Реферат Тепловые насосы 2
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
1.
2.
Тепловые насосы
До сегодняшнего дня тепловой насос представлялся главным образом как агрегат или некая система, предназначенная в первую очередь для кондиционирования воздуха, способная также обеспечить определенную отопительную мощность, в большей или меньшей степени удовлетворяющую потребности в тепле в зимний период. На самом деле характеристики этого оборудования стремительно меняются, и уже во многих странах Европы тепловой насос сменил, что называется, «ориентацию»: первым делом потребности в тепле, а охлаждение – потом. Больше того, зачастую тепловой насос уже используется только для отопления.
Такая смена потребительской ориентации обусловлена произошедшей за последние два десятилетия трансформацией подходов западного мира:
• озабоченностью качеством воздуха, необходимостью решения проблемы парникового эффекта, создаваемого отопительными системами;
• поиском альтернативных экологических решений на смену традиционному отоплению посредством сжигания ископаемого топлива;
• уменьшением вредного воздействия рефрижераторных систем на среду вследствие разработки новых хладагентов HFC.
Первые два фактора в наибольшей степени способствовали росту внимания к использованию альтернативных источников энергии, в частности, солнечной. Однако, несмотря на многообещающие результаты, альтернативные источники энергии пока еще не вышли на уровень оптимального соответствия ожиданиям массового потребителя.
В этом смысле большие надежды подают именно тепловые насосы, их распространение выражается уже весьма внушительными цифрами. Достаточно сказать, что в Италии по данным на 1996 год общее число установленных тепловых насосов составляло 800 000, главным образом – реверсивных сплит-кондиционеров.
Такое негласное приятие тепловых насосов, не требующее масштабных кампаний по ознакомлению с системой широкой публики, полагаем, есть наилучшее подтверждение того, что сама система вполне приемлема для потребителя и может получить дальнейшее распространение, включая такие применения, где до сих пор она вряд ли предполагалась.
1.2Категории, виды и функции тепловых насосов
Существуют самые разные варианты классификации тепловых насосов. Здесь мы ограничимся делением систем по их оперативным функциям на четыре основных категории:
• Тепловые насосы только для отопления, применяемые для обеспечения комфортной температуры в помещении и/или приготовления горячей санитарной воды.
Тепловой насос, который в принципе не имеет таких проблем, представляется в этих случаях идеальным вариантом замены.
• Тепловые насосы отопительные и холодильные, применяемые для кондиционирования помещений в течение всего года.
Наиболее распространенными являются реверсивные аппараты класса «воздух-воздух». Тепловые насосы средней и большой мощности для сооружений сферы обслуживания используют гидравлические контуры для распределения тепла и холода и при этом могут обеспечивать оба рабочих режима одновременно.
• Интегрированные системы на основе тепловых насосов, обеспечивающие отопление помещений, охлаждение, приготовление горячей санитарной воды и иногда утилизацию отводимого воздуха.
Подогрев воды может осуществляться либо отбором тепла перегрева подаваемого газа с компрессора, либо комбинацией отбора тепла перегрева и использования регенерированного тепла конденсатора.
Использование только отбора тепла перегрева целесообразно, когда требуется только отопление помещений.
Тепловые насосы, предназначенные исключительно для приготовления горячей санитарной воды, зачастую в качестве источника тепла используют воздух среды, но равным образом могут использовать и отводимый воздух.
Тепловые насосы бывают как моновалентные, так и бивалентные.
Различие между двумя видами состоит в том, что моновалентные насосы рассчитаны таким образом, чтобы полностью покрывать годичную потребность в отоплении и охлаждении.
У бивалентных тепловых насосов пиковая нагрузка покрывается за счет дополнительных источников отопления, чаще всего газовых или жидко-топливных котлов.
В жилом фонде в странах Южной Европы тепловые насосы зачастую относятся к классу реверсивные «воздух-воздух» (главным образом, разводные либо моноблок, при этом и те, и другие с прямой подачей воздуха).
Справедливости ради надо сказать, что постепенно ширится предложение тепловых насосов класса реверсивные «воздух-вода», чаще всего поставляемых в комплекте с расширительным баком и насосным агрегатом.
