Отопление и охлаждение с помощью теплового насоса. Часть 1.

Введение

Если вы изучаете варианты обогрева и охлаждения вашего дома или сокращения счетов за электроэнергию, возможно, вам стоит рассмотреть возможность установки теплового насоса. Тепловые насосы — это проверенная и надежная технология в Канаде, способная обеспечить круглогодичный контроль комфорта в вашем доме, подавая тепло зимой, охлаждая летом и, в некоторых случаях, нагревая горячую воду для вашего дома.

Тепловые насосы могут быть отличным выбором для различных применений, как для новых домов, так и для модернизации существующих систем отопления и охлаждения. Они также являются вариантом замены существующих систем кондиционирования воздуха, поскольку дополнительные затраты на переход от системы только охлаждения к тепловому насосу часто довольно низкие. Учитывая множество различных типов и опций систем, часто бывает сложно определить, подходит ли тепловой насос для вашего дома.

Если вы подумываете о тепловом насосе, у вас, вероятно, возникнет ряд вопросов, в том числе:

• Какие типы тепловых насосов существуют?
• Какую часть моих годовых потребностей в отоплении и охлаждении может обеспечить тепловой насос?
• Какой размер теплового насоса мне нужен для моего дома и применения?
• Сколько стоят тепловые насосы по сравнению с другими системами и сколько я могу сэкономить на счетах за электроэнергию?
• Нужно ли мне вносить дополнительные изменения в свой дом?
• Сколько обслуживания потребуется системе?

В этом буклете представлены важные факты о тепловых насосах, которые помогут вам получить больше информации и помогут сделать правильный выбор для вашего дома. Используя эти вопросы в качестве руководства, в данной брошюре описываются наиболее распространенные типы тепловых насосов и обсуждаются факторы, влияющие на выбор, установку, эксплуатацию и обслуживание теплового насоса.

Целевая аудитория

Этот буклет предназначен для домовладельцев, которым нужна справочная информация о технологиях тепловых насосов, которая поможет им принять обоснованные решения относительно выбора и интеграции системы, ее эксплуатации и технического обслуживания. Представленная здесь информация является общей, а конкретные детали могут различаться в зависимости от вашей установки и типа системы. Этот буклет не должен заменять работу с подрядчиком или консультантом по энергетике, который обеспечит соответствие вашей установки вашим потребностям и желаемым целям.

Примечание по управлению энергопотреблением в доме

Тепловые насосы являются очень эффективными системами отопления и охлаждения и могут значительно снизить затраты на электроэнергию. Рассматривая дом как систему, рекомендуется свести к минимуму потери тепла из вашего дома из таких мест, как утечка воздуха (через трещины, дыры), плохая изоляция стен, потолков, окон и дверей.

Решение этих проблем в первую очередь может позволить вам использовать тепловой насос меньшего размера, тем самым снижая затраты на оборудование теплового насоса и позволяя вашей системе работать более эффективно.

Ряд публикаций, объясняющих, как это сделать, можно получить в Natural Resources Canada.

Что такое тепловой насос и как он работает?

Тепловые насосы — это проверенная технология, которая десятилетиями использовалась как в Канаде, так и во всем мире для эффективного обеспечения зданий отоплением, охлаждением и, в некоторых случаях, горячей водой. На самом деле, вполне вероятно, что вы ежедневно взаимодействуете с технологией теплового насоса: холодильники и кондиционеры работают по одним и тем же принципам и технологиям. В этом разделе представлены основы работы теплового насоса и представлены различные типы систем.

Основные понятия теплового насоса

Тепловой насос — это устройство с электрическим приводом, которое извлекает тепло из места с низкой температурой (источника) и доставляет его в место с более высокой температурой (приемник).

