тиском через розширювальний клапан (капіляр) попадає у випарник, де за рахунок різкого зменшення тиску відбувається процес випаровування.

При цьому холодоагент відбирає тепло у внутрішніх стінок випарника, а випарник у свою чергу віднімає тепло в грунтового або водяного контуру. За рахунок чого і отримується додаткова (безкоштовна) теплова енергія. Компресор вбирає холодоагент із випарника, стискає його, за рахунок чого температура холодоагенту ще більше підвищується, й виштовхує його в конденсатор. У конденсаторі, нагрітий у результаті стискування холодоагент віддає тепло (температура порядку 85-125 ^оС) опалювальному контуру й переходить у рідкий стан (конденсується). Цикл повторюється постійно поки температура в опалювальному контурі будинку не досягне необхідної. Тоді терморегулятор вимикає ТН. Коли температура в опалювальному контурі падає, терморегулятор знову запускає тепловий насос. У такий спосіб холодоагент у тепловому насосі робить зворотний цикл Карно.

В якості основного показника ефективності теплового насоса застосовується коефіцієнт перетворення або опалювальний коефіцієнт СОР (coefficient of performance), що дорівнює відношенню теплової енергії виробленої ТН до споживаної ним електричної потужності. У режимі охолодження для оцінки ефективності застосовується холодильний коефіцієнт EER (energy efficiency ratio), рівний відношенню продуктивності виробництва холоду ТН до споживаної потужності. Ці коефіцієнти дорівнюють:

, (2.1)

, (2.2)

де - отримана теплова енергія, кВт; - витрачена електроенергія;

Визначаючи роботу системи опалення, маємо на увазі, чи в обігрівальній системі міститься тільки один обігрівальний пристрій – моновалентна система (теплогенератор у вигляді теплового насоса, газового, мазутного, електричного котла або іншого опалювального обладнання) або два опалювальні прилади – бівалентна система, які співпрацюють між собою в різних конфігураціях.

Моновалентна система (рис.2.4.) включає ТН як єдиний опалювальний пристрій, що покриває 100% енергетичних потреб у повному діапазоні внутрішніх і зовнішніх температур. Робоча система застосовується при температурі живлення до 65°C (низькотемпературні системи радіаторів і обігріву підлоги). Найкраще нижнє джерело тепла: ґрунт, вода.

Зовнішня температура [0С]	Tbw 0 Зовнішня температура [0С]
Рис. 2.4. Моновалентна система	Рис. 2.5. Бівалентна система– альтернативна

Бівалентна – альтернативна система опалення – це система, в якій працюють два обігріваючі пристрої, співпрацюючи між собою в різних конфігураціях (рис. 2.5). Тепловий насос покриває енергетичні потреби до визначеної зовнішньої температури (T_bw – температура бівалентної точки, вимикання теплового насосу), наприклад – 8°C. За цієї температури припиняється робота теплового насосу, обігрівання здійснюється іншим пристроєм (електричним або газовим котлом, комином з водяним контуром або ін.). В якості опалювальних приладів використовують як низькотемпературні системи радіаторів і системи «тепла підлога», «теплі стіни» (води, ґрунту, повітря) так і високотемпературні радіатори з температурою живлення до + 90 °С.

Бівалентна система – паралельна моноенергетична. У такій системі опалення працюють два обігріваючі пристрої (рис.2.6.). Тепловий насос покриває енергетичні потреби до визначеної зовнішньої температури (T_bz – температура бівалентної точки, перемикання на інший пристрій), наприклад -8°C. За цієї температури в роботу вступає другий обігріваючий пристрій. З цього моменту обидва пристрої працюють паралельно. У випадку, якщо другим обігрівачем є електричний нагрівач, це є бівалентна паралельна моноенергетична система. Джерелом низькопотенційного тепла може бути: ґрунт, вода.

Зовнішня температура [0С]	Зовнішня температура [0С]
Рис. 2.6 Бівалентна система – паралельна моноенергетична	Рис. 2.7 Бівалентна система – частково паралельна

Бівалентна система – частково-паралельна. Робоча система застосовується за температури живлення до 65°C і більше (рис.2.7). Ця система працює аналогічно попередній, і за температури, наприклад -8°C, в роботу вступає другий обігріваючий пристрій: газовий або дизельний котел, електричний нагрівач. З цього моменту обидва пристрої працюють паралельно. Але при подальшому зниженні зовнішньої температури тепловий насос вимикається (температура бівалентної точки, вимикання теплового насосу) і все навантаження переймає другий обігрівальний пристрій, наприклад, котел, нагрівач, турбокомин. Джере
лом низькопотенційного тепла може бути ґрунт, вода або повітря.

Вибираючи систему тепло забезпечення необхідно враховувати, що ефективність роботи теплового насосу в значній мірі залежить від температури зовнішнього джерела тепла. При зменшенні температури цього джерела до - 5 – 8 °С коефіцієнт потужності теплового насоса зменшується до 1 і його використання стає неефективним. Тому повітряні теплові насоси на більшості територій України використовувати без додаткового джерела живлення не рекомендується. Теплові насоси, що використовують ґрунтові води або вертикальні ґрунтові колектори потребують більших початкових капіталовкладень на облаштування свердловин або паль та ґрунтові роботи. Але в подальшому зменшуються експлуатаційні витрати на систему опалення і в такому випадку можна обійтись моновалентною системою опалення.

а	б

Вибір зовнішнього джерела енергії. Джерелом тепла вхідного контуру для теплового насосу може бути: ґрунт, вода, повітря та інше (стічні води тощо). У 2010 році процентне співвідношення нижніх джерел теплопостачання у теплових насосах було таким: грунт - 59%, вода - 15%, повітря - 26%.

Рис. 2.10. Тепловий насос с грунтовим зондом

а – загальна схема, б – схема грунтового зонда

1 – зворотна магістраль, 2 – подаюча магистраль, 3 – ґрунтовий зонд, 4 – захисний ковпачок

Розрахунок грунтових теплообмінників.

Кількість трансформованого тепла і розмір необхідної поверхні для розташування грунтового колектора істотно залежить від теплофізичних властивостей грунту і кліматичних умов місцевості. Теплофізичні властивості, такі як теплоємність і теплопровідність, дуже сильно залежать від складу і стану грунту. Найбільше значення має частка води, мінеральних складників, наприклад кварцу, а також величина пор, наповнених повітрям. Можливість накопичення і провідність тепла пропорційно залежить від кількості води в ґрунті і щільності грунту. В цьому відношенні визначає є доля води, вміст таких мінеральнихречовин як кварц, польовий шпат та доля і розмір пор, заповнених повітрям. Акумулюючі властивості і теплопровідність грунту тим вище, чим більше доля води, мінеральних складових і чим вище його щільність.

Середнє значення питомої теплової потужності грунту приведене в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1