Правда и мифы о КПД теплового насоса

Преимуществом альтернативных источников энергии является их доступность и дешевизна. Тепловые насосы (тн) используют преобразованную энергию воздуха, воды или грунта, которые являются бесплатными в отличие от газа или угля. Но следует учитывать, что при установке тепловых насосов большие капитальные вложения, которые требуют времени, чтобы окупиться.

Расчет КПД теплового насоса может привести к абсурдным значениям, когда он будет больше 100%. Стандартная формула вычисления КПД некорректна и ошибкой обычно является неучтенный источник энергии (воздух, вода или грунт). У тепловых насосов 2 источника энергии — это электричество и внешний источник тепла (энергия воды, грунта, воздуха), а обычные формулы учитывают только электроэнергию, поэтому получаются значения больше 100%.

Некорректный расчет КПД тн:

• потребление электричества 2 КВт;
• отдает в систему 5 Квт;
• из внешнего источника 6 Квт.

Pпотр./Pсети = 5/2 = 2,5

Такой расчет неправильный, так как здесь нет данных второго источника энергии.

Корректный расчет КПД тн:

Pпотр. /(Pсети + Pист.) = 5 /(2 + 6) = 0,63

Узнать количество низкопотенциальной энергии довольно затруднительно, что и приводит к ошибке.

Чтобы избежать неправильных расчётов были введены специальные коэффициенты:

• COP — определяет во сколько раз тепловая энергия, которую получил потребитель, превышает количество работы необходимой для переноса тепла от низкопотенциального источника;
• степень термодинамического совершенства — оценивает насколько действительный тепловой цикл насоса приближен к идеальному.

В поисках теплонасоса можно наткнуться на рекламное объявление, содержащее неправильную характеристику устройства. Продавцов, распространяющих подобные данные, следует остерегаться. Ведь заявлять, что КПД теплового насоса составляет 300 – 1000% – не только безграмотно, но и некорректно по отношению к покупателям.

Сравнение КПД тепловых насосов: вода, грунт, воздух

Поскольку реально оценить количество энергии, извлекаемой из альтернативного источника, задача достаточно сложная, сделать сравнение КПД тепловых насосов вода, грунт, воздух так же затруднительно. Разумнее сопоставить расходы на эксплуатацию оборудования и эффективность обогрева объекта.

Воздушный тепловой насос

Установка воздушного тн обходится дешевле, но он будет потреблять много электроэнергии. Его эффективность напрямую зависит от температуры окружающей среды. В сильные морозы — ниже -25°С — такое устройство обогрев помещения не обеспечит, есть модели до -40°С.

Водяной тепловой насос

Водяные тн начнут терять эффективность в сильные морозы, внешней энергии будет недостаточно и потребуется дополнительный источник тепла.

Грунтовые тепловые насосы

Грунтовые тн работают стабильно круглый год. Температура земли на глубине является неизменной, поэтому эффективность таких устройств от поры года не зависит. Однако, для бурения скважин и обустройства коллектора необходимо вложение крупных сумм денег, поэтому установка геотермального теплового оборудования оправдана только в расчете на долгосрочную перспективу.

Расчет COP теплового насоса

СОР рассчитывают на основании показателей температуры источника (Т1) и воды в системе обогрева (Т2), по формуле: СОР = Т2/(Т2 – Т1). Следует учитывать, что tº в этом случае измеряется в Кельвинах. К принятому у нас показателю в Цельсиях добавляют число 273 и производят дальнейшие расчеты.

Для примера: если tº земли составляет 5 градусов Цельсия, а в отопительном контуре она держится на уровне 55, сперва следует преобразовать данные в другую систему измерения: 5+273 = 278 К, 55+273 = 328 К. СОР = 328 / (328 – 278) = 6,56.

Производя расчет COP теплового насоса, необходимо помнить, что он предполагает работу оборудования без учета потерь (при идеальных условиях). На практике значение COP будет гораздо ниже.