По отдельному заказу поставляется накопительный резервуар. Такие насосы можно врезать непосредственно в существующие водопроводные системы, обеспечивающие отопление посредством теплых полов или стеновых панелей, взамен отопительных котлов.
В новостройках тепловые насосы класса «воздух-воздух» отлично сочетаются с вентиляционно-конвекторными системами при работе и в летний, и в зимний периоды.
В Германии и других странах Северной Европы только для отопления распространены тепловые насосы, которые используют тепло, содержащееся в грунте. Диапазон тепловой мощности разработанных моделей самый широкий – от 5 до 70 кВт. В торгово-административных зданиях системы на основе тепловых насосов могут быть с централизованным распределением воздуха либо с приготовлением горячей/холодной воды, распределяемой по одному или нескольким водопроводным контурам.
При наличии нескольких отдельных зон обслуживания для обеспечения индивидуальной «участковой» климатизации в здании устанавливается соответствующее число тепловых насосов.
У тепловых насосов нового поколения охлаждающая жидкость уже почти повсеместно заменяется на R 407C. Стандарты по тепловым насосам
1.3 Преимущества и ограничения замкнутых водяных систем
Данные системы применяются главным образом в зданиях, где имеется множество помещений: административные здания, жилые дома, гостиницы, мотели, торговые центры и пр. В торговых центрах их стали применять не так давно. На самом деле кольцевые водяные системы известны с 1960 года. Накопленный с тех пор опыт эксплуатации показывает, что по своей надежности они вполне могут соперничать с традиционными системами.
В Соединенных Штатах их доля на рынке охватывает 4%, что составляет более миллиона установленных агрегатов. На 60% их использование идет в новом строительстве, остальные 40% – в реконструируемом. В Европе такие системы только появились.
1.4 Принцип действия
Кольцевая водяная система состоит из некоторого количества автономных реверсивных кондиционирующих теплонасосных установок типа «вода-воздух», соединенных, как правило, в замкнутый гидравлический контур двумя трубопроводами – прямым и обратным.
В состав системы входят также градирня и теплогенератор (котел).
1.5 Преимущества
Основные преимущества замкнутых теплонасосных систем:
• непрерывность работы системы: даже если выйдут из строя один или несколько агрегатов, их изолируют и будут восстанавливать, что никак не повлияет на работу остальных;
• одновременная возможность обеспечения охлаждения и отопления: тепловые насосы класса «вода-воздух», подключенные к водопроводному контуру, в зависимости от потребностей пользователей обеспечивают тепло или охлаждение;
• КПД тепловых насосов класса «вода-воздух» процентов на 20–30 выше, чем КПД конденсирующих воздушных агрегатов, соответственно, ниже энергопотребление.
1.6 Недостатки
Основными недостатками такого рода систем являются:
• шум, генерируемый автономными агрегатами, установленными в помещении;
• в случае необходимости проведения работ по техническому обслуживанию агрегата такие работы проводятся непосредственно в обслуживаемом помещении.
Нормативы UNI по тепловым насосам
(ARI – Институт кондиционирования и холодильного оборудования)
3.
Тепловые насосы в Европе – сколько и какие?
По данным на 1997 год из 90 миллионов тепловых насосов, установленных в мире, примерно только 5%, или 4,28 миллиона аппаратов, смонтировано в Европе. Совсем немного по сравнению с 57 миллионами систем, имеющихся в Японии, где такое оборудование является основным в обеспечении отопления жилого фонда.
В Соединенных Штатах насчитывается 13,5 миллионов установленных агрегатов, а еще только развивающийся китайский рынок достиг уровня 10 миллионов систем.
В жилом фонде имеется три миллиона установленных тепловых насосов. Однако по степени охвата показатель довольно скромный – что-то около 1%. Хотя очевидно, что установленные в торгово-административном фонде 1,2 миллиона агрегатов, составляя абсолютное наименьшее значение, будут иметь несколько больший охват.
4.
Виды установленных систем
Примерно 77% установленных в Европе тепловых насосов используют наружный воздух в качестве источника тепла, хотя в Швеции, Швейцарии и Австрии преобладают тепловые насосы, забирающие тепло из грунта по заглубленному змеевиковому теплообменнику: данные по этим странам составляют соответственно 28, 40 и 82%. В Северной Европе зачастую тепловые насосы применяются только для отопления и приготовления горячей санитарной воды.
