Принцип действия теплового насоса: Принцип работы теплового насоса. Как работает тепловой насос?

Природные ресурсы Канады являются одними из самых диверсифицированных в мире. Но на пути к низкоуглеродному будущему есть свои проблемы.

Вот ситуация: почти две трети энергии, потребляемой в канадских домах, используется для отопления и охлаждения. Это основная потребность канадцев, особенно с учетом нашей холодной зимы и жаркого лета.

Чтобы снизить потребление энергии и выбросы парниковых газов, мы должны переосмыслить традиционные методы отопления и охлаждения.

Но что поделаешь?

Каждый день ученые и инженеры из исследовательских центров CanmetENERGY компании Natural Resources Canada работают над поиском недорогих и экологически чистых решений этой проблемы.

Вот как.

Сегодня воздушные тепловые насосы представляют собой одну из самых многообещающих технологий для отопления и охлаждения наших домов. Они позволяют значительно снизить потребление энергии.

Тепловой насос извлекает тепло из холодного наружного воздуха и передает его в наш дом.С этой целью компрессор внутри устройства использует электричество для повышения температуры тепла, отбираемого из наружного воздуха. Тепловой насос также может обеспечивать охлаждение, выводя теплый воздух из помещения наружу. Энергия, вырабатываемая наружным воздухом, бесплатна: потребители платят только за электроэнергию, потребляемую компрессором.

Холодный климат Канады представляет собой проблему: когда температура падает, тепловые насосы испытывают проблемы с передачей тепла с улицы в помещение для обогрева наших домов.Вот почему наши исследователи усердно работают, пытаясь адаптировать воздушные тепловые насосы к нашему канадскому климату.

Тепловые насосы — одна из многих технологий, которые, по мнению CanmetENERGY, помогут сделать Канаду более безопасным и здоровым местом и создать низкоуглеродную экономику.

И это только начало.

CanmetENERGY: наука на службе у всех канадцев.

Воздушный тепловой насос имеет три цикла:

• Цикл отопления: обеспечение здания тепловой энергией
• Цикл охлаждения: удаление тепловой энергии из здания
• Цикл оттаивания: удаление инея
  на наружных змеевиках

Цикл нагрева

Во время цикла нагрева тепло отбирается из наружного воздуха и «перекачивается» в помещение.

• Сначала жидкий хладагент проходит через расширительное устройство, превращаясь в смесь жидкости и пара низкого давления. Затем он поступает на наружный змеевик, который действует как змеевик испарителя. Жидкий хладагент поглощает тепло из наружного воздуха и закипает, превращаясь в пар с низкой температурой.
• Этот пар проходит через реверсивный клапан в аккумулятор, который собирает оставшуюся жидкость до того, как пар попадет в компрессор. Затем пар сжимается, уменьшая его объем и заставляя его нагреваться.
• Наконец, реверсивный клапан направляет газ, который теперь горячий, к внутреннему змеевику, который является конденсатором. Тепло от горячего газа передается воздуху в помещении, в результате чего хладагент конденсируется в жидкость. Эта жидкость возвращается в расширительное устройство, и цикл повторяется. Внутренний змеевик расположен в воздуховоде рядом с печью.

Способность теплового насоса передавать тепло из наружного воздуха в дом зависит от температуры наружного воздуха.Когда эта температура падает, способность теплового насоса поглощать тепло также снижается. Для многих тепловых насосов с воздушным источником это означает, что существует температура (называемая точкой теплового баланса), когда тепловая мощность теплового насоса равна теплопотери в доме. Ниже этой температуры наружного воздуха тепловой насос может подавать только часть тепла, необходимого для поддержания комфорта в жилом помещении, и требуется дополнительное тепло.

Важно отметить, что подавляющее большинство тепловых насосов с воздушным источником воздуха имеют минимальную рабочую температуру, ниже которой они не могут работать.Для более новых моделей это может быть от -15 ° C до -25 ° C. Ниже этой температуры необходимо использовать дополнительную систему для обогрева здания.

Цикл охлаждения

Цикл, описанный выше, реверсируется для охлаждения дома летом. Блок забирает тепло из воздуха в помещении и отводит его наружу.

• Как и в цикле нагрева, жидкий хладагент проходит через расширительное устройство, превращаясь в смесь жидкости и пара низкого давления.Затем он поступает на внутренний змеевик, который действует как испаритель. Жидкий хладагент поглощает тепло из воздуха в помещении и закипает, превращаясь в низкотемпературный пар.
• Этот пар проходит через реверсивный клапан в аккумулятор, который собирает оставшуюся жидкость, а затем в компрессор. Затем пар сжимается, уменьшая его объем и заставляя его нагреваться.
• Наконец, горячий газ проходит через реверсивный клапан к наружному змеевику, который действует как конденсатор.Тепло от горячего газа передается наружному воздуху, в результате чего хладагент конденсируется в жидкость. Эта жидкость возвращается в расширительное устройство, и цикл повторяется.

Во время цикла охлаждения тепловой насос также осушает воздух в помещении. Влага в воздухе, проходящем по внутреннему змеевику, конденсируется на поверхности змеевика и собирается в поддоне на дне змеевика. Отвод конденсата соединяет этот поддон со сливом дома.

Цикл оттаивания

Если температура наружного воздуха упадет почти до нуля или ниже точки замерзания, когда тепловой насос работает в режиме обогрева, влага в воздухе, проходящем над внешним змеевиком, будет конденсироваться и замерзать на нем.Количество наледи зависит от температуры наружного воздуха и количества влаги в воздухе.

Это образование инея снижает эффективность змеевика, снижая его способность передавать тепло хладагенту. В какой-то момент наледь нужно убрать. Для этого тепловой насос переключается в режим разморозки. Самый распространенный подход:

• Сначала реверсивный клапан переводит устройство в режим охлаждения. Это направляет горячий газ в наружный змеевик, чтобы растопить иней.В то же время наружный вентилятор, который обычно обдувает змеевик холодным воздухом, отключается, чтобы уменьшить количество тепла, необходимого для растапливания инея.
• Пока это происходит, тепловой насос охлаждает воздух в воздуховоде. Система отопления обычно нагревает этот воздух, поскольку он распространяется по всему дому.

Один из двух методов используется для определения, когда агрегат переходит в режим размораживания:

• Регуляторы защиты от замерзания контролируют воздушный поток, давление хладагента, температуру воздуха или теплообменника и перепад давления на наружном теплообменнике для обнаружения скопления инея.
• Оттайка по времени и температуре начинается и заканчивается с помощью предварительно установленного интервального таймера или датчика температуры, расположенного на внешнем змеевике. Цикл можно запускать каждые 30, 60 или 90 минут, в зависимости от климата и конструкции системы.

Ненужные циклы оттаивания снижают сезонную производительность теплового насоса. В результате, метод замораживания по требованию обычно более эффективен, поскольку он запускает цикл размораживания только тогда, когда это необходимо.

Дополнительные источники тепла

Поскольку воздушные тепловые насосы имеют минимальную рабочую температуру наружного воздуха (от -15 ° C до -25 ° C) и пониженную теплопроизводительность при очень низких температурах, важно рассмотреть возможность использования дополнительного источника тепла для тепла от воздушного источника. насосные операции.Дополнительный обогрев может также потребоваться при размораживании теплового насоса. Доступны разные варианты:

• Все электрические: В этой конфигурации работа теплового насоса дополняется элементами электрического сопротивления, расположенными в воздуховоде, или электрическими плинтусами. Эти элементы сопротивления менее эффективны, чем тепловой насос, но их способность обеспечивать обогрев не зависит от температуры наружного воздуха.
• Гибридная система: В гибридной системе воздушный тепловой насос использует дополнительную систему, такую ​​как печь или бойлер.Этот вариант может использоваться в новых установках, а также является хорошим вариантом, когда тепловой насос добавляется к существующей системе, например, когда тепловой насос устанавливается вместо центрального кондиционера.

См. Последний раздел этой брошюры, Сопутствующее оборудование , для получения дополнительной информации о системах, в которых используются дополнительные источники тепла. Там вы можете найти обсуждение вариантов того, как запрограммировать вашу систему для перехода от использования теплового насоса к использованию дополнительного источника тепла.

Рекомендации по энергоэффективности

Чтобы лучше понять этот раздел, обратитесь к предыдущему разделу под названием Введение в КПД теплового насоса для объяснения того, что представляют собой HSPF и SEER.

В Канаде правила энергоэффективности предписывают минимальную сезонную эффективность нагрева и охлаждения, которая должна быть достигнута для продажи продукта на канадском рынке. В дополнение к этим правилам ваша провинция или территория могут иметь более строгие требования.

Минимальная производительность для Канады в целом и типичные диапазоны для продуктов, доступных на рынке, приведены ниже для отопления и охлаждения. Перед выбором системы важно также проверить, действуют ли какие-либо дополнительные правила в вашем регионе.

Сезонная производительность охлаждения, SEER:

• Минимальный SEER (Канада): 14
• Диапазон, SEER на рынке Доступные продукты: от 14 до 42

Сезонная производительность отопления, HSPF

• Минимальный HSPF (Канада): 7.1 (для региона V)
Диапазон
• , продукты HSPF, доступные на рынке: от 7,1 до 13,2 (для региона V)

Примечание: коэффициентов HSPF предоставлены для климатической зоны V AHRI, климат которой аналогичен климату Оттавы. Фактическая сезонная эффективность может варьироваться в зависимости от вашего региона. В настоящее время разрабатывается новый стандарт производительности, который призван лучше представить производительность этих систем в регионах Канады.

Фактические значения SEER или HSPF зависят от множества факторов, в первую очередь связанных с конструкцией теплового насоса.Текущие характеристики значительно изменились за последние 15 лет благодаря новым разработкам в технологии компрессоров, конструкции теплообменников, а также улучшенным потоком хладагента и управлению.

Односкоростные и регулируемые тепловые насосы

Особое значение при рассмотрении эффективности имеет роль новых конструкций компрессоров в улучшении сезонных характеристик. Как правило, агрегаты, работающие на минимально предписанном уровне SEER и HSPF, характеризуются односкоростными тепловыми насосами . Регулируемая скорость В настоящее время доступны тепловых насосов с воздушным источником тепла, которые предназначены для изменения производительности системы для более точного соответствия потребностям дома в отоплении / охлаждении в данный момент. Это помогает поддерживать максимальную эффективность в любое время, в том числе в более мягких условиях, когда потребность в системе ниже.

