ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗДУХА
Наибольшее распространение получили тепловые насосы с воздухом в качестве источника тепла с самого начала их применения в домашних условиях. В основном воздух же является и тепловым, стоком. Типичный домашний воздухо-воздушный тепловой насос, поступивший в продажу в Англии в 60-е годы, показан на рис. 5.1. Наружный воздух прогоняется через оребренные трубки испарителя, внутри которых циркулирует рабочее тело. Подобным же образом тепло отводится от конденсатора к воздуху внутри дома. Как и в других тепловых насосах, все компоненты можно собрать в один агрегат либо сделать установку раздельной, когда конденсатор находится на существенном расстоянии от испарителя.
Как источник тепла воздух обладает рядом недостатков, поэтому требуется тщательная оптимизация конструкции в зависимости от места установки, где температура воздуха может быть существенно различной.
Характеристики теплового насоса и в особенности КОП уменьшаются по мере увеличения разности температур испарителя и конденсатора.
|
1 — иаружпый воздух; 2 — испаритель; 3 — двигатель вептилятора; 4 — выброс охлажденного воздуха; 5 — вептилятор наружпого воздуха; 6 — коидепсатор; 7 — холодный воздух из компаты; 8 — регулятор расхода; 9 — двигатель вентилятора; 10 — нагретый воздух в ком - пату; —вептилятор впутреппего воздуха; 12 — обратпые клапапы; ]3 — капилляры; 14 — распределительный клапап; 15 — клапап разгрузки компрессора; 16 — распределитель потока; 17 — компрессор. |
Это оказывает особенно неблагоприятное влияние на тепловые насосы с воздушным источником тепла. По мере снижения температуры окружающего воздуха требуемое количество тепла для отопления повышается, но способность теплового насоса поддерживать даже постоянную тепловую мощность существенно снижается. На рис. 5.2 показана зависимость КОП от температуры окружающего воздуха [4]. Для преодоления этого недостатка разработан ряд мероприятий.
|
4* |
Дополнительный нагрев. Стоимость теплового насоса с любым источником тепла заметно выше, чем обычной центральной котельной, по крайней мере для условий Англии и большинства стран Ев-
15 Т°С
Рис. .,5.2. Зависимость КОП от температуры окружающего воздуха.
|
Рис. 5.3. Точка равновесия и дополнительный нагрев на диаграмме для теплового насоса тнпа йоздух — воздух. |
|
1 — производительность теплового насоса; 2 — тепловые потерн зданпя; 3 — дополнительный нагрев; 4 — точка баланса.
Рнс. 5.4. Применение солнечного нагрева воздуха, входящего в испаритель теплового насоса. |
Ропы. Чем большую долю покрывает тепловой насос в домашней тепловой нагрузке, тем выше разница в капиталовложениях, поэтому тепловые насосы, как правило, рассчитываются лишь на часть годовой тепловой нагрузки, а оставшуюся часть дает дополнительный нагреватель, чаще всего электрический (в США) и на органическом топливе (в Европе). Выбор между ними определяется соотношением капитальных и эксплуатационных затрат. Если тепловой насос обеспечивает и воздушное кондиционирование летом, его размеры и. мощность могут диктоваться именно этим применением.
Характеристики дополнительного нагрева для домашних тепловых насосов показаны на рис. 5.3. Графики построены для теплового насоса воздух—воздух, выпускаемого фирмой General Electric, в США. Из графика видно, что дополнительный нагрев требуется, когда температура окружающего воздуха падет ниже нуля, при этом тепловые потери здания превосходят тепловую мощность насоса. Для повышения экономической эффективности системы включение дополнительного нагревателя, в данном случае электрического, рекомендуется только тогда, когда тепловой насос не может покрыть полную нагрузку.
Наиболее эффективным способом управления дополнительным нагреванием являются внутренний и внешний термостаты. Внутренний термостат имеет две. ступени, из них первая управляет только тепловым насосом. Вторая ступень управления связана с внешним термостатом и включает дополнительное нагревание только тогда, когда окружающая температура падает ниже точки баланса.
Дефростация. В дополнение к обсуждению дефростации в разд. 4.5 были рассмотрены два интересных исследования [5, 6].
Использование солнечной энергии как источника тепла с помощью солнечного коллектора обсуждается ниже, но одну интересную идею, относящуюся к дефростации [8], покажем на рис. 5.4. Окружающий воздух проходит на чердак дома в пространство под крышей, которая нагревается солнцем. Испаритель, не показанный на рисунке, смонтирован под верхней точкой крыши. Остаточный нагрев конструкции крыши повышает эффективность этой системы и в тот период времени, когда нет прямого солнечного нагрева, что минимизирует необходимость в циклах дефростации.
Сводная табл. 5.1 относительных достоинств, и недостатков основных источников тепла для домашних тепловых насосов, преимущественно для условий США, заимствована из работы [7]. Как отмечалось ранее, основной недостаток воздуха состоит в снижении возможности получения тепла от воздуха при возрастании потребностей, однако общедоступность источника компенсирует этот недостаток.
