LabOrder#5 Тепловой насос
15.04.15 23:45
Здравствуйте дорогие читатели и писатели! Приветствую вас в почти увядшей рубрике "лаборатория заказов", в которой сегодня в порядке исключения решил взять в разработку один заказ - тепловой насос
Данная заявка поступила от пользователя нашей платформы (с его согласия имя будет раскрыто, если в этом будет необходимость)
Да и недавно вышедший скорее всего рекламный пост от фирмы занимающейся поставкой или установкой этих тепловых насосов подтолкнул меня к написанию данного.
И так, поехали..
Глава I. Что такое тепловой насос?
С незапамятных времен, человек пытается создать для себя благоприятные условия для проживания на планете Земля, которая по всем параметрам домом ему не является, а лишь временным пристанищем. Нам темно, мы используем лампы, нам жарко мы используем кондиционеры, нам холодно мы сжигаем топливо или электричество для получения тепла. Но помимо того как развивалась наука и техника, с незапамятных времен есть люди которые изобретают варианты дешевого и эффективного получения тепла, в больше случаев это все оказывается не более чем выдумкой. Это всего рода конструкторы вечных двигателей и прочих аппаратов с КПД больше или хотя бы равным 100%. Являются ли действительно тепловые насосы очень эффективным способом для отопления жилых помещений как нам пытаются рассказать некоторые их поставщики и установщики. Для наших регионов таких как РК, РФ где падение температур в зимнее время могут доходить до -30 и более. А средняя температура воздуха, у поверхности Земли, в зимнее время составляет в районе -15 градусов по Цельсию.
Для начала дорогие читатели и писатели, я хочу сделать заявление по поводу этих самых тепловых насосов. Ранее я о них слышал, но зная основы термодинамики никогда не предавал им большого значения. А по сему тема относительно нова и для меня. Так же отмечу что до написание этого поста я беседовал с одним человеком на эту тему который некоторое время пытался реализовать данную идею и пусть даже на коленке. И так для общего к теме вставляю один из его комментариев в нашей с ним последней переписке.
Правильно мыслите. Любой холодильник - это тепловой насос.Представьте себе свою квартиру как одну из камер этого холодильника. В которой надо температуру воздуха сбросить с плюс 25 до , допустим, плюс пяти! И мало того, что сбросить, но и поддерживать. Вы затратите колоссальное количество электроэнергии на работу компрессора подобного холодильника. Аналогично произойдет и с холодильником наоборот. Если нагревать воздух в квартире с минус 20(допустим), до плюс 20. Обычный электрический конвектор справится с этой задачей более эффективно. .И КПД конвекторов достигает сейчас практически 100%. Все зомбированы понятием "дармовое тепло" на улице (в земле). Забывая про расходы на его транспортировку. А они огромны.
Начнем с описания теплового насоса.
Тепловой насос - устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой[1]. Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная.
№1
На рисунке выше показана принципиальная схема данного устройства. Для тех кто собирается комментировать в стиле: "да схема у тебя не та и все не так на самом деле.." я представлю еще несколько схем аналогичных систем.
№2
№3
Тепловой насос - это устройство которое отбирает тепло из одного места и переносит его в другое (отопление) В данном случае тепловые насосы могут делиться по забору тепла от разных источников тепла: с открытого воздуха, с водоема, с подземного слоя, что в принципе не особо важно в вопросе рассмотрения принципа работы данного устройства.
В данном случае не следует рассматривать работу компрессора в системе "тепловой наосос" аналогичной работе насоса в теплообменнике ведь там нет межфазового перехода сопровождаемого эндо/экзотермическими явлениями, а хладагент транспортируется насосом всегда в одном фазовом состоянии.
Глава II. Способ теплообмена и транспортировки тепла. Охлаждение.
Для того что бы судить о эффективности работы ТН в принципе, я думаю нужно разобраться для начала с работой других тепловых устройств, что бы сравнить понятия мощностей.
Холодильник. В основу работы холодильных систем входит транспортировка тепла из камеры охлаждение, габаритные размеры которой всем известны и сравнительно не велики, в комнату. С условием отличной теплоизоляции первой - препятствием проникновения тепла обратно в камеру охлаждения. В данном случае в холодильниках используются весьма эффективный способ для отбора и переноса тепла на расстояние нескольких дециметров, практически без потерь (из камеры охлаждения на заднюю стенку или крышу холодильника, которая относительно нагревается) что и делает систему очень эффективной.
В качестве хладагента используется фреоны или галоген-алканы, которых большое множество. Почему именно фреоны? (CF2CIH хлордифторметан) Ну во-первых подходящая температура кипения в районе -35, -70 градусов Цельсия. Что означает при их испарении, из жидкого состояния, температура поверхности где это самое испарение происходит будет охлаждаться до такой отметки. Ну а так же их химическая нейтральность в воздействию на металлы и другие материалы и относительно низкая токсичность.