Совсем недавно на рынке были представлены воздушные тепловые насосы, которые лучше приспособлены к работе в холодном канадском климате. Эти системы, часто называемые тепловыми насосами для холодного климата , сочетают в себе компрессоры переменной производительности с улучшенными конструкциями теплообменников и средствами управления, чтобы максимизировать теплопроизводительность при более низких температурах воздуха, сохраняя при этом высокую эффективность в более мягких условиях.Эти типы систем обычно имеют более высокие значения SEER и HSPF, при этом некоторые системы достигают SEER до 42, а HSPF приближаются к 13.

Сертификация, стандарты и рейтинговые шкалы

Канадская ассоциация стандартов (CSA) в настоящее время проверяет все тепловые насосы на электрическую безопасность. Стандарт производительности определяет испытания и условия испытаний, при которых определяются мощность и эффективность теплового насоса по нагреву и охлаждению. Стандарты испытаний производительности для тепловых насосов с воздушным источником воздуха — CSA C656, который (по состоянию на 2014 год) был согласован с ANSI / AHRI 210 / 240-2008, Рейтинг производительности унитарного оборудования для кондиционирования воздуха и теплового насоса с воздушным источником.Он также заменяет CAN / CSA-C273.3-M91, Стандарт производительности для центральных кондиционеров и тепловых насосов сплит-системы.

Рекомендации по выбору размеров

Чтобы правильно рассчитать размер вашей системы теплового насоса, важно понимать потребности вашего дома в отоплении и охлаждении. Рекомендуется нанять специалиста по отоплению и охлаждению для выполнения необходимых расчетов. Нагрузки на отопление и охлаждение следует определять с помощью признанного метода определения размеров, такого как CSA F280-12, «Определение требуемой мощности обогрева и охлаждения жилых помещений».«

Размер вашей системы теплового насоса должен производиться в соответствии с вашим климатом, нагрузкой на отопление и охлаждение здания, а также целями вашей установки (например, максимизация экономии тепловой энергии по сравнению с заменой существующей системы в определенные периоды года). Чтобы помочь в этом процессе, NRCan разработала Руководство по выбору и определению размеров и выбора теплового насоса с воздушным источником воздуха . Это руководство, вместе с сопутствующим программным инструментом, предназначено для консультантов по энергетике и проектировщиков механики и свободно доступно для предоставления рекомендаций по правильному выбору размеров.

Если размер теплового насоса меньше размера, вы заметите, что дополнительная система отопления будет использоваться чаще. Несмотря на то, что малоразмерная система по-прежнему будет работать эффективно, вы можете не получить ожидаемой экономии энергии из-за частого использования дополнительной системы отопления.

Аналогичным образом, если тепловой насос слишком большого размера, желаемая экономия энергии может не быть реализована из-за неэффективной работы в более мягких условиях. В то время как дополнительная система отопления работает реже, в более теплых условиях окружающей среды тепловой насос производит слишком много тепла, и блок периодически включается и выключается, что приводит к дискомфорту, износу теплового насоса и потреблению электроэнергии в режиме ожидания.Поэтому важно хорошо понимать свою тепловую нагрузку и рабочие характеристики теплового насоса для достижения оптимальной экономии энергии.

Другие критерии отбора

Помимо размеров, следует учитывать несколько дополнительных факторов производительности:

• HSPF: Выберите установку с максимально возможным значением HSPF. Для агрегатов со сравнимыми номиналами HSPF проверьте их номинальные характеристики в установившемся режиме при –8,3 ° C, низкотемпературный рейтинг.Блок с более высоким значением будет самым эффективным в большинстве регионов Канады.
• Размораживание: Выберите блок с контролем размораживания по запросу. Это сводит к минимуму количество циклов оттаивания, что снижает потребление дополнительной энергии и энергии теплового насоса.
• Уровень шума: Уровень звука измеряется в децибелах (дБ). Чем ниже значение, тем ниже звуковая мощность, излучаемая наружным блоком. Чем выше уровень децибел, тем громче шум. Уровень шума большинства тепловых насосов составляет 76 дБ или ниже.

Рекомендации по установке

Воздушные тепловые насосы должны устанавливаться квалифицированным подрядчиком. Проконсультируйтесь с местным специалистом по отоплению и охлаждению, чтобы определить размер, установить и обслуживать ваше оборудование, чтобы обеспечить его эффективную и надежную работу. Если вы хотите установить тепловой насос для замены или дополнения вашей центральной печи, вы должны знать, что тепловые насосы обычно работают при более высоких воздушных потоках, чем топочные системы. В зависимости от размера вашего нового теплового насоса могут потребоваться некоторые изменения в системе воздуховодов, чтобы избежать дополнительного шума и использования энергии вентилятором.Ваш подрядчик сможет дать вам рекомендации по вашему конкретному случаю.

Стоимость установки теплового насоса с воздушным источником воздуха зависит от типа системы, ваших проектных целей и любого существующего отопительного оборудования и воздуховодов в вашем доме. В некоторых случаях могут потребоваться дополнительные модификации воздуховодов или электрооборудования для поддержки вашей новой установки теплового насоса.

Рекомендации по эксплуатации

При эксплуатации теплового насоса следует учитывать несколько важных моментов:

• Оптимизация уставок теплового насоса и дополнительной системы. Если у вас есть дополнительная электрическая система (например, плинтусы или элементы сопротивления в воздуховоде), обязательно используйте более низкую уставку температуры для вашей дополнительной системы. Это поможет увеличить количество тепла, которое тепловой насос обеспечивает вашему дому, снизив потребление энергии и счета за коммунальные услуги. Рекомендуется установить заданное значение на 2–3 ° C ниже заданного значения температуры нагрева теплового насоса. Проконсультируйтесь с вашим подрядчиком по установке относительно оптимальной уставки для вашей системы.
• Настройка для эффективного размораживания. Вы можете снизить потребление энергии, настроив вашу систему на отключение внутреннего вентилятора во время циклов оттаивания. Это может сделать ваш установщик. Однако важно отметить, что при такой настройке размораживание может занять немного больше времени.
• Минимизация понижения температуры. Тепловые насосы реагируют медленнее, чем топочные системы, поэтому им труднее реагировать на глубокие понижения температуры. Следует использовать умеренные понижения температуры не более чем на 2 ° C или использовать «умный» термостат, который рано включает систему в ожидании выхода из спада.Опять же, проконсультируйтесь со своим подрядчиком по установке относительно оптимальной пониженной температуры для вашей системы.
• Оптимизируйте направление воздушного потока. Если у вас настенный внутренний блок, подумайте о том, чтобы отрегулировать направление воздушного потока для максимального комфорта. Большинство производителей рекомендуют направлять воздушный поток вниз при обогреве и в сторону людей при охлаждении.
• Оптимизация настроек вентилятора. Также не забудьте отрегулировать настройки вентилятора для максимального комфорта. Чтобы максимально увеличить количество тепла, отдаваемого тепловым насосом, рекомендуется установить скорость вентилятора на высокую или «Авто».При охлаждении, чтобы также улучшить осушение, рекомендуется «низкая» скорость вентилятора.

Рекомендации по техническому обслуживанию

Правильное обслуживание имеет решающее значение для обеспечения эффективной, надежной работы и длительного срока службы теплового насоса. Вы должны поручить квалифицированному подрядчику проводить ежегодное обслуживание вашего устройства, чтобы убедиться, что все находится в хорошем рабочем состоянии.

Помимо ежегодного обслуживания, вы можете сделать несколько простых вещей, чтобы обеспечить надежную и эффективную работу.Обязательно меняйте или очищайте воздушный фильтр каждые 3 месяца, так как засоренные фильтры уменьшат поток воздуха и снизят эффективность вашей системы. Кроме того, убедитесь, что вентиляционные отверстия и регистры воздуха в вашем доме не заблокированы мебелью или ковровым покрытием, поскольку недостаточный приток воздуха к вашему устройству или от него может сократить срок службы оборудования и снизить эффективность системы.

Операционные расходы

Экономия энергии за счет установки теплового насоса может помочь снизить ваши ежемесячные счета за электроэнергию. Достижение снижения ваших счетов за электроэнергию во многом зависит от цены на электроэнергию по сравнению с другими видами топлива, такими как природный газ или мазут, а также, в случае модернизации, от того, какой тип системы заменяется.

Тепловые насосы обычно имеют более высокую стоимость по сравнению с другими системами, такими как печи или электрические плинтусы, из-за количества компонентов в системе. В некоторых регионах и случаях эта добавленная стоимость может быть окуплена за относительно короткий период времени за счет экономии затрат на коммунальные услуги. Однако в других регионах изменение тарифов на коммунальные услуги может продлить этот период. Важно работать с вашим подрядчиком или консультантом по энергетике, чтобы получить оценку экономики тепловых насосов в вашем районе и потенциальную экономию, которую вы можете достичь.

Ожидаемый срок службы и гарантии

Воздушные тепловые насосы имеют срок службы от 15 до 20 лет. Компрессор — важнейший компонент системы.

На большинство тепловых насосов распространяется годовая гарантия на детали и работа, а также дополнительная гарантия сроком от пяти до десяти лет на компрессор (только на запчасти). Однако гарантии у разных производителей различаются, поэтому обратите внимание на мелкий шрифт.

Земляные тепловые насосы

Земляные тепловые насосы используют землю или грунтовые воды в качестве источника тепловой энергии в режиме обогрева и в качестве поглотителя энергии в режиме охлаждения.Эти типы систем содержат два ключевых компонента:

• Наземный теплообменник: Это теплообменник, используемый для добавления или отвода тепловой энергии от земли или земли. Возможны различные конфигурации теплообменника, которые будут объяснены позже в этом разделе.
• Тепловой насос: Вместо воздуха в грунтовых тепловых насосах в качестве источника (при нагреве) или стока (при охлаждении) используется жидкость, протекающая через грунтовый теплообменник.
  Со стороны здания возможны как воздушные, так и водяные системы.Рабочие температуры со стороны здания очень важны для жидкостных систем. Тепловые насосы работают более эффективно при обогреве при более низких температурах ниже 45–50 ° C, что делает их более подходящими для теплых полов или систем фанкойлов. Следует проявлять осторожность при рассмотрении возможности их использования с радиаторами с высокой температурой, для которых требуется температура воды выше 60 ° C, поскольку эти температуры обычно превышают пределы большинства тепловых насосов для жилых помещений.