Температуру источника изменить невозможно, поэтому для повышения эффективности следует позаботиться о низкотемпературной системе отопления.

Эффективность и перспективы использования тепловых насосов

Эффективность

В процессе работы компрессор потребляет электроэнергию. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина.

По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество источника низкопотенциального тепла, стремясь не сильно его охлаждать. Тепловые насосы делают так, чтобы масса низкотемпературного источника тепла была значительно большей, чем нагреваемая масса (масса воды в скважине или в земляном контуре была значительно больше массы воды в радиаторах и водяном полу). Для этого, также, необходимо увеличивать площади теплообмена, чтобы перепад температур между источником тепла и холодным рабочим телом, а также между горячим рабочим телом и отапливаемой средой был поменьше. Это снижает затраты энергии на отопление, но приводит к росту габаритов и стоимости оборудования.

Условный КПД тепловых насосов

Даже современные парогазотурбинные установки на электростанциях выделяют большое количество тепла, что и используется в когенерации. Тем не менее, при использовании электростанций, которые не генерируют попутное тепло (солнечные батареи, ветряные электростанции, топливные элементы) применение тепловых насосов имеет смысл, так как такое преобразование электрической энергии в тепловую более эффективно, чем использование обычных электронагревательных приборов.

В действительности приходится учитывать накладные расходы по передаче, преобразованию и распределению электроэнергии (то есть услуги электрических сетей). В результате отпускная цена электричества в 3-5 раз превышает его себестоимость, что приводит к малой финансовой эффективности использования тепловых насосов по сравнению с газовыми котлами при доступном природном газе. Однако, отсутствие газа во многих районах приводит к необходимости выбора между обычным преобразованием электрической энергии в тепловую и с помощью теплового насоса, который в данной ситуации гораздо более эффективен.

Непосредственный теплообмен DX

Хладагент (антифриз) подаётся непосредственно к источнику земного тепла по медным трубкам — это обеспечивает высокую эффективность геотермальной отопительной системы.

Испаритель устанавливают в грунт горизонтально ниже глубины промерзания или в скважины диаметром 40-60 мм пробуренные вертикально либо под уклоном (к примеру 45 град) до глубины 15-30 м. Благодаря такому инженерному решению устройство теплообменного контура производится на площади всего несколько квадратных метров, не требует установки промежуточного теплообменника и дополнительных затрат на работу циркуляционного насоса.

Примерная стоимость отопления современного утеплённого дома площадью 120м2 Калининградская область 2012 год. (Годовое энергопотребление 20 000 кВт*ч)

Тип системы отопления

Цена (руб/кВт*ч)

Эффективность

Годовые затраты

Геотермальные DX с воздушной системой отопления

Класические геотермальные насосы

Воздушный тепловой насос

Преимущества и недостатки

К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с кпд до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Ещё одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы или системы «холодный потолок».

Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.

Важной особенностью системы является её сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.

Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

Хотя идея, высказанная лордом Кельвином в 1852 году, была реализована уже спустя четыре года, практическое применение теплонасосы получили только в 30-х годах прошлого века. В западных странах тепловые насосы применяются давно — и в быту, и в промышленности. Сегодня в Японии, например, эксплуатируется более 3 миллионов установок, в Швеции уже в 2006 году более 500 000 домов обогревалось тепловыми насосами различных типов.

К недостаткам тепловых насосов, используемых для отопления, следует отнести большую стоимость установленного оборудования. Этот недостаток компенсируется тем, что для теплового насоса нет необходимости обустраивать отдельное помещение под котельную с соблюдением дорогостоящих технических норм, как в случае с газовым котлом.

Перспективы

Для установки теплового насоса необходимы высокие первоначальные затраты: стоимость насоса и монтажа системы составляет $300–1200 на 1 кВт необходимой мощности отопления. Время окупаемости теплонасосов составляет 4-9 лет, при сроке службы до 20 лет до капитального ремонта. Капитальный ремонт, как правило, ограничивается заменой компрессора (подобно тому, что устанавливается в холодильниках).