Тепловой баланс на словах, можно описать так. Компрессор холодильника компремирует газообразный фреон в результате чего выделяется тепло. Которое отводится от компрессора в решетку холодильника. Далее под некоторым давление фреон подается в камеру охлаждение, по трубкам, где через редуктор и сброс давления, инициируется его испарение и соответственно охлаждение поверхности трубок (отбор тепла). Примерно так же работает и кондиционер только его "теплая" решетка где осуществляется отвод и сброс тепла располагается на улице. Вот как-то так..
В холодильнике тепло отбирается из камеры охлаждения и сбрасывается в комнату. В кондиционере тепло отбирается из комнаты и сбрасывается на улицу. Понятие холода как такового не существует, существует только понятия тепла. Холод это полное или частичное отсутствие тепла.
А если на улице сейчас скажем -10 градусов Цельсия, можно ли сказать что там абсолютно нет тепла? Конечно нет! Тепло на улице есть всегда и даже в самое морозное утро. Ведь полное отсутствие тепла это -273 град по Цельсию или 0 по Кельвину (абсолютный холод). Хорошо! Но тогда почему бы не попытаться это самое тепло с улицы собрать и сконцентрировать в помещении по обратному процессу работы холодильника? Скажем теперь мы будем охлаждать улицу, и обогревать дом. Ведь это возможно?! Халявное тепло с улицы - в дома!
Возможно и еще как, но вот какова цена этой возможности в зависимости от региона?Можно ли сэкономить на отоплении дома, горячей воде, с помощью тепловых насосов? Или вовсе заменить дорогостоящие затраты на тепло от электро котлов на халявное отопление с отбором тепла с улицы?
Глава III. Пример реализации теплового насоса.
Ну в общем с теорией все понятно. Дело выгодное даже для Казахстана. А вот как дело обстоит на практике. Для начала рассмотрим заявленную экономию от использования теплового насоса, для дома 130 м2 площадью в Ленобласти. Топливный котел (дизель) = 71 000 руб/год. Магистральный газ = 9000 руб/год. Электрокотел = 86 000 руб/год. На сжиженном газе = 35 000 руб/год.
Ну и на тепловом насосе:
Расходы на отопление с использованием теплового насоса. ТН до 70% энергии получает из окружающей среды и на 1 кВт электроэнергии дает 3-4 кВт тепловой энергии. Для получения тепловой энергии в 1 кВт/ч тепловому насосу достаточно в среднем 0,25 кВт/ч электроэнергии. 1 кВт/ч электроэнергии стоит примерно 2,4 руб. Для ТН 1 кВт тепловой энергии будет стоить минимум 0,6 руб. Таким образом, за год мы получим: 35945х0,6 руб.=21 567 руб./год.
что указывает на то, если у вас есть магистральный газ то ТН вам в принципе не нужен. Так же если верить расчетам приведенным с этого сайта то 35 000 руб/год от газа сжиженного это немногим больше 21 500 руб/год ТН, что наводит на следующий вопрос о стоимости его установки на аналогичный объект в 130 м2.
Пример взят с Казахстанского сайта. Вот это нам подходит (выделено красным)
540 000 тенге примерно 146 000 рублей. И это только покупка без установки и транспортировки. Которая мне к сожалению не известна но думаю для данного примера можно предположить не менее 70 000 рублей но это мягко говоря условно и сказачно, для тех кто реально видел монтаж геотермального типа ТН (подземного)
Итого: 216 000 рублей с огромной натяжечкой по установке и транспортировке.
Теперь если отбросить варианты экономии на магистральном газе (по понятным причинам, хотя вот на этом сайте говорят что это даже эффективнее магистрального газа), а рассмотреть сроки окупаемости на различных других видах энергии и топлива то:
сжиженный газ 216 000 / 35 000 = 6 лет; дизель 3 года, электро котел = 2.5 года.
При гарантии на данный агрегат всего 2 года, что порождает некоторые добавочные риски в его экономичности. Разумеется это только примерно с некоторыми допущениями и на относительно заявленной стоимости и мощностях.
Самое главное, что заявленная тепловая мощность, и дешевизна от ТН реализуется следующим образом: на потребляемый 1 кВт электроэнергии тепловой насос выдает 3 кВт тепловой. Но если приглядеться на станицу с ценниками тепловых насосов можно еще увидеть и не такое. Там же обратите внимание на потребляемую мощность KW/KW (или кВт/кВт) скажем для ТНВ-12 2.6 кВт а вырабатывает он 11.6 кВт то есть СОР (или отопительный коэффициент) 4.4 раза!!! Просмотрите COP для всех остальных....
То есть на 1 кВт затраченной энергии на работу компрессора и прочих узлов установка вырабатывает 4.4 кВт тепла!!!!
Это просто фантастика!!!
Но так ли это на самом деле?
Глава IV Физика процесса.
Для примера давайте рассмотрим один опыт по компримированию и испарению какого либо газа (в данном случае это не важно, так как мы будем рассматривать замкнутую систему).