В зависимости от взаимодействия теплового насоса и грунтового теплообменника возможны две различные классификации систем:

• Вторичный контур: В грунтовом теплообменнике используется жидкость (грунтовые воды или незамерзание).Тепловая энергия, передаваемая от земли к жидкости, передается тепловому насосу через теплообменник.
• Прямое расширение (DX): хладагент используется в качестве жидкости в теплообменнике грунта. Тепловая энергия, извлекаемая хладагентом из земли, используется непосредственно тепловым насосом — дополнительный теплообменник не требуется.
  В этих системах теплообменник грунта является частью самого теплового насоса, действуя как испаритель в режиме обогрева и конденсатор в режиме охлаждения.

Земляные тепловые насосы могут удовлетворить целый ряд потребностей в комфорте в вашем доме, в том числе:

• Только отопление: Тепловой насос используется только для отопления. Это может включать как отопление помещений, так и производство горячей воды.
• Отопление с «активным охлаждением»: Тепловой насос используется как для отопления, так и для охлаждения
• Отопление с «пассивным охлаждением»: Тепловой насос используется при обогреве и обходится при охлаждении. При охлаждении жидкость из здания охлаждается непосредственно в теплообменнике грунта.

Операции нагрева и «активного охлаждения» описаны в следующем разделе.

Основные преимущества наземных тепловых насосов

КПД

В Канаде, где температура воздуха может опускаться ниже –30 ° C, наземные системы могут работать более эффективно, поскольку они используют более теплые и стабильные температуры грунта. Типичная температура воды, поступающей в грунтовый тепловой насос, как правило, выше 0 ° C, что дает COP около 3 для большинства систем в самые холодные зимние месяцы.

Экономия энергии

Системы заземления существенно снизят ваши расходы на отопление и охлаждение. Экономия затрат на тепловую энергию по сравнению с электрическими печами составляет около 65%.

В среднем, хорошо спроектированная система заземления дает экономию примерно на 10-20% больше, чем может дать лучший в своем классе тепловой насос с воздушным источником холодного климата, рассчитанный на покрытие большей части тепловой нагрузки здания. Это связано с тем, что температура под землей зимой выше, чем температура воздуха.В результате геотермальный тепловой насос может обеспечить больше тепла в течение зимы, чем воздушный тепловой насос.

Фактическая экономия энергии будет зависеть от местного климата, эффективности существующей системы отопления, затрат на топливо и электроэнергию, размера установленного теплового насоса, конфигурации месторождения и сезонного баланса энергии, а также эффективности теплового насоса при Условия рейтинга CSA.

Как работает система заземления?

Земляные тепловые насосы состоят из двух основных частей: грунтового теплообменника и теплового насоса.В отличие от тепловых насосов с воздушным источником тепла, в которых один теплообменник расположен снаружи, в системах с грунтовым источником тепловой насос расположен внутри дома.

Конструкции наземных теплообменников могут быть классифицированы как:

• Closed Loop: Системы с замкнутым контуром собирают тепло от земли с помощью непрерывного контура трубопроводов, проложенных под землей. Раствор антифриза (или хладагент в случае системы DX с грунтовым источником), который был охлажден системой охлаждения теплового насоса на несколько градусов ниже температуры внешней почвы, циркулирует по трубопроводу и поглощает тепло из почвы.
  Общие схемы трубопроводов в системах с замкнутым контуром включают горизонтальные, вертикальные, диагональные и грунтовые системы прудов / озер (эти схемы обсуждаются ниже в разделе Рекомендации по проектированию ).
• Открытый контур: Открытые системы используют тепло, сохраняющееся в подземном водоеме. Вода всасывается через колодец прямо в теплообменник, где отбирается ее тепло. Затем вода сбрасывается либо в надземный водоем, такой как ручей или пруд, либо обратно в тот же подземный водоем через отдельный колодец.

Выбор наружной системы трубопроводов зависит от климата, почвенных условий, доступной земли, местных затрат на установку на месте, а также от муниципальных и региональных норм. Например, системы без обратной связи разрешены в Онтарио, но не разрешены в Квебеке. Некоторые муниципалитеты запретили системы DX, потому что источником муниципальной воды является водоносный горизонт.

Цикл нагрева

В цикле отопления грунтовые воды, смесь антифриза или хладагент (который циркулировал по подземной системе трубопроводов и забирал тепло из почвы) возвращаются в блок теплового насоса внутри дома.В системах с грунтовой водой или смесью антифриза он затем проходит через первичный теплообменник, заполненный хладагентом. В системах DX хладагент поступает в компрессор напрямую, без промежуточного теплообменника.

Тепло передается хладагенту, который при закипании превращается в пар с низкой температурой. В открытой системе грунтовые воды затем откачиваются и сбрасываются в пруд или колодец. В системе с замкнутым контуром смесь антифриза или хладагент откачивается обратно в подземную систему трубопроводов для повторного нагрева.

Реверсивный клапан направляет пары хладагента в компрессор. Затем пар сжимается, что уменьшает его объем и вызывает нагрев.

Наконец, реверсивный клапан направляет уже нагретый газ в змеевик конденсатора, где он отдает свое тепло воздуху или гидравлической системе для обогрева дома. Отдав свое тепло, хладагент проходит через расширительное устройство, где его температура и давление еще больше снижаются, прежде чем он вернется в первый теплообменник или на землю в системе DX, чтобы снова начать цикл.

Цикл охлаждения

Цикл «активного охлаждения» в основном противоположен циклу нагрева. Направление потока хладагента изменяется реверсивным клапаном. Хладагент забирает тепло из воздуха в помещении и передает его напрямую в системы DX или в грунтовые воды или смесь антифриза. Затем тепло перекачивается наружу, в водоем или возвратный колодец (в открытой системе) или в подземный трубопровод (в системе с замкнутым контуром). Часть этого избыточного тепла можно использовать для предварительного нагрева воды для бытового потребления.

В отличие от тепловых насосов с воздушным источником тепла, системы с заземлением не требуют цикла размораживания. Температуры под землей намного стабильнее температуры воздуха, а сам агрегат теплового насоса находится внутри; поэтому проблем с морозом не возникает.

Части системы

Системы наземных тепловых насосов состоят из трех основных компонентов: самого теплового насоса, жидкого теплоносителя (открытая система или замкнутый контур) и распределительной системы (воздушной или гидравлической), которая распределяет тепловую энергию от тепловой насос к зданию.

Земляные тепловые насосы имеют разные конструкции. Для воздушных систем автономные блоки объединяют в одном шкафу нагнетатель, компрессор, теплообменник и змеевик конденсатора. Сплит-системы позволяют добавлять змеевик в печь с принудительной подачей воздуха и использовать существующие нагнетатель и печь. В гидравлических системах теплообменники источника и стока и компрессор находятся в одном шкафу.

Рекомендации по энергоэффективности

Как и тепловые насосы, работающие на воздухе, системы тепловых насосов, работающих на земле, доступны с различной эффективностью.См. Предыдущий раздел под названием Введение в КПД теплового насоса для объяснения того, что представляют собой COP и EER. Ниже представлены диапазоны COP и EER для имеющихся на рынке единиц.

Подземные воды или приложения с открытым контуром

Отопление

• Минимальный КПД отопления: 3,6
Диапазон
• , COP для отопления на рынке Доступные продукты: от 3,8 до 5,0

Охлаждение

• Минимальный EER: 16,2
• Диапазон, EER на рынке доступных продуктов: 19.От 1 до 27,5

Приложения с замкнутым контуром

Отопление

• Минимальный КПД отопления: 3,1
Диапазон
• , COP для обогрева, доступные на рынке продукты: от 3,2 до 4,2

Охлаждение

• Минимальный EER: 13,4
Диапазон
• , EER на рынке доступных продуктов: от 14,6 до 20,4

Минимальная эффективность для каждого типа регулируется на федеральном уровне, а также в некоторых провинциальных юрисдикциях. Произошло резкое повышение эффективности систем наземного источника питания.Те же разработки компрессоров, двигателей и средств управления, которые доступны производителям тепловых насосов с воздушным источником, приводят к более высокому уровню эффективности для систем с наземным источником питания.

В системах нижнего уровня обычно используются двухступенчатые компрессоры, теплообменники хладагент-воздух относительно стандартного размера и теплообменники хладагент-вода увеличенного размера с увеличенной поверхностью. Агрегаты с высоким КПД обычно используют компрессоры с несколькими или регулируемыми скоростями, внутренние вентиляторы с регулируемой скоростью или и то, и другое.Описание односкоростных и регулируемых тепловых насосов можно найти в разделе «Воздушный тепловой насос ».

Сертификация, стандарты и рейтинговые шкалы

Канадская ассоциация стандартов (CSA) в настоящее время проверяет все тепловые насосы на электрическую безопасность. Стандарт производительности определяет испытания и условия испытаний, при которых определяются мощность и эффективность теплового насоса по нагреву и охлаждению. Стандарты тестирования производительности для систем с заземлением — CSA C13256 (для систем вторичного контура) и CSA C748 (для систем DX).

Рекомендации по выбору размеров

Важно, чтобы грунтовый теплообменник соответствовал мощности теплового насоса. Системы, которые не сбалансированы и не могут восполнять энергию, потребляемую из скважины, будут постоянно работать хуже с течением времени, пока тепловой насос не перестанет извлекать тепло.

Как и в случае с системами с воздушным тепловым насосом, обычно не рекомендуется выбирать размер системы с источником тепла для обеспечения всего тепла, необходимого для дома. Для рентабельности система, как правило, должна иметь такой размер, чтобы покрывать большую часть годовой потребности домохозяйства в тепловой энергии.Периодическая пиковая тепловая нагрузка во время суровых погодных условий может быть компенсирована дополнительной системой отопления.

теперь доступны с вентиляторами и компрессорами с регулируемой скоростью. Этот тип системы может удовлетворить все нагрузки охлаждения и большинство нагрузок нагрева на низкой скорости, а высокая скорость требуется только для высоких нагрузок нагрева. Найдите описание односкоростных и регулируемых тепловых насосов в разделе Воздушный тепловой насос .

Доступны системы различных размеров для соответствия канадскому климату.Номинальные размеры жилых блоков (охлаждение с замкнутым контуром) варьируются от 1,8 кВт до 21,1 кВт (от 6 000 до 72 000 БТЕ / ч) и включают варианты горячего водоснабжения (ГВС).

Рекомендации по проектированию

В отличие от тепловых насосов с воздушным источником тепла, для тепловых насосов с грунтовым источником требуется грунтовый теплообменник для сбора и отвода тепла под землей.

Системы открытого цикла

В открытой системе в качестве источника тепла используются грунтовые воды из обычного колодца. Грунтовые воды перекачиваются в теплообменник, где извлекается тепловая энергия и используется в качестве источника для теплового насоса.Грунтовые воды, выходящие из теплообменника, затем снова закачиваются в водоносный горизонт.