В большинстве случаев в качестве жидкого теплоносителя используется низкотемпературная вода, питающая радиаторы и теплые (излучающие) полы.
По данным недавнего опроса, проведенного одним из крупнейших мировых производителей холодильных компрессоров, общий объем производства тепловых насосов класса «воздух-вода», предназначенных только для отопления взамен отопительных газовых и жидко-топливных котлов, составит в Европе 13 000 в 2001 году, 25 000 в 2002 году и 35 000 в 2003 году.
Системы класса «воздух-воздух», главным образом раздельные (англ. – split) реверсивные, преобладают в Южной Европе: Италии, Испании и Греции. В этих странах, однако, выбор системы на основе теплового насоса зачастую обусловлен необходимостью кондиционирования воздуха в летний период.
5.
Источники тепла
Тепловые, энергетические и экономические характеристики тепловых насосов тесно взаимоувязаны с характеристиками источников, откуда насосы черпают тепло.
Идеальный источник тепла должен давать стабильную высокую температуру в течение отопительного сезона, быть изобильным, не быть коррозийным и загрязняющим, иметь благоприятные теплофизические характеристики, не требовать существенных инвестиций и расходов по обслуживанию.
В большинстве случаев имеющийся источник тепла является ключевым фактором, определяющим эксплуатационные характеристики теплового насоса. В табл. 1 приведены температурные показатели, типичные для наиболее распространенных источников тепла.
4.1 Воздух
Наружный воздух, будучи совершенно бесплатным и общедоступным, является наиболее предпочитаемым источником тепла.
Тем не менее, тепловые насосы, применяющие именно воздух, имеют фактор сезонной нагрузки (SPF) в среднем ниже на 10–30% по сравнению с водяными тепловыми насосами. Это объясняется следующими обстоятельствами:
- быстрым снижением мощности и производительности с падением наружной температуры;
- относительно большой разностью температур конденсации и испарения в период минимальных зимних температур, что в целом снижает эффективность процесса;
В условиях теплого и влажного климата на поверхности испарителя в диапазоне от 0 до 6°C образуется изморось, что ведет к снижению мощности и производительности теплового насоса.
Иней уменьшает площадь свободной поверхности и препятствует прохождению воздуха. Как следствие, снижается температура испарения, что в свою очередь способствует нарастанию инея и дальнейшему неуклонному снижению производительности вплоть до возможной полной остановки агрегата вследствие срабатывания контрольного датчика низкого давления, если прежде не будет устранено обледенение.
Размораживание батареи осуществляется путем инверсии охлаждающего цикла или иными, хотя и менее эффективными способами.
Энергопотребление имеет тенденцию к росту, общий коэффициент производительности СОР сокращается с увеличением частоты размораживания. Применение специальной системы контроля, обеспечивающей размораживание по требованию (то есть когда оно фактически необходимо), а не периодическое, может существенно повысить общую эффективность.
Еще один источник тепла в жилых и торгово-административных сооружениях – отводимый вентиляционный воздух.
Существуют аппараты, в которых конструктивно изначально заложена возможность использования и отводимого вентиляционного воздуха, и наружного воздуха. В некоторых случаях тепловые насосы, применяющие отводимый воздух, используются в комбинации с рекуператорами «воздух-воздух».
4.2 Воды
Подпочвенные воды есть во многих местах, они имеют достаточно стабильную температуру в диапазоне от 4 до 10°C .
Для ее использования применяются главным образом открытые системы: подпочвенная вода откачивается и подается на теплообменник системного агрегата, где у воды отбирается часть содержащегося в ней тепла. Вода, охлажденная таким образом, отводится в сливной колодец или в поверхностные воды. Открытые системы требуют самого тщательного проектирования в целях предотвращения проблем с замерзанием, коррозией и накоплением отложений.
Большим недостатком тепловых насосов, работающих на подпочвенных водах, является высокая стоимость работ по монтажу водозабора. Кроме того, следует учитывать требования, порой весьма жесткие, местных администраций в вопросах организации сточных вод.
Речная и озерная вода с теоретической точки зрения представляется весьма привлекательным источником тепла, но имеет один существенный недостаток – чрезвычайно низкую температуру в зимний период (она может опускаться до уровня чуть выше или практически вплотную к 0°C ).