Некий газ находящийся в цилиндре (вариант А) в скором времени будет компримирован или сжат (вариант Б). В результате чего газ перейдет в жидкое состояние с выделение теплоты (нагревом окружающей среды и самого цилиндра). Далее, с цилиндра сбрасывается внешнее давление (вариант В) и газ постепенно испаряясь увеличивает объем, а на испарение забирает тепло из окружающего пространства (охлаждает). На процесс компримирования (сжатия) расходуется энергия в виде работы (!).
Куда же в данном случае переносится тепло? А никуда т.к. цилиндр всегда находится в одном месте. Но давайте сделаем следующее: Две комнаты №1 и №2 изолированы и с одинаковой температурой. Вариант А. цилиндр опять же находится в комнате №1. После варианта Б выделилось тепло. Далее цилиндр унесли в другую комнату№2. Инициировали вариант В тепло поглотилось. Повторили данную операцию скажем 100 раз. На данном примере видно что комната №1 получает нагрев, комната №2 наоборот охлаждается. В данном случае транспортировку тепла мы видим. Из комнаты №2 в комнату №1.
Вот тут наступает время для очень хорошего вопроса: Является ли тепло переносимое из комнаты №2 в комнату №1, 100%-ным от работы компрессора? Или переносимое тепло вообще никакого отношения к работе компрессора не имеет? А может имеет, но переносимое тепло включает в себя частично и работу компрессора? И так у нас три варианта:
#1 переносимое тепло не является переносимым, а на 100% реализуется работой компрессора.
#2 переносимое тепло не зависит от работы компрессора, а является 100% переносимым из комнаты №2 в №1.
#3 переносимое тепло частично состоит из тепла комнаты №2 и частично из работы компрессора.
Работа теплового насоса как раз таки является классическим примером варианта#3, когда газ-жидкость транспортирует только часть тепла, а часть рождается работой компрессора.
(Техническая Термодинамика Кириллин. В.В. стр 366.)
Но неужели это возможно в соотношении 1 к 4? (если верить заявленной мощности и мощности потребляемой для тепловых насосов...) И 1 к 4 это еще заниженная цифра ведь работа любого компрессора не может протекать с КПД = 100%, эффективность любого аппарата всегда ниже. А следовательно тепловой насос вырабатывает энергии еще больше на 1 кВт затраченной мощности. Это я про механизмы транспортировки тепла с помощью межфазового перехода.
в термодинамике COP или отопительный коэффициент (Е отоп) равен =
Т2/(Т1-Т2)+1 = Т1/(Т1-Т2) где Т1 - температура нагреваемого помещения, аТ2 температура низкопотенциального тепло источника. Произведем расчет:
при условии что температура под слоем земли в 1.5 метра равна 5 градусов Цельсия, а отапливаемого помещения 25 градусов Цельсия. Тогда Е отоп =
5/(25-5)+1 = 1.25 Вот это уже похоже на правду. Но уж никак не 4. Я конечно понимаю что, чего только не напишут торгаши менеджеры, дабы реализовать свой товар, но с физикой не поспоришь.
Ну а теперь сами возьмите в руки калькулятор и пересчитайте выгоду и экономию с теплового насоса для эффективность которого уже не 4 как заявляли, а 1.25 при условии что взятые мной в расчет температуры максимально возможные, для нашего региона (РК) в отопительный сезон (зимой). И это без учета потерь на транспортировку тепла от "низкопотенциального" источника до потребителя. А это будут уже совсем другие сроки окупаемости вряд ли под них кто-то даст такие гарантии.
Глава V. Эпилог.
Эффективность теплового насоса заключается отнюдь не в его дешевизне, а в возможности дополнительного отбора тепловой энергии из вне и только. Я не спорю в тех местах на планете где имеются геотермальные источники тепла близкие к поверхности, это очень эффективный и дешевый способ получения тепловой энергии. Но и в самом тепловом насосе я не вижу тогда необходимости. Если скажем на глубине до 30 метров имеется горячая вода с температурой до 60 градусов ничего не мешает спустить туда теплообменник и циркулировать хладагент (воду) закачивая ее в свои батареи отопления. Неся расходы только на энерго затраты циркуляционных насосов.
Но спешу вас огорчить, РФ и Казахстан к таким местам на планете, не относятся в принципе. При бурении скважин температура примерно 60 градусов Цельсия, достигается на вертикальной глубине около 2.5 км +/-. Что значительно усложняет условия эксплуатации и разработки подобных проектов.
Ну вот и все дорогие друзья! Я с вами прощаюсь ненадолго, удачных вам выходных. Пользуясь случаем в очередной раз напоминаю о приоткрывшимся окне рубрики LabOrder куда вы как обычно подаете свои заказы на интересующие вас темы, а я стараюсь расписать вам как можно подробнее и виду своих способностей и возможностей после вашего лайк голосования предложенных тем.
С уважением tesla.
ссылка на оригинал поста (мой сайт инженера)