Другой способ сброса использованной воды — это сбросной колодец, который представляет собой второй колодец, возвращающий воду в землю. Отводной колодец должен обладать достаточной емкостью для удаления всей воды, прошедшей через тепловой насос, и должен быть установлен квалифицированным бурильщиком. Если у вас есть дополнительная скважина, подрядчик по тепловому насосу должен нанять бурильщика, чтобы убедиться, что она подходит для использования в качестве сбросной скважины.Независимо от используемого подхода, система должна быть спроектирована так, чтобы предотвратить любой ущерб окружающей среде. Тепловой насос просто отводит или добавляет тепло воде; никаких загрязняющих веществ не добавлено. Единственное изменение воды, возвращаемой в окружающую среду, — это небольшое повышение или понижение температуры. Важно проконсультироваться с местными властями, чтобы понять какие-либо положения или правила, касающиеся систем разомкнутого контура в вашем районе.

Размер теплового насоса и спецификации производителя определяют количество воды, необходимое для открытой системы.Потребность в воде для конкретной модели теплового насоса обычно выражается в литрах в секунду (л / с) и указывается в технических характеристиках этого агрегата. Тепловой насос мощностью 10 кВт (34 000 БТЕ / ч) будет потреблять от 0,45 до 0,75 л / с во время работы.

Комбинация колодца и насоса должна быть достаточно большой, чтобы подавать воду, необходимую тепловому насосу, в дополнение к вашим потребностям в воде для бытовых нужд. Возможно, вам придется увеличить напорный бак или изменить водопровод, чтобы обеспечить достаточное количество воды для теплового насоса.

Плохое качество воды может вызвать серьезные проблемы в открытых системах. Вы не должны использовать воду из источника, пруда, реки или озера в качестве источника для вашей системы теплового насоса. Частицы и другие вещества могут засорить систему теплового насоса и вывести ее из строя за короткий период времени. Перед установкой теплового насоса вам также следует проверить воду на кислотность, жесткость и содержание железа. Ваш подрядчик или производитель оборудования может сказать вам, какой уровень качества воды является приемлемым и при каких обстоятельствах могут потребоваться специальные материалы для теплообменников.

Установка открытой системы часто регулируется местными законами о зонировании или требованиями лицензирования. Узнайте у местных властей, действуют ли ограничения в вашем районе.

Системы с обратной связью

Система с обратной связью забирает тепло из самой земли, используя непрерывную петлю заглубленной пластиковой трубы. В системах DX используются медные трубки. Труба соединяется с внутренним тепловым насосом, образуя герметичный подземный контур, по которому циркулирует раствор антифриза или хладагент.В то время как открытая система сливает воду из колодца, система с замкнутым контуром рециркулирует раствор антифриза в трубе под давлением.

Труба размещается в одном из трех типов приспособлений:

• Вертикальный: Вертикальный замкнутый контур является подходящим выбором для большинства загородных домов, где площадь участка ограничена. Трубопровод вставляется в просверленные отверстия диаметром 150 мм (6 дюймов) на глубину от 45 до 150 м (от 150 до 500 футов), в зависимости от условий почвы и размера системы.В отверстия вставляются П-образные петли трубы. Системы DX могут иметь отверстия меньшего диаметра, что может снизить затраты на бурение.
• Диагональ (под углом): Схема с обратной связью по диагонали (под углом) аналогична вертикальной схеме с обратной связью; однако скважины расположены под углом. Этот тип устройства используется там, где пространство очень ограничено и доступ ограничен одной точкой входа.
• По горизонтали: Горизонтальное расположение чаще встречается в сельской местности, где недвижимость больше.Труба укладывается в траншеи, как правило, глубиной от 1,0 до 1,8 м (от 3 до 6 футов), в зависимости от количества труб в траншее. Как правило, на тонну мощности теплового насоса требуется от 120 до 180 м (от 400 до 600 футов) трубы. Например, для хорошо изолированного дома площадью 185 м2 (2000 кв. Футов) обычно требуется трехтонная система, требующая от 360 до 540 м (от 1200 до 1800 футов) трубы.
  Наиболее распространенная конструкция горизонтального теплообменника — это две трубы, расположенные бок о бок в одной траншее. В других конструкциях с горизонтальным контуром используются четыре или шесть труб в каждой траншее, если площадь участка ограничена.Другой дизайн, который иногда используется там, где площадь ограничена, — это «спираль», которая описывает ее форму.

Независимо от выбранной вами компоновки, все трубопроводы для систем антифриза должны быть из полиэтилена или полибутилена серии не ниже 100 с термически спаянными соединениями (в отличие от фитингов с зазубринами, зажимов или клеевых соединений), чтобы гарантировать герметичность соединений в течение всего срока службы. трубопроводов. При правильной установке эти трубы прослужат от 25 до 75 лет. На них не действуют химические вещества, содержащиеся в почве, и они обладают хорошими теплопроводными свойствами.Раствор антифриза должен быть приемлемым для местных органов охраны окружающей среды. В системах DX используются медные трубы холодного качества.

Ни вертикальные, ни горизонтальные петли не оказывают неблагоприятного воздействия на ландшафт, если вертикальные скважины и траншеи должным образом засыпаны и утрамбованы (плотно утрамбованы).

При установке с горизонтальной петлей используются траншеи шириной от 150 до 600 мм (от 6 до 24 дюймов). Это оставляет голые участки, которые можно восстановить с помощью семян травы или дерна.Вертикальные петли занимают мало места и меньше повреждают газон.

Важно, чтобы горизонтальные и вертикальные петли устанавливал квалифицированный подрядчик. Пластиковые трубы должны быть термически сварены, и должен быть хороший контакт между землей и трубой, чтобы обеспечить хорошую теплопередачу, например, достигаемую при заливке скважин методом Tremie. Последнее особенно важно для вертикальных теплообменных систем. Неправильная установка может привести к снижению производительности теплового насоса.

Рекомендации по установке

Как и системы тепловых насосов с воздушным источником тепла, тепловые насосы с источником тепла от земли должны проектироваться и устанавливаться квалифицированными подрядчиками.Проконсультируйтесь с местным подрядчиком по тепловому насосу для проектирования, установки и обслуживания вашего оборудования для обеспечения его эффективной и надежной работы. Также убедитесь, что тщательно соблюдаются все инструкции производителя. Все установки должны соответствовать требованиям CSA C448 Series 16, стандарту установки, установленному Канадской ассоциацией стандартов.

Общая стоимость установленных систем заземления варьируется в зависимости от конкретных условий объекта. Стоимость установки зависит от типа наземного коллектора и технических характеристик оборудования.Дополнительные затраты на такую ​​систему могут быть возмещены за счет экономии затрат на электроэнергию в течение всего 5 лет. Срок окупаемости зависит от множества факторов, таких как состояние почвы, нагрузки на отопление и охлаждение, сложность модернизации систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, местные тарифы на коммунальные услуги и заменяемый источник топлива для отопления. Проконсультируйтесь с вашей электроэнергетической компанией, чтобы оценить преимущества инвестиций в систему заземления. Иногда для утвержденных установок предлагается недорогой план финансирования или поощрение.Важно работать с вашим подрядчиком или консультантом по энергетике, чтобы получить оценку экономики тепловых насосов в вашем районе и потенциальную экономию, которую вы можете достичь.

Рекомендации по эксплуатации

При эксплуатации теплового насоса следует учитывать несколько важных моментов:

• Оптимизация уставок теплового насоса и дополнительной системы. Если у вас есть дополнительная электрическая система (например, плинтусы или элементы сопротивления в воздуховоде), обязательно используйте более низкую уставку температуры для вашей дополнительной системы.Это поможет увеличить количество тепла, которое тепловой насос обеспечивает вашему дому, снизив потребление энергии и счета за коммунальные услуги. Рекомендуется установить заданное значение на 2–3 ° C ниже заданного значения температуры нагрева теплового насоса. Проконсультируйтесь с вашим подрядчиком по установке относительно оптимальной уставки для вашей системы.
• Минимизация понижения температуры. Тепловые насосы реагируют медленнее, чем топочные системы, поэтому им труднее реагировать на глубокие понижения температуры. Следует использовать умеренные понижения температуры не более чем на 2 ° C или использовать «умный» термостат, который рано включает систему в ожидании выхода из спада.Опять же, проконсультируйтесь со своим подрядчиком по установке относительно оптимальной пониженной температуры для вашей системы.

Рекомендации по техническому обслуживанию

У вас должен быть квалифицированный подрядчик для проведения ежегодного обслуживания один раз в год, чтобы ваша система оставалась эффективной и надежной.

Если у вас есть воздухораспределительная система, вы также можете обеспечить более эффективную работу, заменяя или очищая фильтр каждые 3 месяца. Вы также должны убедиться, что ваши вентиляционные отверстия и регистры не заблокированы какой-либо мебелью, ковровым покрытием или другими предметами, которые могут препятствовать потоку воздуха.

Операционные расходы

Эксплуатационные расходы системы заземления обычно значительно ниже, чем у других систем отопления, из-за экономии топлива. Квалифицированные установщики тепловых насосов должны иметь возможность предоставить вам информацию о том, сколько электроэнергии будет использовать конкретная система заземления.

Относительная экономия будет зависеть от того, используете ли вы в настоящее время электроэнергию, нефть или природный газ, а также от относительной стоимости различных источников энергии в вашем районе.Используя тепловой насос, вы будете использовать меньше газа или масла, но больше электроэнергии. Если вы живете в районе, где дорогое электричество, ваши эксплуатационные расходы могут быть выше.

Ожидаемый срок службы и гарантии

Земляные тепловые насосы обычно имеют ожидаемый срок службы от 20 до 25 лет. Это выше, чем у тепловых насосов с воздушным источником, поскольку компрессор имеет меньшую тепловую и механическую нагрузку и защищен от воздействия окружающей среды. Срок службы самого контура заземления приближается к 75 годам.

На большинство тепловых насосов с наземным источником питания распространяется годовая гарантия на детали и работу, а некоторые производители предлагают программы расширенной гарантии. Однако гарантии у разных производителей различаются, поэтому обязательно проверьте мелкий шрифт.

Сопутствующее оборудование

Модернизация службы электроснабжения

Вообще говоря, нет необходимости обновлять электрическое обслуживание при установке дополнительного теплового насоса с источником воздуха. Однако возраст службы и общая электрическая нагрузка дома могут потребовать модернизации.