Морская вода представляется в некоторых случаях отличным источником тепла и используется главным образом в средних и крупных системах.
На глубине от 25 до 50 м морская вода имеет постоянную температуру в диапазоне от 5 до 8°C . И, как правило, проблем с образованием льда не возникает, поскольку точка замерзания здесь от -10 до -2°C . Есть возможность использовать как системы прямого расширения, так и системы с рассолом.
Важно только использовать теплообменники и насосные агрегаты, стойкие к воздействию коррозии, и предотвращать накопление отложений органического характера в водозаборном трубопроводе, теплообменниках, испарителях и пр.
Грунтовым водам свойственна относительно высокая и стабильная в течение года температура.
Основные ограничения здесь, как правило, могут составлять расстояние транспортировки и фактические ресурсы, объем которых может меняться.
Примерами возможных источников тепла в данной категории носителей можно считать грунтовые воды на канализационных участках (очистные и прочие водостоки), промышленные водостоки, водостоки участков охлаждения промышленных конденсаторов или производства электроэнергии.
4.3 Грунт
Тепловые насосы, применяющие грунт в качестве источника тепла, используются для обслуживания жилых и торгово-административных сооружений. Грунт, как и подпочвенные воды, имеет одно преимущество – относительно стабильную в течение года температуру. Тепло отбирается по трубам, уложенным в землю горизонтально или вертикально (спиралеобразно). Здесь могут использоваться:
- системы прямого расширения с охлаждающей жидкостью, испаряющейся по мере циркуляции в контуре трубопровода, заглубленного в грунт;
В целом тепловые насосы рассольного типа имеют более низкую производительность по сравнению с агрегатами первого типа в силу происходящего в них «двойного» теплообмена (грунт-рассол, рассол-хладагент) и энергозатрат на обеспечение работы циркуляции рассола. Хотя справедливости ради надо заметить, что обслуживать такие системы существенно проще.
Тепловая емкость грунта варьируется в зависимости от его влажности и общих климатических условий конкретной местности. В силу производимого отбора тепла во время отопительного сезона его температура понижается.
На участках с холодным климатом большая часть энергии извлекается в форме латентного тепла, когда грунт промерзает. В летний период, однако, под действием солнца температура грунта вновь поднимается вплоть до создания возможности полностью вернуться к первоначальным условиям.
Действующие по такому принципу тепловые насосы обычно называют «геотермическими», что по сути своей неверно, поскольку здесь не задействовано радиогенное тепло земли, содержащееся в глубинных скальных породах.
Геотермическими источниками (скальными) можно пользоваться в регионах, где подпочвенных вод мало или нет совсем. Тогда нужно пробурить колодцы глубиной от 100 до 200 м. В том случае, если требуется обеспечить высокую тепловую мощность, колодцы бурятся под определенным наклоном таким образом, чтобы добраться и упереться в большой скальный массив. Для таких тепловых насосов также применяется рассольная жидкость и пластмассовый сварной трубопровод, извлекающий тепло из скалы. В некоторых системах скальная порода используется для аккумулирования тепла или охлаждающей энергии. В силу высокой стоимости буровых работ скальные породы для обслуживания жилого сектора применяются довольно редко.
6.
Функциональные температуры
Существует великое множество различных моделей и конструктивных модификаций тепловых насосов в широком диапазоне мощности, которые могут удовлетворить потребности практически любого пользователя. Они вполне могут успешно заменить традиционные газовые котлы низкотемпературных отопительных систем как в жилом, так и в торгово-административном секторе. В ближайшие годы следует предусмотреть существенный рост числа таких агрегатов, которые постепенно начнут занимать и те отопительные участки, где пока еще доминируют газовые котлы.
Рис.1. Типичная динамика коэффициента СОР теплового насоса класса «земля-воздух» в зависимости от разности температур грунта и приготовляемой горячей воды.
7.
Среда и тепловые насосы
В результате их воздействие на среду существенно снизилось, вплоть до того, что теперь они считаются более «чистыми» в экологическом плане, нежели самые современные высокоэффективные газовые котлы.