Чтобы понять этот процесс, представьте себе поездку на велосипеде по холму: для перехода с вершины холма на низ не требуется никаких усилий, поскольку велосипед и гонщик естественным образом переместятся с высокого места на более низкое. Однако подъем в гору требует гораздо больше усилий, поскольку велосипед движется против естественного направления движения.

Аналогичным образом тепло естественным образом перетекает из мест с более высокой температурой в места с более низкой температурой (например, зимой тепло изнутри здания теряется наружу). Тепловой насос использует дополнительную электрическую энергию для противодействия естественному потоку тепла и перекачивает энергию, имеющуюся в более холодном месте, в более теплое.

Так как же тепловой насос обогревает или охлаждает ваш дом? По мере извлечения энергии из источника температура источника снижается. Если в качестве источника используется дом, тепловая энергия будет отводиться, охлаждая это пространство. Именно так работает тепловой насос в режиме охлаждения, и по тому же принципу работают кондиционеры и холодильники. Аналогичным образом, по мере того как энергия поступает в сток, его температура увеличивается. Если дом используется в качестве раковины, будет добавлена ​​тепловая энергия, нагревающая пространство. Тепловой насос полностью реверсивен, что означает, что он может как обогревать, так и охлаждать ваш дом, обеспечивая комфорт круглый год.

Источники и стоки для тепловых насосов

Выбор источника и приемника для вашей системы теплового насоса во многом определяет производительность, капитальные затраты и эксплуатационные расходы вашей системы. В этом разделе представлен краткий обзор распространенных источников и поглотителей для жилых помещений в Канаде.

Источники: в Канаде для отопления домов с помощью тепловых насосов чаще всего используются два источника тепловой энергии:

• Источник воздуха: тепловой насос забирает тепло из наружного воздуха во время отопительного сезона и отводит тепло наружу во время летнего сезона охлаждения.
• Может быть удивительно узнать, что даже при низких температурах наружного воздуха все еще остается много энергии, которую можно извлечь и доставить в здание. Например, теплосодержание воздуха при -18°С соответствует 85% тепла, содержащегося при 21°С. Это позволяет тепловому насосу обеспечить хороший обогрев даже в холодную погоду.
• Системы подачи воздуха являются наиболее распространенными на канадском рынке: по всей Канаде установлено более 700 000 единиц.
• Этот тип системы более подробно обсуждается в разделе «Тепловые насосы с воздушным источником».
• Земляной источник: геотермальный тепловой насос использует землю, грунтовые воды или и то, и другое в качестве источника тепла зимой и в качестве резервуара для отвода тепла, отводимого из дома летом.
• Эти тепловые насосы менее распространены, чем агрегаты с воздушным источником, но становятся все более широко используемыми во всех провинциях Канады. Их основное преимущество заключается в том, что они не подвержены резким колебаниям температуры, используя землю в качестве источника постоянной температуры, что приводит к созданию наиболее энергоэффективного типа системы теплового насоса.
• Этот тип системы более подробно обсуждается в разделе «Земляные тепловые насосы».

Раковины: в Канаде для отопления домов с помощью тепловых насосов чаще всего используются два радиатора для тепловой энергии:

• Воздух в помещении нагревается тепловым насосом. Это можно сделать посредством: Воды внутри здания подогревается. Эту воду затем можно использовать для обслуживания оконечных систем, таких как радиаторы, теплый пол или фанкойлы, через гидравлическую систему.
  • Центрально-канальная система или
  • Бесканальный внутренний блок, например настенный блок.

Введение в эффективность теплового насоса

Печи и котлы обеспечивают отопление помещений, добавляя тепло к воздуху за счет сгорания топлива, такого как природный газ или печное топливо. Хотя эффективность постоянно улучшается, она все еще остается ниже 100%, а это означает, что не вся доступная энергия сгорания используется для нагрева воздуха.

Тепловые насосы работают по другому принципу. Электричество, подаваемое в тепловой насос, используется для передачи тепловой энергии между двумя точками. Это позволяет тепловому насосу работать более эффективно, при этом типичный КПД значительно превышает

100%, т.е. производится больше тепловой энергии, чем количество электрической энергии, затраченной на ее перекачку.