Электрооборудование на 200 ампер обычно требуется для установки полностью электрического теплового насоса с воздушным источником или заземляющего теплового насоса. При переходе от системы отопления на природном газе или мазуте может потребоваться модернизировать электрическую панель.

Дополнительные системы отопления

Системы с воздушным тепловым насосом

Воздушные тепловые насосы имеют минимальную рабочую температуру наружного воздуха и могут терять часть своей способности нагреваться при очень низких температурах.Из-за этого для большинства установок с воздушным источником требуется дополнительный источник тепла для поддержания температуры в помещении в самые холодные дни. Дополнительный обогрев может также потребоваться при размораживании теплового насоса.

Большинство систем подачи воздуха отключаются при одной из трех температур, которые может установить подрядчик по установке:

• Точка теплового баланса: Температура, ниже которой тепловой насос не имеет достаточной мощности для удовлетворения потребностей здания в отоплении.
• Точка экономического баланса: Температура, ниже которой соотношение электроэнергии к дополнительному топливу (например, природному газу) означает, что использование дополнительной системы более рентабельно.
• Температура отключения: Минимальная рабочая температура для теплового насоса.

Большинство дополнительных систем можно разделить на две категории:

• Гибридные системы: В гибридной системе воздушный тепловой насос использует дополнительную систему, такую ​​как печь или бойлер.Этот вариант может использоваться в новых установках, а также является хорошим вариантом, когда тепловой насос добавляется к существующей системе, например, когда тепловой насос устанавливается вместо центрального кондиционера.
  Эти типы систем поддерживают переключение между тепловым насосом и дополнительными операциями в соответствии с точкой теплового или экономического баланса.
  Эти системы не могут работать одновременно с тепловым насосом — работает либо тепловой насос, либо газомазутная печь.
• Все электрические системы: В этой конфигурации работа теплового насоса дополняется элементами электрического сопротивления, расположенными в воздуховоде, или электрическими плинтусами.
  Эти системы могут работать одновременно с тепловым насосом и, следовательно, могут использоваться в стратегиях контроля точки баланса или отключения температуры.

Датчик температуры наружного воздуха отключает тепловой насос, когда температура падает ниже предварительно установленного предела. Ниже этой температуры работает только дополнительная система отопления. Датчик обычно настраивается на отключение при температуре, соответствующей точке экономического баланса, или при температуре наружного воздуха, ниже которой дешевле нагревать с помощью дополнительной системы отопления вместо теплового насоса.

Системы геотермальных тепловых насосов

Системы с наземным источником питания продолжают работать независимо от температуры наружного воздуха, и поэтому на них не распространяются такие же ограничения по эксплуатации. Дополнительная система отопления обеспечивает только тепло, превышающее номинальную мощность источника заземления.

Термостаты

Обычные термостаты

Большинство канальных систем с односкоростным тепловым насосом для жилых помещений устанавливаются с внутренним термостатом «двухступенчатый нагрев / одноступенчатое охлаждение» .На первом этапе требуется тепло от теплового насоса, если температура падает ниже заданного уровня. На втором этапе требуется тепло от дополнительной системы отопления, если температура в помещении продолжает опускаться ниже заданной. Бесканальные бытовые воздушные тепловые насосы обычно устанавливаются с одноступенчатым термостатом нагрева / охлаждения или, во многих случаях, встроенным термостатом, устанавливаемым с помощью пульта дистанционного управления, который поставляется вместе с агрегатом.

Наиболее распространенным типом используемых термостатов является «установил и забыл» тип .Установщик проконсультируется с вами перед установкой желаемой температуры. Как только это будет сделано, о термостате можно будет забыть; он автоматически переключит систему из режима нагрева в режим охлаждения или наоборот.

В этих системах используются два типа наружных термостатов. Первый тип управляет работой системы электрического резистивного дополнительного отопления. Это тот же тип термостата, который используется с электрической печью. Он включает различные ступени нагревателей, когда температура наружного воздуха постепенно падает.Это гарантирует, что необходимое количество дополнительного тепла будет обеспечиваться в соответствии с внешними условиями, что максимизирует эффективность и сэкономит ваши деньги. Второй тип просто отключает воздушный тепловой насос, когда температура наружного воздуха падает ниже заданного уровня.

Понижение температуры термостата может не дать таких же преимуществ для систем с тепловым насосом, как для более традиционных систем отопления. В зависимости от величины понижения и падения температуры тепловой насос может быть не в состоянии подавать все тепло, необходимое для быстрого восстановления температуры до желаемого уровня.Это может означать, что дополнительная система отопления работает до тех пор, пока тепловой насос не «догонит». Это снизит экономию, которую вы могли ожидать от установки теплового насоса. См. Обсуждение минимизации понижения температуры в предыдущих разделах.

Программируемые термостаты

Программируемые термостаты для тепловых насосов сегодня доступны у большинства производителей тепловых насосов и их представителей. В отличие от обычных термостатов, эти термостаты обеспечивают экономию за счет понижения температуры в периоды отсутствия людей или в ночное время.Хотя разные производители делают это по-разному, тепловой насос возвращает дом к желаемому уровню температуры с минимальным дополнительным отоплением или без него. Для тех, кто привык к понижению температуры и программируемым термостатам, это может оказаться выгодным вложением. Другие функции, доступные с некоторыми из этих электронных термостатов, включают следующее:

• Программируемое управление, позволяющее пользователю выбирать автоматический режим теплового насоса или только вентилятор, по времени суток и дню недели.
• Улучшенный контроль температуры по сравнению с обычными термостатами.
• Нет необходимости в наружных термостатах, так как электронный термостат требует дополнительного тепла только при необходимости.
• Нет необходимости в управлении внешним термостатом на дополнительных тепловых насосах.

Экономия от программируемых термостатов во многом зависит от типа и размера вашей системы теплового насоса. Для систем с регулируемой скоростью спады могут позволить системе работать на более низкой скорости, уменьшая износ компрессора и помогая повысить эффективность системы.

Системы распределения тепла

Системы с тепловым насосом обычно обеспечивают больший объем воздушного потока при более низкой температуре по сравнению с печными системами. Таким образом, очень важно изучить поток приточного воздуха в вашей системе и сравнить его с пропускной способностью существующих воздуховодов. Если воздушный поток теплового насоса превышает пропускную способность существующего воздуховода, у вас могут возникнуть проблемы с шумом или повышенное потребление энергии вентилятором.

Новые системы тепловых насосов следует проектировать в соответствии с установленной практикой.Если установка является модернизацией, необходимо тщательно изучить существующую систему воздуховодов, чтобы убедиться, что она соответствует требованиям.

Сноски

Сноска 1

HSPF в регионе 5 наиболее сильно влияет на производительность теплового насоса в регионе Оттавы. Фактические значения HSPF могут быть ниже в регионах с повышенной температурой градусо-дней. Хотя многие более холодные регионы Канады по-прежнему относятся к региону 5, предоставленное значение HSPF может не полностью отражать фактическую производительность системы.

Вернуться к сноске 1 реферер

Узнайте о тепловом насосе | Trane

Тепловой насос, как часть системы центрального отопления и охлаждения, использует наружный воздух как для обогрева дома зимой, так и для его охлаждения летом.

Технически тепловой насос — это холодильная система с механическим компрессионным циклом, которая может быть обращена либо для нагрева, либо для охлаждения контролируемого помещения.Думайте о тепловом насосе как о теплоносителе, постоянно перемещающем теплый воздух из одного места в другое, туда, где он нужен или не нужен, в зависимости от сезона. Даже в слишком холодном воздухе присутствует тепловая энергия. Когда на улице холодно, тепловой насос отбирает имеющееся снаружи тепло и передает его внутрь. Когда на улице тепло, он меняет направление и действует как кондиционер, отводя тепло из вашего дома.

Обратите внимание, что тепловые насосы лучше всего подходят для умеренного климата, а для более низких температур может потребоваться дополнительный источник тепла.В качестве круглогодичного решения для домашнего комфорта тепловые насосы Trane могут стать ключевой частью вашей согласованной системы. Независимый дилер Trane может помочь вам решить, подходит ли вам система с тепловым насосом.

Тепловой насос состоит из двух основных компонентов: внутреннего блока обработки воздуха и наружного блока, аналогичного центральному кондиционеру, но называемого тепловым насосом. Наружный блок содержит компрессор, который циркулирует хладагент, который поглощает и отдает тепло при перемещении между внутренним и наружным блоками.

Тепловые насосы и кондиционеры используют ту же технологию для охлаждения вашего дома. Они обладают одинаковыми энергосберегающими характеристиками. За исключением нескольких небольших технических отличий, тепловые насосы и кондиционеры охлаждают ваш дом одинаково, без реальной разницы в качестве комфорта, энергоэффективности или затратах на электроэнергию.

Основное различие между тепловыми насосами и кондиционерами заключается в том, что тепловой насос также может обогревать ваш дом, а кондиционер — нет.Кондиционер должен быть соединен с печью, чтобы в доме было полноценное центральное отопление и охлаждение.

Основное различие между ними заключается в том, как они создают тепло. Тепловой насос использует электричество для перемещения тепла из одного места в другое. Печь сжигает топливо, чтобы создать тепло. Благодаря этому тепловой насос будет более энергоэффективным. Например, тепловой насос Trane XV20i является одним из самых эффективных в отрасли HVAC с рейтингом до 20,00 SEER и 10,00 HSPF

Еще одно различие между тепловыми насосами и печами — это энергоэффективность и воздействие на окружающую среду.Поскольку тепловые насосы работают на электричестве, они не выделяют вредных выбросов, которые, как было доказано, способствуют изменению климата.

Plus, тепловой насос также охладит ваш дом летом, избавляя от необходимости покупать отдельный кондиционер.

Узнайте, подходит ли тепловой насос для вашего дома. (Где вы живете, имеет значение).

Как работает тепловой насос?

Тепловой насос работает как альтернатива традиционной системе HVAC; Это не кондиционер.

Однако и кондиционеры, и тепловые насосы собирают тепло изнутри вашего дома с помощью сжатого хладагента. Когда воздух проходит через змеевик внутри воздухообрабатывающего устройства, собранное тепло впоследствии передается наружу. Тепловые насосы — это тоже не печи, это универсальный терморегулятор. Это означает, что он обогревает ваш дом в холодные месяцы и охлаждает ваш дом в теплые месяцы.

В то время как кондиционеры требуют использования сопутствующей печи, тепловой насос не требует этого. Тепловые насосы могут действовать как обогреватель или осушитель, в зависимости от обстоятельств. Кроме того, вместо того, чтобы устанавливать две отдельные системы для обогрева и охлаждения вашего дома, тепловые насосы обеспечивают обогрев и охлаждение внутри одной системы, отбирая тепло и перемещая его по воздуховодам за пределами вашего дома.

