Тепловий насос / частина 1 - принцип роботи та будова

Принцип роботи теплового насосу

Тепловий насос призначений для трансформування теплової енергії від низькотемпературного джерела тепла, такого як повітря, грунт або вода, до споживача з високою температурою. За типом роботи теплові насоси класифікуються за різними видами, включаючи сорбційні (абсорбційні / адсорбційні) та струйні (пароінжекторні) теплові машини, які застосовуються для утилізації надлишкового тепла. Також існують термоелектричні теплові насоси, що використовуються у невеликих переносних автомобільних холодильниках.

Найпопулярнішим на ринку теплових насосів є паро-компресійні установки - ці пристрої, які ви встановлюєте на своїх об’єктах. Робота паро-компресійного теплового насосу заснована на одному з фундаментальних положень термодинаміки - циклі Карно. Це єдиний оборотний цикл, що відбувється в замкнутій системі та може здійснюватись в прямому та зворотньому напрямках. Відповідно установка на основі циклу Карно може працювати як кондиціонер чи тепловий насос, так і  поєднувати в одному пристрої функції опалення та охолодження. Компресійні теплові насоси застосовують механічну енергію, використовуючи електроенергію в якості джерела живлення.

Будова та принцип роботи паро-компресійного теплового насосу

Джерело відбору тепла паро-компресійного насосу - навколишнє середовище. Конструкція паро-компресійного теплового насосу складається з таких основних компонентів: конденсатор, дросельний клапан, випарник та компресор.

В герметичному контурі теплового насосу знаходиться холодоагент (робоче тіло), в основному, використовуються фреони, що не містять хлору і є безпечними для озонового шару нашої планети. Робочий цикл теплового насосу заснований на перенесенні температури робочим тілом (холодоагентом) внаслідок зміни тиску та фазового переходу - з рідкого стану в газоподібний і навпаки, під впливом механічної дії.

Знаходячись під низьким тиском у випарнику холодоагент здатен кипіти при низькій температурі, що дозволяє відбирати тепло від низькопотенційного джерела енергії: повітря, грунту, води. Далі робоче тіло (газоподібний стан) надходить в компресор, де стискається внаслідок механічної дії, що призводить до різкого підвищення температури. Потім холодоагент подається на теплообмінник - конденсатор, де при високому тиску починає конденсувати. Внаслідок конденсування виділяється тепло, яке передається теплоносію системи опалення. Після конденсатора робоче тіло проходить через дросельний клапан, який знижує тиск, що призводить і до зниження температури. На цьому термодинамічний цикл замикається і холодоагент знову готовий до кипіння та відбору тепла у випарнику. Таким чином теплова потужність теплових насосів на 80% складається з відновлювальної енергії навколишнього середовища і лише 20% енергії використовується для роботи самого теплового насосу. Теплові насоси забезпечують опалення приміщень та гаряче водопостачання. А за наявності в контурі теплового насосу реверсивного вентиля, здатні працювати в зворотньому режимі - здійснювати охолодження приміщень. Компресор - серце теплового насосу. Саме від компресора залежать усі технічні характеристики та параметри установки. Нижче наведено основні типи компресорів, що використовуються в паро-компресорних теплонасосних установках:

• роторні, в основному застосовуються для установок невеликої потужності. В сучасних повітряних теплових насосах найчастіше використовуються двохроторні компресори, які характеризуються збільшеним ресурсом та надійністю. Завдяки такій конструкції компресор може працювати при низькій швидкості обертання, тим самим зменшуючи кількість циклів пуску та зупинок, що суттєво підвищує ефективність роботи теплових насосів. Застосування двох роторів також дозволяє знизити вібрацію та шум.

• спіральні, найпоширеніші для комплектації теплових насосів малої та середньої потужності. Переваги таких компресорів: висока ефективність, безшумність під час роботи, довговічність , висока надійність (незначна кількість рухомих деталей).

• поршневі, для установок середньої та великої потужності

• гвинтові, для систем великої потужності до 1000 кВт.

Застосування інверторної техніки дозволяє забезпечувати високу ефективність теплових насосів із спіральними компресорами у всьому діапазоні потужності. Для виготовлення теплових насосів середньої та більшої потужності використовується поєднання двох компресорів “тандем компресорів” Такі системи гарантують високу ефективність при зміні теплового навантаження, що дозволяє оптимально пристосовуючись до різних умов експлуатації.

Класифікація теплових насосів за джерелом енергії 

Головною і умовою  роботи теплового насосу є наявність джерела енергії, тобто тепло з якого буде відбиратись для забезпечення процесу кипіння робочого тіла у випарнику. За типом джерела теплові насоси поділяються на наступні групи:

• геотермальні: використовують тепло грунту або підземних вод

• повітряні: використовують тепло навколишнього повітря

• окремо можна виділити теплові насоси, що використовують вторинне тепло - наприклад, тепло стічних вод; детальніше подібний кейс ми розглядали в статті "Каналізація - джерело тепла для теплових насосів / приклад Штутгарта".