Важно отметить, что эффективность теплового насоса во многом зависит от температур источника и стока. Точно так же, как более крутой холм требует больше усилий, чтобы подняться на велосипеде, большая разница температур между источником и стоком теплового насоса требует от него более интенсивной работы и может снизить эффективность. Определение правильного размера теплового насоса для максимизации сезонной эффективности имеет решающее значение. Эти аспекты более подробно обсуждаются в разделах «Тепловые насосы с воздушным источником» и «Тепловые насосы с геотермальным источником».

Терминология эффективности

В каталогах производителей используются различные показатели эффективности, что может затруднить понимание производительности системы для начинающего покупателя. Ниже приводится разбивка некоторых часто используемых терминов эффективности:

Показатели устойчивого состояния: эти показатели описывают эффективность теплового насоса в «стабильном состоянии», то есть без реальных колебаний сезона и температуры. Таким образом, их значение может значительно меняться по мере изменения температур источника и стока, а также других рабочих параметров. Метрики устойчивого состояния включают в себя:

Коэффициент производительности (COP): COP — это соотношение между скоростью, с которой тепловой насос передает тепловую энергию (в кВт), и количеством электроэнергии, необходимой для перекачки (в кВт). Например, если тепловой насос использовал 1 кВт электроэнергии для передачи 3 кВт тепла, COP будет равен 3.

Коэффициент энергоэффективности (EER): EER аналогичен COP и описывает эффективность охлаждения теплового насоса в установившемся режиме. Он определяется путем деления холодопроизводительности теплового насоса в БТЕ/ч на потребляемую электрическую энергию в Ваттах (Вт) при определенной температуре. EER строго связан с описанием эффективности охлаждения в установившемся режиме, в отличие от COP, который можно использовать для выражения эффективности теплового насоса как при обогреве, так и при охлаждении.

Сезонные показатели производительности. Эти показатели предназначены для более точной оценки производительности в течение сезона отопления или охлаждения за счет учета «реальных» изменений температуры в течение сезона.

Сезонные показатели включают в себя:

• Сезонный коэффициент эффективности отопления (HSPF): HSPF — это отношение количества энергии, подаваемой тепловым насосом в здание в течение всего отопительного сезона (в БТЕ), к общей энергии (в ватт-часах), которую он использует за тот же период.

Характеристики погодных данных долгосрочных климатических условий используются для представления отопительного сезона при расчете HSPF. Однако этот расчет обычно ограничивается одним регионом и может не полностью отражать эффективность по всей Канаде. Некоторые производители по запросу могут предоставить HSPF для другого климатического региона; однако обычно HSPF сообщаются для Региона 4, представляющего климат, аналогичный Среднему Западу США. Регион 5 будет охватывать большую часть южной половины провинций Канады, от внутренних районов Британской Колумбии до Нью-Брансуика. Сноска 1.

• Сезонный коэффициент энергоэффективности (SEER): SEER измеряет эффективность охлаждения теплового насоса в течение всего сезона охлаждения. Он определяется путем деления общего объема охлаждения, обеспечиваемого за сезон охлаждения (в БТЕ), на общую энергию, использованную тепловым насосом за это время (в ватт-часах). SEER основан на климате со средней летней температурой 28°C.

Важная терминология для систем тепловых насосов

Вот некоторые общие термины, с которыми вы можете столкнуться при изучении тепловых насосов.

Компоненты системы теплового насоса

Хладагент — это жидкость, которая циркулирует через тепловой насос, поочередно поглощая, транспортируя и выделяя тепло. В зависимости от местоположения жидкость может быть жидкой, газообразной или смесью газа и пара.

Реверсивный клапан управляет направлением потока хладагента в тепловом насосе и переводит тепловой насос из режима обогрева в режим охлаждения или наоборот.