Как работают тепловые насосы?

Тепловые насосы не производят горячий или холодный воздух.Тепло всегда присутствует, даже в том воздухе, который кажется холодным. Даже сама земля содержит некоторый элемент тепла, что позволяет тепловым насосам обогревать дома в холодные дни. Проще говоря, тепловой насос может извлекать тепло из воздуха и передавать его в другое место.

Когда на улице теплая погода, тепловые насосы отбирают тепло из помещения и выталкивают его наружу. Теплый воздух всасывается в воздуховоды с помощью моторизованного вентилятора. Затем компрессор перемещает хладагент между внутренним испарителем и наружными конденсаторными блоками.Теплый воздух перемещается через воздухообрабатывающий агрегат вместе с хладагентом, перемещающимся от внешнего змеевика конденсатора к внутреннему змеевику испарителя. Тепло, поглощаемое хладагентом, вызывает охлаждение воздуха, который, наконец, проталкивается по воздуховодам, охлаждая ваш дом.

Когда на улице холодно, тепловые насосы реверсируют. Они ведут себя как кондиционер, используя внешний змеевик в качестве испарителя, а внутренний змеевик в качестве конденсатора для извлечения тепла извне и передачи его внутрь. Оттуда хладагент проходит по замкнутой системе между внутренним и наружным блоками.Тепловой насос вырабатывает тепло и использует печь для продувки теплого воздуха по воздуховодам в вашем доме.

Компоненты теплового насоса

Тепловой насос состоит из внутреннего и наружного блока

Наружный блок или тепловой насос

Наружный блок состоит в основном из змеевика конденсации и компрессора. Внутри этого компрессора находится реверсивный клапан, вентилятор и двигатель. Он также содержит элементы управления размораживанием и все основные электрические компоненты системы.

Воздухоочиститель

Воздухоочиститель должен быть соответствующим образом согласован с наружным блоком.Он состоит из змеевика испарителя, электродвигателя вентилятора и электрического нагревателя. Воздухоочиститель отвечает за эффективное перемещение воздуха по всему дому.

Нагреватель

Если тепловой насос не может эффективно обогреть свой дом, включится аварийный электрический обогреватель. Электронагреватель состоит из всех элементов, которые также находятся внутри воздухообрабатывающего агрегата; Блок нагревателя — это электрические нагревательные элементы, установленные в этом воздухообрабатывающем устройстве.

Хладагент

Хладагент — это жидкость, которая циркулирует в системе теплового насоса, поглощая или отводя тепло.Его основная цель — облегчить процесс теплообмена, что позволяет насосу обогревать ваш дом. Хладагент — это химическое соединение, которое использует минимальную энергию для преобразования жидкости в газ и обратно.

Компрессор и змеевики

Компрессор перекачивает хладагент между двумя змеевиками теплообменника. Воздухоочиститель для помещений состоит из змеевика и вентилятора. В режиме охлаждения змеевик действует как испаритель, испаряя хладагент при низком давлении и поглощая тепло из окружающей среды. В режиме нагрева змеевик действует как конденсатор.В обоих случаях вентилятор отвечает за транспортировку воздуха через змеевик и по всему дому.

Реверсивный клапан

Реверсивный клапан — это электромагнитный четырехходовой клапан, который меняет направление потока хладагента с помощью магнита. При подключении к электричеству открывается обратный клапан и разрешает воздушный поток. При отключении он закрывается и поток останавливается. Реверсивный клапан отвечает за движение воздуха в ваш дом и из него.

Клапан теплового расширения

Клапан теплового расширения — жизненно важный элемент теплового насоса; это то, что делает возможным кондиционирование (охлаждение).Расширительный клапан регулирует скорость потока хладагента, циркулирующего в системе теплового насоса. Это регулирование осуществляется с помощью термочувствительной лампы. При повышении температуры колба открывает клапан против пружины. Регулирование, обеспечиваемое клапаном теплового расширения, позволяет снизить давление и температуру хладагента.

Рекомендации

Тепловые насосы предназначены для умеренного климата, а не для экстремальных температур.Не рекомендуется использовать тепловые насосы в регионах, где температура опускается ниже 30 градусов. При низких температурах тепловому насосу сложно отводить тепло, и он становится намного менее эффективным.

Независимо от того, заменяете ли вы существующую систему HVAC или устанавливаете ее впервые, необходимо учитывать ряд факторов.

Если вы не уверены, следует ли вам использовать тепловой насос или кондиционер и печь, позвоните Эйману по телефону (402) 731-2727. Мы поможем вам найти подходящую систему для ваших конкретных нужд.

Что такое тепловой насос и как он работает?

Тепловые насосы — это, по сути, холодильник в обратном направлении, они используют электричество для извлечения тепла из земли, воздуха или даже воды. В большинстве домов будет использоваться тепловой насос с источником воздуха, который находится снаружи здания и выглядит как кондиционер.

Около 30 000 устанавливаются в домах Великобритании каждый год, но в декабре 2020 года советники правительства Великобритании, Комитет по изменению климата (CCC), заявили, что к 2030 году этот показатель должен вырасти до миллиона в год.Совет прозвучал всего через несколько дней после того, как правительство Великобритании поставило цель — 600 000 в год к 2028 году. Теперь правительство надеется прекратить продажу новых газовых котлов с 2035 года, оставив дыру, которую, как ожидается, заполнят тепловые насосы.

Но чем тепловой насос по сравнению с газовым котлом? Какие изменения вам, возможно, придется внести? Как перейти от крошечной цепочки поставок сегодня к миллиону установок в год за десятилетие? Откуда будет все электричество для их работы? А почему не водородные котлы?

Почему тепловые насосы?

Слегка бойкий ответ — они здесь и работают.В настоящее время готово несколько альтернатив зеленого отопления. Поставки низкоуглеродного водорода не существуют за пределами небольших испытаний, а водородные котлы — это еще не вещь, которую вы можете купить для обогрева своего дома. По данным CCC, централизованное теплоснабжение, при котором тепло подается из крупного центрального источника в городе, подходит только для пятой части домов в Великобритании. Электрическое отопление неэффективно. Остались тепловые насосы.

Как работают тепловые насосы?

Тепловой насос с воздушным источником воздуха работает за счет извлечения потенциальной тепловой энергии из воздуха до -15 ° C с помощью теплообменника, который сжимает хладагент и увеличивает его температуру.Затем эта более высокотемпературная жидкость проходит через конденсатор, где тепловая энергия используется для нагрева воды и систем отопления в вашем доме. Это аналогичный процесс для систем тепловых насосов с грунтовым источником, но вместо использования тепловой энергии из воздуха он использует воду, которая перемещается по подземным трубам.

Весь процесс выполняется без необходимости подачи газа, вместо этого требуется только электричество для питания насоса, что снижает общую зависимость от ископаемого топлива. Этот эффект затем усиливается при использовании вместе с возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечные батареи.

Кто их получит в первую очередь?

В Великобритании любой, кто покупает новый дом после 2023 года, или любой, кто живет в одном из примерно 15 процентов домов, не подключенных к газовой сети, кто полагается на загрязняющие окружающую среду и дорогие варианты, такие как масляные котлы. По оценкам CCC, на эти две группы будет приходиться около 4 миллионов из 5 миллионов тепловых насосов, которые он ожидает в домах Великобритании к 2030 году.

«В ближайшие годы мы увидим быстрый рост использования тепловых насосов. Нет никаких причин, по которым они не могли бы де-факто стать системами отопления в течение следующего десятилетия или около того », — говорит Грег Джексон из британской энергетической компании Octopus Energy.

Дорогая ли установка системы теплового насоса?

«Они определенно стоят больше [чем газовый котел], — говорит Ричард Лоуз из Университета Эксетера, Великобритания, — обычно в три раза дороже установки газового котла, — говорит он. Текущие расходы примерно такие же, потому что сокращение ваших счетов за газ компенсируется увеличением потребления электроэнергии, а единицы электроэнергии стоят больше, чем газ. По словам Лоуэса, большое преимущество заключается в том, что они служат дольше, чем 10-15 лет газового котла.

Макс Холливелл из Mitsubishi Electric, производящей тепловые насосы в Великобритании, говорит, что насос, забирающий тепло из воздуха, обычно может стоить от 7000 до 8000 фунтов стерлингов, хотя цена варьируется в зависимости от размера вашего дома и его эффективности. является.Большинство производителей, производящих машины, имеют опыт работы либо в системах кондиционирования воздуха (например, Mitsubishi), либо в газовых котлах (например, Vaillant в Германии), поэтому Холливелл считает, что от эффекта масштаба мало что можно выиграть.

Он считает, что экономию можно было бы получить за счет расширения сегодняшнего небольшого числа установщиков, чтобы охватить больше сантехников «один человек и его группа». Некоторые установщики взимают дополнительную плату, например, из-за большого расстояния до дома. Холливелл считает, что со временем затраты могут снизиться на 15–20%.

Именно из-за этих более высоких затрат правительство Великобритании объявило 18 октября 2021 года, что с апреля 2022 года начнет предлагать домохозяйствам субсидии в размере 5000 фунтов стерлингов на покупку теплового насоса.

Хорошо ли с тепловыми насосами жить?

Когда они у вас есть, они, как правило, уходят на второй план. Для его получения требуется более сложный набор соображений, чем просто установка нового бойлера. Во-первых, дом должен быть максимально эффективным, иметь изоляцию и защиту от сквозняков. Это связано с тем, что тепловые насосы работают более эффективно при более низких «температурах подачи» — температуре воды, протекающей через радиаторы или полы с подогревом.

Вам также понадобится бак или баллон с горячей водой, который во многих британских домах убрали после установки комбинированных газовых котлов. «Я думаю, что это одна из самых больших проблем потребителей. Но инженеры устанавливают их на чердаках и в карнизах, и это очень разумно », — говорит Лоуз. Некоторым домам могут потребоваться новые радиаторы с двойными панельными радиаторами, а не с однопанельными.

После установки теплового насоса он обычно дольше работает при более низких температурах, чем газовый котел.«Это намного лучше для внутренней температуры, она не так сильно повышается и понижается, что может помочь с проблемами конденсации», — говорит Лоус.

Две страшилки — это то, что они огромные и шумные. Ян Розенов из некоммерческой организации по оказанию помощи в области экологически чистой энергии «Проект помощи в регулировании» в прошлом году установил один из них в своем саду. Большой мотивацией для него была экономия углерода, но он также писал в блоге о сокращении своих счетов за электроэнергию. Он говорит, что шум и размер не имеют значения.

