Тепловым насосом называют установку, предназначен­ную для передачи теплоты от низкотемпературного источ­ника к среде с более высокой температурой. Примени­тельно к электрическому отоплению тепловой насос «пере­качивает» энергию от среды с более низким тепловым потенциалом к среде с более высоким потенциалом, на­правляя ее для отопления зданий. Теоретически тепловым насосом является всякая холодильная машина, потому что наряду с холодом она неизменно вырабатывает и теплоту. Но тепловым насосом холодильную машину называют лишь в том случае, когда она специально предназначена для получения теплоты. При этом тепловой насос, как правило, действует при более высоких нижнем и верхнем уровнях температуры, чем холодильная машина.

В системах отопления в основном применяются тепло­вые насосы парокомпрессионного типа. Принцип работы компрессионного теплового насоса установлен Кельвином в 1852 г.

На рис. 14.13 изображена принципиальная схема паро - компрессионной теплонасосной установки. В компрес­соре 1 при подводе механической энергии сжимается пар хладагента, при этом повышается его температура. Про­ходя через конденсатор (теплообменник) 2, пар, превра­щаясь в жидкость, отдает нагреваемой среде (воздуху по­мещения или промежуточному теплоносителю) теплоту перегрева и конденсации. Жидкий хладагент поступает к дроссельному вентилю 3, после которого он при понижен­ном давлении переходит в парообразное состояние. Затем в испарителе 4 при неизменных давлении и температуре пар расширяется, отбирая теплоту от низкотемпературной среды. После этого получившийся влажный пар вновь поступает в компрессор, и процесс повторяется.

Перспективным для отопления может стать тепловой насос, использующий термоэлектрический эффект Пельтье (1834 г.). Сущность эффекта заключается в выделении или Поглощении теплоты при прохождении тока через контакт (спай) двух разных проводников, причем количество теп­лоты пропорционально силе тока. Академик А. Ф. Иоффе

1 — полупроводник; 2 — теплоизоляционный материал; 3 — оребрение горячих спаев; 4 — оребрение холодных спаев, 5 — патрубок с решеткой для входа на­греваемого воздуха; 6 — вентилятор для перемещения внутреннего воздуха; 7,8 — решетки для входа и выхода наружного воздуха; 9 — вентилятор для перемещения наружного воздуха; 10 — патрубок с решеткой для выхода нагре­того воздуха; 11, 12 — патрубки для подачи и отвода низкотемпературной воды

В 1949 г. предложил использовать цепь Пельтье для отоп­ления помещений. В 1957 г. в МЭИ были разработаны полу­проводниковые отопительно-охладительные агрегаты, в ко­торых теплота выделялась в месте спая полупроводника с Дырчатой (положительной) проводимостью и полупровод­ника с электронной (отрицательной) проводимостью при протекании через спай постоянного тока. Теплота выде­ляется при протекании электрического тока от положи­тельного полупроводника к отрицательному и поглощается при движении тока в обратном направлении.

Термоэлектрическую батарею, состоящую из большого числа спаев, устраивают так, чтобы спаи, поглощающие и выделяющие теплоту, были разделены и находились в изолированных друг от друга каналах. В одном канале происходит охлаждение среды, в другом — нагревание (рис. 14.14, а). Нагретую среду используют для отопле­ния помещений, применяя схему «воздух — воздух» (рис. 14.14,6) или «воздух — вода» (рис. 14.14, в).

Показателем эффективности теплового насоса является коэффициент преобразования энергии rj называемый также отопительным коэффициентом. Коэффициент пре­образования равен отношению количества теплоты QT, получаемого для отопления, к количеству теплоты Q3, эквивалентному затратам энергии на приведение установки в действие:

Лп = <?т/<?в. (14 9)

Теплота Q3 в компрессионных установках эквивалентна количеству электроэнергии, затрачиваемой на работу ком­прессора; в термоэлектрических — количеству электроэнер­гии, подведенной к полупроводниковой батарее. Теплота QT помимо теплоты Q3 включает теплоту Qx, отбираемую тепловым насосом от низкотемпературной среды, но умень­шается за счет неизбежных теплопотерь QnoT в контуре установки, т. е. QT=Q3+QX—QnoT - Таким образом, ото­пительный коэффициент равен

^Qa+Qx-QnoT^^Qx-QnoT (1

Чгэ Уэ

Отопительный коэффициент г]п будет больше единицы в тех случаях, когда теплопотери Qn0T меньше теплоты Qx. Следовательно, в тепловом насосе может вырабатываться теплоты больше, чем затрачивается энергии на его привод.

При компрессионных тепловых иасосах с использова­нием в качестве источника низкопотенциальной теплоты природных сред (воздуха, воды, грунта) значения отопи­тельного коэффициента rj n> 1 получают, если температура среды, нагреваемой в конденсаторе, не превышает 55— 65 °С.

Отопительный коэффициент г] п термоэлектрического теп­Лового насоса при применяемых полупроводниковых ма­териалах (висмут-теллур и висмут-селен) доходит до 2,5— 3. Достоинства этого теплового насоса — отсутствие ком­прессоров, компактность, малошумность, долговечность, простота обслуживания и регулирования.

Приняв среднесезонное значение отопительного коэф­фициента г)п=2,5, получим, что расход электроэнергии на отопление с помощью теплового насоса составит 40—45% расхода в системе отопления с прямым преобразованием электричества в теплоту. Тем не менее широкое применение тепловых насосов для отопления зданий в средней полосе страны потребует значительного (пятикратного) повыше­ния пропускной способности электросетей и существенного увеличения мощности генераторов электроэнергии. Затраты на электрогенераторы могут быть сокращены при аккуму­ляции теплоты для отопления в часы провала суточного графика электронагрузки (§ 14.3). Однако в этом случае должны возрасти мощности тепловых насосов, которые будут вырабатывать суточное количество теплоты на отоп­ление за 6—8 ч.

Экономичность теплонасосного отопления может быть повышена при использовании теплового насоса в системах комбинированного отопления.