Змеевик представляет собой петлю или петли трубок, в которых происходит теплообмен между источником/приемником и хладагентом. Трубка может иметь ребра для увеличения площади поверхности, доступной для теплообмена.

Испаритель представляет собой змеевик, в котором хладагент поглощает тепло из окружающей среды и кипит, образуя низкотемпературный пар. Когда хладагент проходит от реверсивного клапана к компрессору, аккумулятор собирает всю лишнюю жидкость, которая не испарилась в газ. Однако не все тепловые насосы имеют аккумулятор.

Компрессор сжимает молекулы газообразного хладагента вместе, повышая температуру хладагента. Это устройство помогает передавать тепловую энергию между источником и стоком.

Конденсатор представляет собой змеевик, в котором хладагент отдает тепло окружающей среде и превращается в жидкость.

Расширительное устройство снижает давление, создаваемое компрессором. Это приводит к падению температуры, и хладагент превращается в низкотемпературную смесь пара и жидкости.

Наружный блок — это место, где тепло передается к наружному воздуху или от него в воздушном тепловом насосе. Этот блок обычно содержит змеевик теплообменника, компрессор и расширительный клапан. Он выглядит и работает так же, как наружная часть кондиционера.

Внутренний змеевик — это место, где тепло передается в воздух в помещении или из него в некоторых типах воздушных тепловых насосов. Как правило, внутренний блок содержит змеевик теплообменника, а также может включать дополнительный вентилятор для циркуляции нагретого или охлажденного воздуха в занимаемое помещение.

Камера статического давления, которую можно увидеть только в канальных установках, является частью воздухораспределительной сети. Воздухозаборник — это воздушный отсек, который является частью системы распределения нагретого или охлажденного воздуха по дому. Обычно это большой отсек непосредственно над теплообменником или вокруг него.

Другие условия

Единицы измерения мощности или энергопотребления:

• БТЕ/ч, или британская тепловая единица в час, — это единица измерения тепловой мощности системы отопления. Один БТЕ — это количество тепловой энергии, выделяемой обычной праздничной свечой. Если бы эта тепловая энергия была высвобождена в течение одного часа, она была бы эквивалентна одному БТЕ/ч.
• Один кВт, или киловатт, равен 1000 Вт. Именно столько мощности требуется десяти 100-ваттным лампочкам.
• Тонна — это мера мощности теплового насоса. Это эквивалентно 3,5 кВт или 12 000 БТЕ/ч.

Воздушные тепловые насосы

Воздушные тепловые насосы используют наружный воздух в качестве источника тепловой энергии в режиме обогрева и в качестве поглотителя для отвода энергии в режиме охлаждения. Эти типы систем обычно можно разделить на две категории:

Тепловые насосы воздух-воздух. Эти агрегаты нагревают или охлаждают воздух внутри вашего дома и представляют собой подавляющее большинство воздушных тепловых насосов в Канаде. Их можно классифицировать по типу установки:

• Канальный: внутренний змеевик теплового насоса расположен в воздуховоде. Воздух нагревается или охлаждается, проходя через змеевик, а затем распределяется по воздуховодам в разные места дома.
• Бесканальный: внутренний змеевик теплового насоса расположен во внутреннем блоке. Эти внутренние блоки обычно располагаются на полу или стене жилого помещения и нагревают или охлаждают воздух непосредственно в этом помещении. Среди этих единиц вы можете встретить термины мини- и мульти-сплит:
  • Мини-сплит: внутри дома расположен один внутренний блок, обслуживаемый одним наружным блоком.
  • Мультисплит: в доме расположено несколько внутренних блоков, которые обслуживаются одним наружным блоком.