«Никто не жаловался.Мы этого не слышали, не заметили », — говорит он, добавляя, что его семья обычно бывает в саду только летом, когда насос не работает, поэтому шум не был проблемой.

Как еще люди их используют?

Octopus Energy собрала данные о 157 потребителях тепловых насосов по своему тарифу Agile, который взимает больше за электроэнергию в часы пик и меньше — в непиковое время. Некоторые владельцы тепловых насосов с поставщиками экономят деньги, выключая или выключая свой тепловой насос в часы пик.

Как мы можем получить от менее 100 000 в Великобритании до 5 с лишним миллионов за десятилетие?

Даже CCC называет цепочку поставок «слабой».«Рост должен быть таким быстрым. «Это такая огромная трансформация рынка», — говорит Лоуз. Розенов говорит, что история преподает уроки того, насколько это будет тяжело.

Ранняя схема, направленная на то, чтобы побудить людей перейти на более чистые системы отопления, называемая стимулом для возобновляемого тепла (RHI), предусматривает поставку 520 000 установок в период с 2014 по 2022 год. По состоянию на октябрь 2020 года было выполнено всего около 80 000 установок. «Это говорит о том, что 600 000 тепловых насосов в 2028 году — это непросто», — говорит Розенов.

Часть проблемы состоит в том, чтобы найти достаточно квалифицированных людей, чтобы соответствовать им.«Основную озабоченность вызывают навыки работы с цепочкой поставок. Просто не хватает людей, чтобы их установить », — говорит Дженни Холланд из Совета по экологическому строительству Великобритании.

Вот пример масштаба: у Mitsubishi Electric около 1200 установщиков, что составляет около трети рынка тепловых насосов Великобритании. С другой стороны, компания заявляет, что людей можно быстро обучить их установке. Дженни Хилл из CCC говорит, что получать от 30 000 до 1 миллиона в год за десятилетие вполне реально, потому что группа проконсультировалась с представителями отрасли по поводу показателей потребления и сочла их «надежными и выполнимыми».

Что мешает тепловым насосам?

Статус-кво. «Я думаю, что самым большим препятствием является то, что газовые котлы дешевы, легко доступны и имеют хорошую цепочку поставок. Они хорошо работают, и люди их знают », — говорит Розенов. Он, Джексон и Холланд считают, что один из ответов — это «налог на грех» на цену газа, чтобы отразить, что в настоящее время он является более углеродоемким, чем электричество. Правительство Великобритании согласилось и в Стратегии отопления и строительства от 19 октября 2021 года заявило, что в течение следующего десятилетия начнет перенос экологических и социальных сборов со счетов за электроэнергию на счета за газ.Окончательное решение о том, как это будет работать, должно быть принято в 2022 году.

Субсидии, такие как продление правительством Великобритании гранта на строительство зеленых домов для домовладельцев в Англии, помогут, но одного их недостаточно, говорит Розенов. Есть еще и фактор хлопот, связанных с установкой.

Один большой риск — это плохо установленное оборудование, которое бросает тень на имидж тепловых насосов. «Это может сделать технологии дурной славой. Это большой риск для тепловых насосов, если не уделяется должного внимания качеству установки », — говорит Розенов.

Наконец, Великобритании понадобится больше чистой электроэнергии. Спрос падает в последние годы из-за мер по повышению эффективности, но CCC прогнозирует, что тепловые насосы в сочетании с электромобилями снова подтолкнут его.

Энергосети быстро справятся. «Поскольку спрос на электроэнергию снизился, у [электростанций] появилось много свободных мощностей, — говорит Лоус. В более долгосрочной перспективе для обеспечения пропускной способности потребуется гораздо больше ветряных электростанций, а местные провода потребуют «усиления», при этом расходы будут нести все плательщики счетов за электроэнергию.

Отказаться от газовых котлов в пользу тепловых насосов будет непросто, но реализация этого может показать другим странам путь вперед, говорит Розенов: «Это большая проблема, но если Великобритании удастся это сделать, это станет мировым… ведущий.

Как работают тепловые насосы — Разъясните это

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 15 апреля 2021 г.

Мы должны сжечь всю Землю, чтобы согреться? Глядя на последние пару сотен лет истории человечества, можно подумать, что это куда мы направляемся.Промышленная революция — и все это произошло с тех пор — работал от сжигания: сжигал уголь, затем нефть и природный газ, чтобы приводить в движение все, от паровых двигателей и силовые установки для автомобилей, лодок и самолетов. Последствия, помимо загрязнения, в том числе быстро нагревающаяся планета, которая в конечном итоге может оказаться слишком горячим, чтобы обращаться с ним. Есть много разговоров о Возобновляемая энергия- солнечные батареи, ветряные турбины и такие вещи, как собранная энергия с моря — но нужно время, чтобы выйти на берег. Там есть еще один способ производства возобновляемой энергии, о котором большинство людей не знает о всех. Тепловые насосы «мое» тепло похоронено только что под землей и переправить в здания, как кондиционеры работает в обратном направлении. Просто, эффективно и действенно, и широко используется в Скандинавия на протяжении десятилетий могла обеспечивать большую часть отопления нашего дома. потребности в будущем. Как именно они работают? Давай ближе Смотри!

Изображение: Основная концепция теплового насоса: он извлекает тепло из земли (или воздуха или воды снаружи) и закачивает его в здание. Единственная энергия, необходимая для этого, — это мощность для привода насоса.

Откуда происходит тепло внутри Земли?

Автомобильные двигатели и силовые установки получать полезную энергию путем сгорания — процесса сжигания топлива, такого как уголь или газ, с кислородом из воздуха, чтобы высвободить химическую энергию, заключенную внутри него. Но ты не обязательно нужно сжигать топливо, чтобы получить тепловую энергию. Когда я набираю эти слова, я сижу у окна, солнечный свет вливается и греется мои ноги (мое тело впитывает и накапливает пассивную солнечную энергию). То же самое происходит на всей Земле: когда Солнце светит на земля, вся эта энергия должна куда-то уходить, поэтому она согревает землю под.Хотя мы привыкли к тому, что температура меняется изо дня в день и из дня в ночь, гораздо менее очевидно, что под землей температура более постоянна, а в зимой, по крайней мере, значительно выше, чем на уровне земли: в верхних 3 метрах (10 футов) или около того поверхности Земли температура остается постоянной 10–20 ° C (50–60 ° F). Другими словами, под землей «похоронена» солнечная энергия, которую мы может «добывать» с помощью теплового насоса — машины, которая извлекает энергию из землю (или иногда из воды или даже воздуха) и закачивает ее внутрь холодное здание, чтобы его нагреть.

Фото: Геотермальный источник или подземный источник? Подобные гейзеры возникают, когда дождевая вода и талый снег капают через горячие камни внутри Земли, а затем снова поднимаются вверх в виде кипящего пара. Геологи подсчитали, что на нашей планете имеется около 42 миллионов мегаватт этой геотермальной энергии, что эквивалентно энергии, производимой 25 тысячами крупных электростанций! Однако наземные тепловые насосы используют не это «глубокое тепло», а более мягкое тепло ближе к поверхности, которое исходит от Солнца.Изображение Роберта Блэкетта, Геологическая служба штата Юта, любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE / NREL).

Одно небольшое замечание о терминологии. Хотя эти машины иногда называемые «геотермальными тепловыми насосами», это немного вводящее в заблуждение описание. Геотермальная энергия — это тепло, которое исходит от глубоко внутри Земли, которую мы можем видеть, выбегая на поверхность в горячие гейзеры или бурлящие лагуны в таких местах, как Исландия; мы можем использовать такую ​​дикую, экстремальную энергию только в относительно небольшом количестве очень специфических мест, как правило, с использованием геотермальных электростанций превратить его в электричество.С другой стороны, тепловые насосы использование более скромных объемов солнечной энергии, которые согревают Земля извне внутрь — и мы можем использовать это в значительной степени в любом месте. Во избежание недоразумений лучше говорить о наземных источниках. или геообменные насосы и зарезервировать слово геотермальные для гейзеров и лагуны.

Типы тепловых насосов

Вы часто будете слышать, как люди говорят о «геотермальных тепловых насосах». (которые собирают тепло под землей), потому что они наиболее распространены — и они самые распространенные, потому что они повсюду самый практичный и эффективный.Под землей и горными породами находится довольно постоянная температура изо дня в день, поэтому это предсказуемо эффективно. Мы также можем использовать тепловые насосы для извлечения тепло от воды (что-то вроде озера может показаться холодным, но, поскольку оно горячее, чем абсолютный ноль, он все еще содержит тепло, которое мы можем вытащить) или даже воздух. Насосы для подачи воды и воздуха (как их называют) гораздо реже, чем наземные. Это потому, что большинство из нас у нас на заднем дворе нет озер (исключая водяные насосы) и потому что воздух имеет тенденцию колебаться в температуре намного больше, чем земли, что делает его менее эффективным в качестве источника тепла (другими словами, повышение привлекательности грунтовых насосов).Стоит отметить, что можно использовать гибридные тепловые насосы, которые отбирают тепло как от наземные и воздух.

Иллюстрации: Три распространенных типа геонасосных тепловых насосов, основанных на замкнутых контурах: 1. Горизонтальный контур, в котором трубы проходят около поверхности земли, но на большой площади; 2. Вертикальный контур имеет более глубокие трубы, отбирающие больше тепла из более глубокой и теплой почвы; 3. Горизонтальная петля, использующая озеро или пруд в качестве источника тепла.

Замкнутый контур, заземление

В геотермальных тепловых насосах используется замкнутый контур трубы, и, поскольку он извлекает определенное количество тепла, он должен контактировать с определенное количество земли для этого.Есть два пути достижения что. Либо петля может проходить глубоко под землей в относительно небольшом области (так что это вертикальная труба) или она может проходить намного ближе к земли (примерно 1,5–2 м или 4–6 футов ниже поверхности) на значительном большую площадь (сделав из нее горизонтальную трубу). Вообще говоря, чем больше ваше здание, тем больше тепла вам нужно, и чем больше или глубже должна быть петля, чтобы отводить это тепло. Некоторые контуры тепловых насосов действительно огромны. Вертикальные петли могут работать 100 м (330 футов) под землей (длина спортивной спринтерской трассы) или иногда даже глубже, при этом горизонтальных петли могут растягиваться чуть более метра в глубину и до 200 м (650 футов) в поперечнике (они, как правило, длиннее вертикальных петель, потому что, находясь ближе к поверхности, зимой там будет прохладнее).