Для оценки реальной эффективности теплового насоса в реальных эксплуатационных условиях коэффициент сезонной производительности SEER является более важным, чем КПД. Это показатель соотношения между общей тепловой энергией в Вт, выдаваемой за сезон, и общей электроэнергией, потребляемой для обеспечения работы теплового насоса в течение отопительного сезона в конкретных эксплуатационных условиях.
Современные тепловые насосы класса «воздух-воздух» обеспечивают рабочий показатель SEER на уровне 3. Для сравнения: насосы классов «вода-вода» и «грунт-вода» работают более эффективно и показатель SEER у них может подниматься до 4. На основе показателя SEER можно провести сравнительный анализ воздействия на среду тепловых насосов и газовых котлов по годовым эксплуатационным показателям сгорания, объемам выбросов в атмосферу СО2.
Кривые на рис. А обозначают два режима выброса СО2:
- котлы: выбросы СО2, образуемого при сгорании газа, – 221 г на кВт.ч произведенного тепла;
- тепловые насосы: выбросы СО2, образуемого при производстве электроэнергии, – 460 г на кВт.ч произведенного электричества.
Для примера: тепловой насос с показателем SEER 3,0 по сравнению с котлом, имеющим коэффициент годовой производительности на уровне 90% (уровень чрезвычайно высокий и труднодостижимый), воздействует на среду на 40% «мягче», чем такой котел. Иными словами, тепловой насос выбрасывает в атмосферу СО2 на 40% меньше, чем котел той же мощности за аналогичный временной отрезок.
Рис.2. Процентное сокращение выбросов СО2 тепловым насосом в зависимости от соответствующего показателя SEER по сравнению с котлом и в зависимости от соответствующего коэффициента сезонной производительности.
8.
Надежность и долговечность тепловых насосов
Помимо весьма высокой эффективности тепловые насосы достигли в настоящее время такого уровня конструктивной прочности, который обеспечивает чрезвычайную долговечность и более чем внушительную надежность. По результатам исследования, проведенного ASHRAE (Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха), отмечены следующие данные:
- бытовые тепловые насосы класса «воздух-воздух» – 15 лет;
- тепловые насосы сферы обслуживания класса «воздух-воздух» – 15 лет;
- тепловые насосы сферы обслуживания класса «вода-воздух» – 19 лет.
Цифры весьма внушительные и лишний раз подтверждают высокое качество этих агрегатов. В их пользу говорит и такой факт: исследование проводилось на машинах, оснащенных большей частью переменными герметичными компрессорами. Если бы проверка проводилась в наши дни, результаты могли бы быть еще более впечатляющими, поскольку ныне почти повсеместно применяются спиральные (англ. - scroll) компрессоры.
Развитие и совершенствование технологии изготовления тепловых насосов последних лет еще более утверждают в преимуществе этих систем перед газовыми котлами.
Рис.3. Процент сохранения работоспособности тепловых насосов по данным исследования института EPRI. Разница обусловлена в основном климатическими особенностями обследовавшихся регионов.
Рис.4.
Федеральное агентство по образованию
Пензенский государственный университет
АРХИТЕКТУРЫ и строительства
Институт инженерной экологии
Кафедра «»
Реферат
на тему:
«Тепловые насосы»
Автор Гущин А.С
Обозначение Группа ТГВ–51М
Руководитель Калашников В.И
Работа защищена Оценка_________________
Пенза 2010
1. Тепловые насосы………………………………………………………….3
1.2 Категории, виды и функции тепловых насосов……………...…4
1.3 Преимущества и ограничения замкнутых водяных систем…..7
1.4 Принцип действия……………………………………………………7
1.4 Преимущества………………………………………………………..8
1.5 Недостатки……………………………………………………...…….8
2. Тепловые насосы в Европе - сколько и какие ...................................10
3. Виды установленных систем……………………………………………10
4. Источники тепла…………………………………………………………..11
4.1 Воздух…………………………………………………………………12
4.2 Вода……………………………………………………………………14
4.3 Грунт…………………………………………………………………...15
5. Функциональные температуры………………………………………....17
6. Среда и тепловые насосы…………………………………………….…18
7. Надежность и долговечность тепловых насосов…………………....19
Список использованных источников
1. Рей Д., Макмайкл Д. «Тепловые насосы»: Пер. с англ. — М.: Энерго-
кздат, 1982.
2.
3. http://www.energieforum.ru
4. http://publ.lib.ru