Системы воздух-воздух более эффективны, когда разница температур внутри и снаружи меньше. По этой причине тепловые насосы «воздух-воздух» обычно пытаются оптимизировать свою эффективность, обеспечивая больший объем теплого воздуха и нагревая этот воздух до более низкой температуры (обычно от 25 до 45 °C). Это контрастирует с печными системами, которые поставляют меньший объем воздуха, но нагревают этот воздух до более высоких температур (от 55°C до 60°C). Если вы переходите на тепловой насос с печи, вы можете заметить это, когда начнете использовать новый тепловой насос.

Тепловые насосы «воздух-вода»: менее распространены в Канаде, тепловые насосы «воздух-вода» нагревают или охлаждают воду и используются в домах с гидравлическими (водяными) системами распределения, такими как низкотемпературные радиаторы, теплые полы или фанкойлы. В режиме отопления тепловой насос подает тепловую энергию в гидравлическую систему. В режиме охлаждения этот процесс меняется на обратный: тепловая энергия извлекается из гидравлической системы и выбрасывается в наружный воздух.

Рабочие температуры в гидравлической системе имеют решающее значение при оценке тепловых насосов воздух-вода. Тепловые насосы «воздух-вода» работают более эффективно при нагревании воды до более низких температур, т.е. ниже 45–50°C, и поэтому лучше подходят для излучающих полов или систем фанкойлов. Следует проявлять осторожность при рассмотрении возможности их использования с высокотемпературными радиаторами, для которых требуется температура воды выше 60°C, поскольку эти температуры обычно превышают пределы большинства бытовых тепловых насосов.

Основные преимущества воздушных тепловых насосов

Установка воздушного теплового насоса может дать вам ряд преимуществ. В этом разделе рассматривается, как воздушные тепловые насосы могут улучшить энергопотребление вашего дома.

Эффективность

Основным преимуществом использования воздушного теплового насоса является высокая эффективность отопления, которую он может обеспечить по сравнению с типичными системами, такими как печи, котлы и электрические плинтусы. При температуре 8°C коэффициент полезного действия (COP) воздушных тепловых насосов обычно колеблется от 2,0 до 5,4. Это означает, что для агрегатов с КПД 5 на каждый кВтч электроэнергии, подаваемой тепловому насосу, передается 5 киловатт-часов (кВтч). Когда температура наружного воздуха падает, COP снижается, поскольку тепловой насос должен работать при большей разнице температур между внутренним и наружным пространством. При –8°C значения COP могут находиться в диапазоне от 1,1 до 3,7.

В зависимости от сезона сезонный коэффициент полезного действия отопления (HSPF) имеющихся на рынке единиц может варьироваться от 7,1 до 13,2 (Регион V). Важно отметить, что эти оценки HSPF относятся к территории с климатом, подобным Оттаве. Фактическая экономия во многом зависит от места установки вашего теплового насоса.

Экономия энергии

Более высокая эффективность теплового насоса может привести к значительному сокращению энергопотребления. Фактическая экономия в вашем доме будет зависеть от ряда факторов, включая местный климат, эффективность вашей нынешней системы, размер и тип теплового насоса, а также стратегию управления. Доступно множество онлайн-калькуляторов, позволяющих быстро оценить, на какую экономию энергии вы можете рассчитывать для вашего конкретного применения. Инструмент ASHP-Eval от NRCan доступен бесплатно и может использоваться монтажниками и проектировщиками машиностроения для оказания помощи в вашей ситуации.

Как работает воздушный тепловой насос?

Стенограмма

Воздушный тепловой насос имеет три цикла:

• Цикл отопления: обеспечение здания тепловой энергией
• Цикл охлаждения: отвод тепловой энергии из здания
• Цикл разморозки: удаление инея
• наросты на наружных катушках

Цикл нагрева

Примечание:

Некоторые статьи взяты из Интернета. Если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить их. Если вас интересуют продукты с тепловым насосом, пожалуйста, свяжитесь с компанией, производящей тепловые насосы OSB, мы — ваш лучший выбор.