На практике большинство тепловых насосов имеют два замкнутых контура и теплообменник, передающий тепло от одного к другому. Итак, есть очень большая петля, уходящая в землю, наполненная водой и антифриз и гораздо меньший контур, который забирает тепло от этого контура и передает его в систему отопления.

Открытый контур, источник воды

Если вы пытаетесь извлечь тепло из чего-то вроде озера, пруда, или река, нет причин, по которым одна из петель не может быть открыта.В другими словами, вы можете качать воду (содержащую тепло) из озера сам, отводите тепло с помощью теплообменника и второго контура, затем верните воду (немного охлажденную, потому что вы сняли тепло) обратно в другую часть озера на некотором расстоянии (так что там достаточной разницы температур для отвода тепла эффективный). Подобная система называется разомкнутой, а иногда и поверхностный водяной тепловой насос. Если вода в озере не подходит для откачки (возможно, потому, что он слишком заилен), можно потопить вместо этого замкнутый контур и отводите тепло так же, как мы извлеките его из земли.

Источник воздуха

Тепловые насосы также могут забирать тепло из воздуха снаружи здания и накачать его внутрь — так что они эффективно работают как кондиционеры наоборот, с основной целью отопление здание вместо охлаждения, но по тому же принципу. В течение зимой температура воздуха намного более изменчива, чем температура земли температуры (воздух нагревается и остывает намного быстрее и меняется более беспорядочно, чем на поверхности или на глубоком уровне земли под вашим домом), поэтому тепловые насосы с воздушным источником, как правило, эффективные и менее надежные, чем грунтовые или водные.Очевидно, из земли извлечь полезное тепло намного проще. чем из-за ветреного воздуха над ним, который мог быть на десять градусов холоднее.

Преимущества и недостатки тепловых насосов

: Вы могли подумать, что тепловые насосы будут использоваться только в очень холодных странах; На Швецию и Швейцарию приходится четверть мировых тепловых насосов. Но эту технологию можно использовать практически где угодно. Половина установленной в мире мощности тепловых насосов находится в Соединенных Штатах (где насчитывается более миллиона отдельных единиц), чуть более трети — в Европе (где доминирует Швеция), а оставшаяся часть — в Азии.Статистические данные геотермальных тепловых насосов: Обзор состояния рынка: февраль 2009 г. (Краткое содержание), Министерство энергетики США (см. Ссылки ниже).

Преимущества

У тепловых насосов есть много преимуществ. Широко используются все во всем мире на протяжении десятилетий это проверенные временем машины с относительно немного движущихся частей, поэтому они долговечны, надежны, очень тихий и очень низкие эксплуатационные расходы. Помимо электричества, необходимого для приводят в действие насос, они не потребляют топлива, поэтому производят мало или не производят выбросы углерода (совсем отсутствуют, если насос работает на 100%) возобновляемо с помощью чего-то вроде фотоэлектрических солнечных панелей или ветряная турбина) и без загрязнения (также отсутствует риск отравления угарным газом, как при любой вид топочного отопления).Отсутствие топлива означает отсутствие топлива доставлены, оплачены, перемещены или надежно хранятся (в отличие от котлы, работающие на твердом топливе, таком как биомасса, нефть или уголь).

А как насчет точных цифр? Как мы уже видели, волшебство теплового насоса состоит в том, что перемещает в несколько раз больше энергии, чем потребляет ; другими словами, его эффективность превышает 100% (300–400%). типично) по сравнению с лучшими конденсационными газовыми котлами, которые редко превышает КПД 90 процентов.Одно общее измерение КПД тепловых насосов называется КПД (CoP), и это просто количество тепла, которое вы выводите из своей системы. делится на электрическую энергию, которую вы вкладываете в насос. Типичные значения CoP находятся в диапазоне 3–4.

По данным Министерства энергетики США, тепловые насосы позволяют экономить 30–70 энергии в год. процентов расходов на отопление зимой и 20–50 процентов затрат на охлаждение летом. Они примерно на 50 процентов эффективнее газовых печей (газовые котлы центрального отопления) и на 75 процентов более эффективны, чем печи на жидком топливе (котлы на жидком топливе).То есть окупаются за 2–10 лет. (очевидно, в зависимости от типа системы, от того, что она заменяет, и другие факторы, например, насколько хорошо ваш дом изолирован, чтобы сохранить нагреть вытяжки насоса) и длиться от двух до трех десятилетий (с заземляющий контур часто имеет гарантию до 50 лет), поэтому долгосрочное экономическое обоснование их установки в новостройках очень неотразимый. И владельцы, кажется, любят их: по данным Министерства энергетики США, рейтинг удовлетворенности пользователей составляет около 90 процентов!

Диаграмма: В Европе наблюдается устойчивый рост производства энергии с использованием тепловых насосов.К концу 2020 года в 21 европейской стране было установлено в общей сложности почти 15 миллионов насосов. За 15 лет с 2005 по 2020 год общее количество установленных тепловых насосов в регионе увеличилось почти в 15 раз. При этом Европа в настоящее время охватывает очень большую территорию и огромное разнообразие разных стран, и некоторые из них проявляют заметно больший энтузиазм, чем другие: технология была очень хорошо принята, например, во Франции и Швеции, и всего в шести странах (Франция, Швеция, Германия, Италия, Норвегия и Финляндия) отвечают за более 80 процентов всей Европы, производимой наземными источниками энергии.Статистика и данные любезно предоставлены Европейская ассоциация тепловых насосов.

Недостатки

Нужна земля, на которой можно утопить петлю и процесс строительства может быть дорогостоящим и разрушительным (что это еще одна причина, по которой тепловые насосы лучше подходят для новостроек). Нагревать насосы не производят такие высокие температуры, как газовые котлы и печи, поэтому их часто используют с низкотемпературными пол с подогревом. Обычные радиаторы, вероятно, будут производить значительно более низкие температуры от теплового насоса, чем от обычного газового котла, поэтому им потребуется больше времени для нагрева твой дом от холода.В отличие от электрического и газового отопления, которое могут использоваться практически в любом здании, тепловые насосы зависят от местных геология и климат, поэтому вам нужно это учитывать; и очевидно, их нельзя использовать только для одной квартиры на 93 этаже! Еще одним важным моментом является то, что тепловые насосы необходимо правильно установить. Одно британское исследование, опубликованное в 2010 году, показало, что 80 процентов тепловых насосов были неправильно установлены и сильно отстает — иногда потребляет больше энергии чем они на самом деле производили.

Но у всех видов отопления есть свои плюсы и минусы.Взято в круглые, тепловые насосы являются очень привлекательной долгосрочной альтернативой (или дополнением) к зеленые технологии, такие как солнечные панели для горячей воды, фотоэлектрические солнечные панели и пассивный солнечный.

Кто изобрел геотермальный тепловой насос?

Фото: Термодинамические исследования лорда Кельвина — науки о движущемся тепле — лежат в основе современной технологии тепловых насосов. Фото Т. и Р. Аннан и сыновья любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США.

Кого мы должны благодарить за эту блестящую идею? Теория тепловых машин (машин, способных генерировать механическую энергию путем нагрева топлива) в основном началось с французского инженера Николя Сади Карно (1796–1832), кто заложил основы современной науки термодинамики (как движется тепло).Британский ученый лорд Кельвин (Уильям Томсон, в честь кого названа температурная шкала Кельвина) основанный на работе Карно, он разработал теорию тепловых насосов (как машина может перемещать тепловую энергию из одного места в другое).

Работа Кельвина была посвящена теоретическому движению тепла; эффективные, практичные тепловые насосы по-настоящему появились только в первые десятилетия 20-го века, когда электроэнергия получила широкое распространение, что дало нам такие незаменимые изобретения, как электрические холодильник и кондиционер.Швейцарский инженер мексиканского происхождения Генрих Зелли изобрел современный, с электрическим приводом, работающим на земле, в 1912 году. После этого многие изобретатели улучшили идея. Примерно в 1930 году Дуглас Уорнер разработал систему кондиционирования воздуха, использующую землю в качестве радиатора. (что, по сути, представляет собой идею теплового насоса с грунтовым источником, работающую в обратном направлении), для которой в 1934 году ему был выдан патент США 1 957 624: Кондиционирование воздуха с охлаждением почвы и солнечным теплом. По словам геолога Дэвида Бэнкса, Роберт С.Уэббер из Индианаполиса разработал один из первых практичных работающих тепловых насосов примерно в 1945 году после экспериментов с использованием отработанной энергии своего холодильника для обогрева дома. Развивая идею еще дальше, он закопал под землей медный змеевик длиной 152 м и вместо этого использовал его для извлечения тепла. Он продал права на эту идею группе местных предприятий в 1948 году, но я не могу найти никаких записей о патенте на него ни на его имя, ни на имя компании (Webber Engineering Corporation).

Изображение: один из первых геотермальных тепловых насосов, разработанный Марвином Смитом и Эмори Кемлером, из Патент США № 2461449: Тепловой насос, использующий глубокий колодец в качестве источника тепла.Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Как это работает

Первый тепловой насос, который я выбрал для иллюстрации, был запатентован Марвином Смитом и Эмори Кемлером из Muncie Gear Works, Inc. в конце 1940-х годов. Водяной тепловой насос Смита и Кемлера 1940-х годов — это , а не , первый в мире геотермальный насос, но это самый ранний насос, для которого я могу найти достойную диаграмму. Как и большинство тепловых насосов, он может работать как обогреватель, так и как охладитель. Здесь я раскрасил и пронумеровал, чтобы показать, как он работает как тепловой насос.Хотя эта диаграмма на первый взгляд выглядит сбивающей с толку, она проще, чем кажется: есть два отдельных контура жидкости, соединенных парой теплообменников (красный и синий прямоугольники вверху). Нижний контур отводит тепло от водяного колодца внизу, а верхний контур передает это тепло всему, что нагревает насос. Более подробно, вот как это работает: (1) Тепло извлекается из глубоководного колодца, проходит через клапаны (2) в теплообменник (3), а затем возвращается по контуру в более холодную, более высокую часть. тот же колодец (4).Теплообменник проходит тепло к жидкости в замкнутом контуре, где она отдает свое тепло «приемнику» (6, комната или что-то еще, что нагревается), перед тем, как пройти обратно по петле, чтобы подобрать еще. Вы можете прочитать подробное объяснение в патенте США № 2461449: Тепловой насос, использующий глубокий колодец в качестве источника тепла.