ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ.

Тепловой насос в отличие от обычных теплообменников-рекуператоров, обеспечивающих естественный переток тепла от более нагретых масс и поверхностей к менее нагретым, рассчитан на обратный процесс - перенос тепла от холодных масс к более теплым.

Наибольшее распространение этот принцип получил в холодильной и кондиционерной технике.

По своей сути, любой бытовой компрессорный холодильник является тепловым насосом, т.к. он за счет кипения фреона при низкой температуре забирает тепло у холодильной камеры и переносит его через конденсатор в более нагретую окружающую среду. Кондиционеры работают точно по такому же принципу.

Вместе с тем, термин «тепловой насос» стал применяться к таким устройствам, только после того, как у них стали использовать выделяемое из конденсатора тепло и оценивать эффективность коэффициентом теплопроизводительности.

Особенностью тепловых насосов является то, что для обеспечения работы по перекачке тепла в отличие от обычных пассивных теплообменников, всегда требуются определенные затраты энергии (в частности, во фреоновых тепловых насосах на привод компрессоров).

При определенных температурных перепадах и конструкционных характеристиках фреоновых компрессоров и теплообменников (испарителей и конденсаторов) тепловой баланс может сложиться таким образом, что энергетические затраты на привод компрессора оказываются существенно ниже, чем количество полученного холода.

Так, например, если при потреблении компрессором 1 кВт электроэнергии у охлаждаемой среды через теплообменник-испаритель было забрано 3 кВт тепла, то на теплообменнике-конденсаторе на более высоком температурном уровне выделится вся мощность, полученная от испарителя, и вся мощность, затраченная компрессором, т.е. 4 кВт.

Таким образом, если оценивать холодильную работу данного устройства - холодильный коэффициент равен 3, а если оценивать нагревательную работу – то термоэффективность равна 4. Безусловно, далеко не все холодильники и тепловые насосы имеют такие коэффициенты холодильной и тепловой эффективности.

Эффективность определяется множеством параметров: конструктивным КПД компрессоров, площадью теплообменников, видом и маркой фреона, разностью температур кипения и конденсации фреона.

Работа всех без исключения тепловых насосов описывается обращенной формулой Карно, который первый в науке и технике ввел понятие и формулу расчета КПД теплового двигателя. Если в тепловом двигателе с увеличением разности двух температур КПД возрастает, то в тепловом насосе наоборот – уменьшается.

Таким образом, одно и то же холодильное устройство в зависимости от разницы между температурами кипения и конденсации фреона будет работать с разным холодильным коэффициентом. Общеизвестные кондиционерные сплит-системы при работе на охлаждение с температурами кипения фреона 5-7^оС обеспечивают холодильный коэффициент 2,5-3,3.

При реверсировании систем на подогрев внутреннего воздуха испарителем в таких кондиционерах становится теплообменник, расположенный на улице в наружном блоке.

С понижением наружной температуры температура кипения фреона падает, а она всегда бывает на 8-15 ^оС ниже температуры обдувающего воздуха, поэтому при 0 градусов фреон кипит при -10-15 ^оС, а при понижении температуры наружного воздуха до -15 ^оС тепловой насос вообще перестает работать.

С понижением температуры наружного воздуха не только уменьшается температура кипения фреона, но и в полном соответствии с формулой Карно уменьшается холодильный коэффициент и коэффициент теплопроизводительности. Этим и объясняется то, что кондиционерные сплит-системы не работают при температурах ниже -10 ^оС.

Что касается тех моделей, про которые производители говорят, что они модифицированы для работы при более низких температурах, то изменения, как правило, касаются лишь дополнительных мер, облегчающих пуск и предотвращающих аварийную поломку компрессора во время сильных морозов, но не касаются повышения коэффициента теплопроизводительности, поэтому тепла они дают ровно столько, сколько потребляет компрессор, а иногда и меньше из-за больших теплопотерь в наружном блоке.

До тех пор, пока коэффициент теплопроизводительности существенно превышает единицу, т.е. 1,5 и более – его использование еще выгодно, т.к. позволяет экономить электроэнергию, но при приближении к единице значительно выгоднее использовать простые и более дешевые электронагреватели.

Большинство тепловых насосов, производимых для отопления зданий, имеют весьма хорошие характеристики по тепловой мощности и коэффициенту теплопроизводительности при плюсовых значениях температур наружного воздуха или среды у которой забирается тепло (земля или вода).

При понижении наружной температуры ниже -15; -20 ^оС, когда для отопления зданий нужны все большие и большие мощности у всех таких тепловых насосов их собственные тепловые мощности катастрофически падают, а коэффициент теплопроизводительности начинает приближаться к единице.

Тепловые насосы отбирающие тепловую энергию у земли требуют крупных инженерных и финансовых затрат на бурение и устройство весьма больших по габаритам подземных теплосъемников.

Кроме того, вокруг таких теплосъемников при более длинных и морозных зимах, происходит некомпенсируемое летним теплом, замораживание грунта.

Его температура сильно падает, и в итоге тепловой насос по температуре кипения фреона оказывается в таких же условиях, как тепловой насос, работающий на уличном воздухе, а иногда и в более худших.  

Тепловые насосы, работающие на незамерзающей зимой воде от рек или озер при холодных и длинных зимах, также могут столкнуться с такой проблемой. Нам приходилось при проведении инженерной экспертизы сталкиваться со случаями, когда расположенные глубоко в воде теплосъемники замораживали вокруг себя такое количество льда, что он не успевал растаивать летом.  В итоге, через несколько лет эксплуатации, тепловой насос переставал работать, а систему отопления приходилось срочно переделывать на газ, причем, привозимый в баллонах из-за отсутствия газовых магистралей.

Тепловые насосы бесспорно очень полезные во многих случаях, важно только без излишних иллюзий правильно уметь оценивать их реальные параметры, не попадаясь на не всегда добросовестную рекламу.

Бесспорно, что будут проводиться новые технические разработки более эффективных парокомпрессионных систем, имеющих сегодня наивысшие показатели среди всех известных систем тепловых насосов.

Возможно произойдет прорыв в повышении эффективности других систем тепловых насосов, например, термоэлектрических, которые, при отлаженной технологии могут оказаться дешевле других систем.