Высокая стоимость установок кондиционирования воздуха как по капиталовложениям, так и по эксплуатационным расходам (стоимость эксплуатации в течение года составляет до 30% стоимости капиталовложений) является препятствием для их широкого применения. Высокая стоимость в значительной мере обусловливается необходимостью применения в установках кондиционирования воздуха холодильных машин для охлаждения воздуха в летнее время, которые используются примерно о течение 3-4 месяцев в году. Совершенно очевидно, что использование холодильных машин в течение всего года открывает перспективы более экономичного и широкого применения на практике систем кондиционирования воздуха.
Круглогодичное использование холодильных машин для целей отопления и вентиляции зданий является технически возможным и практически целесообразным, так как каждая холодильная установка может работать в летнее время для выработки холода (при поглощении тепла в испарителе), а в зимнее время - для теплоснабжения (при отводе его в конденсаторе).
Установки, в которых постоянно или временно используется тепло, отводимое от конденсатора холодильной установки, называются тепловыми насосами.
Принцип работы теплового насоса был изложен еще Карно в 1824 г. и Кельвиным в 1852 г. Однако практическое использование теплонасосной схемы стало возможным благодаря широкому применению высокопроизводительных фреоновых холодильных машин.
Принципиальная схема теплового насоса с указанием направления движения холодильного агента для отопления и охлаждения здания приведена на рис. Наружный теплообменник расположен у источников тепла, внутренний - в помещении, которое нужно нагревать зимой и охлаждать летом.
Рис. Принципиальная схема работы теплового насоса:
1 - наружный теплообменник; 2 - направление движения хладагента при охлаждении помещения;
3 - направление движения хладагента при отоплении помещения; 4 - четырехходовой кран-переключатель;
5 - внутренний теплообменник; 6 - регулирующий вентиль; 7 - компрессор.
Из нагнетательной линии компрессора горячие пары хладагента поступают в четырехходовой кран, который направляет их в соответствующий теплообменник.
Если холодильная машина работает как тепловой насос для отопления здания, то горячий хладагент поступает во внутренний теплообменник, где конденсируется, отдавая тепло теплоносителю (воздуху или воде). Затем хладагент, пройдя регулирующий вентиль, поступает в наружный теплообменник, где он кипит, забирая тепло для своего кипения от окружающей среды (воздуха, воды). Затем пары хладагента снова проходят через четырехходовой кран, который их направляет во всасывающую линию компрессора, после чего процесс начинается снова.
Если холодильная машина используется для охлаждения здания, то горячий хладагент, пройдя из компрессора через четырехходовой кран, поступает в наружный теплообменник, где конденсируется, отдавая тепло охлаждающей его среде. Затем хладагент, пройдя регулирующий вентиль, поступает во внутренний теплообменник, где кипит, охлаждая окружающую среду (воздух, воду). Далее пары проходят снова через четырехходовой кран, который направляет их во всасывающую линию компрессора.
Следовательно, работа холодильной машины в системе кондиционирования воздуха по схеме теплового насоса для отопления здания заключается в том, что при помощи четырех ходового крана-переключателя режимов меняется направление циркуляции хладагента (фреона).
Источниками тепла для тепловых насосов в течение отопительного периода могут быть: наружный воздух, артезианская вода, вода водоемов, тепло грунта, низкопотенциальные тепловые ресурсы сточных вод коммунально-бытовых и промышленных предприятий.
Эффективность работы теплового насоса характеризуется коэффициентом преобразования φ, представляющим собой отношение тепла, отведенного в конденсаторе, к затраченной мощности, выраженной в тепловых единицах. Он называется еще отопительным коэффициентом; φ определяется по формуле
где QТ - количество тепла, отданное конденсатором, ккал/ч; Nэл - электрическая мощность, потребляемая всей установкой (включая и вентилятор кондиционера), кВт.
Коэффициент преобразования теплового насоса зависит от величины разности температур источника и потребителя тепла, от вида источника тепла и от степени повышения давления хладагента в компрессоре.
В практике при применении теплового насоса на 1 кВт установленной мощности можно получить 3000 ккал холода в испарителе и одновременно 3700 ккал тепла в конденсаторе. Следовательно, в данном случае отопительный коэффициент φ = 4,3.
Если использовать в теоретическом цикле теплового насоса цикл Карно, то, выражая отопительный коэффициент через абсолютные температуры по аналогии с холодильным коэффициентом, можно получить
где ТТ - температура нагреваемого тела, которому передается тепло, К; ТС - температура окружающей среды, т. е. источника тепла, К.
Из приведенного уравнения следует, что эффективность теплонасосной установки φ будет тем выше, чем ниже температура нагреваемого тела и чем выше температура источника тепла, от которого оно отводится.
Поэтому использование наружного воздуха в качестве низкотемпературного источника тепла менее экономично из-за его низкой температуры. Более выгодно применять для этой цели речную или артезианскую воду, особенно условно чистые воды коммунальных и промышленных зданий.
Примерные значения отопительного коэффициента в компрессорных теплонасосных установках следующие.
Отопление зданий с обычными радиаторами и получение горячей воды с температурой 70 °С при использовании тепла артезианской воды.................................................................................................... 2,2 ÷ 3,8
Отопление зданий при температуре воды 45 °С (воздушное отопление)........................................... 3,5 ÷ 5,6
Получение горячей воды при использовании тепла условно чистых вод коммунальных и промышленных зданий................................................................................................................................................................ 3 ÷ 7
Выпарные установки для легкокипящих растворов.............................................................................. 10 ÷ 25
