Тепловые насосы

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 кон-

Денсатора. 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.

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-

№ Т°С

Рис. .,5.2. Зависимость КОП от температуры окружающего воз­духа.

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.