Ещё более многообещающей является система, комбинирующая в единую систему теплоснабжения геотермальный источник и тепловой насос. При этом геотермальный источник может быть как естественного (выход геотермальных вод), так и искусственного происхождения (скважина с закачкой холодной воды в глубокий слой и выходом на поверхность нагретой воды).

Другим возможным применением теплового насоса может стать его комбинирование с существующими системами централизованного теплоснабжения. К потребителю в этом случае может подаваться относительно холодная вода, тепло которой преобразуется тепловым насосом в тепло с потенциалом, достаточным для отопления. Но при этом вследствие меньшей температуры теплоносителя потери на пути к потребителю (пропорциональные разности температуры теплоносителя и окружающей среды) могут быть значительно уменьшены. Также будет уменьшен износ труб центрального отопления, поскольку холодная вода обладает меньшей коррозионной активностью, чем горячая.

Ограничения применимости тепловых насосов

Основным недостатком теплового насоса является обратная зависимость его эффективности от разницы температур между источником теплоты и потребителем. Это накладывает определённые ограничения на использование систем типа «воздух — вода». Реальные значения эффективности современных тепловых насосов составляют порядка СОР=2.0 при температуре источника −20 °C, и порядка СОР=4.0 при температуре источника +7 °C. Это приводит к тому, что для обеспечения заданного температурного режима потребителя при низких температурах воздуха необходимо использовать оборудование со значительной избыточной мощностью, что сопряжено с нерациональным использованием капиталовложений (впрочем, это касается и любых других источников тепловой энергии). Решением этой проблемы является применение так называемой бивалентной схемы отопления, при которой основную (базовую) нагрузку несет тепловой насос, а пиковые нагрузки покрываются вспомогательным источником (газовый или электрокотел). Оптимальная мощность теплонасосной установки составляет 60…70 % от необходимой установленной мощности, что также влияет на закупочную стоимость установки отопления тепловым насосом. В этом случае тепловой насос обеспечивает не менее 95 % потребности потребителя в тепловой энергии за весь отопительный сезон. При такой схеме среднесезонный коэффициент преобразования энергии для климатических условий Центральной Европы равен порядка СОР=3. Коэффициент использования первичного топлива для такой системы легко определить, исходя из того, что КПД тепловых электростанций составляет от 40 % (тепловые электростанции конденсационного типа) до 55 % (парогазовые электростанции). Соответственно, для рассматриваемой теплонасосной установки коэффициент использования первичного топлива лежит в пределах 120 %…165 %, что в 2…3 раза выше, чем соответствующие эксплуатационные характеристики газовых котлов (65 %) или систем центрального отопления (50…60 %). Понятно, что системы, использующие геотермальный источник теплоты или теплоту грунтовых вод, не имеют этого недостатка. Следствием этого же недостатка является необходимость использования низкотемпературных систем отопления (системы поверхностного нагрева типа «теплый пол», воздушные системы отопления с применением фен-койлов и т. п.). Однако это ограничение касается только устаревших радиаторных систем отопления, практически не находящих применения в современных технологиях строительства.

COP

COP — от английского (Coefficient of performance) Коэффициент полезного действия теплового насоса. Представляет собой отношение тепла на выходе «теплового резервуара» к потребляемой мощности. COP был создан для сравнения тепловых насосов по энергоэффективности.

Эффективность теплового насоса

Преимуществом альтернативных источников энергии является их доступность и дешевизна. Тепловые насосы (тн) используют преобразованную энергию воздуха, воды или грунта, которые являются бесплатными в отличие от газа или угля. Но следует учитывать, что при установке тепловых насосов большие капитальные вложения, которые требуют времени, чтобы окупиться.

Расчет КПД теплового насоса может привести к абсурдным значениям, когда он будет больше 100%. Стандартная формула вычисления КПД некорректна и ошибкой обычно является неучтенный источник энергии (воздух, вода или грунт). У тепловых насосов 2 источника энергии — это электричество и внешний источник тепла (энергия воды, грунта, воздуха), а обычные формулы учитывают только электроэнергию, поэтому получаются значения больше 100%.

Некорректный расчет КПД тн:

• потребление электричества 2 КВт;
• отдает в систему 5 Квт;
• из внешнего источника 6 Квт.

Расчет:
Pпотр./Pсети = 5/2 = 2,5

Такой расчет неправильный, так как здесь нет данных второго источника энергии.

Корректный расчет КПД тн:

Расчет:
Pпотр. /(Pсети + Pист.) = 5 /(2 + 6) = 0,63

Узнать количество низкопотенциальной энергии довольно затруднительно, что и приводит к ошибке.

Чтобы избежать неправильных расчётов были введены специальные коэффициенты:

• COP — определяет во сколько раз тепловая энергия, которую получил потребитель, превышает количество работы необходимой для переноса тепла от низкопотенциального источника;
• степень термодинамического совершенства — оценивает насколько действительный тепловой цикл насоса приближен к идеальному.

В поисках теплонасоса можно наткнуться на рекламное объявление, содержащее неправильную характеристику устройства. Продавцов, распространяющих подобные данные, следует остерегаться. Ведь заявлять, что КПД теплового насоса составляет 300 – 1000% – не только безграмотно, но и некорректно по отношению к покупателям.

Сравнение КПД тепловых насосов: вода, грунт, воздух

Подробнее можете прочитать в нашей статье «Типы тепловых насосов«

Поскольку реально оценить количество энергии, извлекаемой из альтернативного источника, задача достаточно сложная, сделать сравнение КПД тепловых насосов вода, грунт, воздух так же затруднительно. Разумнее сопоставить расходы на эксплуатацию оборудования и эффективность обогрева объекта.

Воздушный тепловой насос

Установка воздушного тн обходится дешевле, но он будет потреблять много электроэнергии. Его эффективность напрямую зависит от температуры окружающей среды. В сильные морозы — ниже -25°С — такое устройство обогрев помещения не обеспечит, есть модели до -40°С.

Водяной тепловой насос

Водяные тн начнут терять эффективность в сильные морозы, внешней энергии будет недостаточно и потребуется дополнительный источник тепла.

Грунтовые тепловые насосы

Грунтовые тн работают стабильно круглый год. Температура земли на глубине является неизменной, поэтому эффективность таких устройств от поры года не зависит. Однако, для бурения скважин и обустройства коллектора необходимо вложение крупных сумм денег, поэтому установка геотермального теплового оборудования оправдана только в расчете на долгосрочную перспективу.

Расчет COP теплового насоса

СОР рассчитывают на основании показателей температуры источника (Т1) и воды в системе обогрева (Т2), по формуле: СОР = Т2/(Т2 – Т1). Следует учитывать, что tº в этом случае измеряется в Кельвинах. К принятому у нас показателю в Цельсиях добавляют число 273 и производят дальнейшие расчеты.

Для примера: если tº земли составляет 5 градусов Цельсия, а в отопительном контуре она держится на уровне 55, сперва следует преобразовать данные в другую систему измерения: 5+273 = 278 К, 55+273 = 328 К. СОР = 328 / (328 – 278) = 6,56.

Производя расчет COP теплового насоса, необходимо помнить, что он предполагает работу оборудования без учета потерь (при идеальных условиях). На практике значение COP будет гораздо ниже.

Температуру источника изменить невозможно, поэтому для повышения эффективности следует позаботиться о низкотемпературной системе отопления.

Полезное видео

Так же смотрите видео где мы сравниваем тепловой насос с другими видами отопления!
Остались вопросы? Оставляйте комментарии на сайте или пишите нам в WhatsApp!