Тепловой насос с воздушным источником (ASHP) — это тепловой насос, который может поглощать тепло из воздуха снаружи здания и отдавать его внутри; в нем используется тот же процесс охлаждения с компрессией пара и почти то же оборудование, что и в кондиционере, но в противоположном направлении. ASHP являются наиболее распространенным типом тепловых насосов и, как правило, имеют меньшие размеры и, как правило, используются для отопления отдельных домов или квартир, а не кварталов, районов или промышленных процессов.
Тепловые насосы Воздух-воздух подают горячий или холодный воздух непосредственно в помещения, но обычно не обеспечивают горячую воду. Тепловые насосы воздух-вода используют радиаторы или полы с подогревом для обогрева всего дома, а также часто используются для обеспечения горячей водой для бытовых нужд.
Обычно ASHP может получить 4 кВт ч тепловой энергии из 1 кВт ч. электрической энергии. Они оптимизированы для температур подачи от 30 до 40 °C (от 86 до 104 °F) и подходят для зданий с радиаторами тепла, рассчитанными на низкие температуры подачи. С потерями в эффективности ASHP может даже обеспечить полное центральное отопление с температурой подачи до 80 °C (176 °F).
По состоянию на 2023 год около 10% отопления зданий во всем мире будет осуществляться от ASHP. Это основной способ поэтапного отказа от газовых котлов (также известных как «печи») в домах, чтобы избежать выбросов парниковых газов.
Воздушные тепловые насосы используются для перемещения тепла между двумя теплообменниками: один снаружи здания, который оснащен ребрами, через которые воздух прогоняется с помощью вентилятора, а другой либо непосредственно нагревает воздух внутри здания, либо нагревает воду, которая затем нагревается. циркулирует по зданию через радиаторы или полы с подогревом, отдавая тепло зданию. Эти устройства также могут работать в режиме охлаждения, где они отбирают тепло через внутренний теплообменник и выбрасывают его в окружающий воздух с помощью внешнего теплообменника. Некоторые из них можно использовать для нагрева воды для стирки, которая хранится в резервуаре для горячей воды.
Воздушные тепловые насосы относительно просты и недороги в установке, поэтому являются наиболее широко используемым типом. В мягкую погоду коэффициент полезного действия (COP) может составлять от 2 до 5, тогда как при температуре ниже примерно -8 °C (18 °F) воздушный тепловой насос все еще может достигать коэффициента COP от 1 до 4.
В то время как старые воздушные тепловые насосы работали относительно плохо при низких температурах и лучше подходили для теплого климата, новые модели с компрессорами с регулируемой скоростью остаются высокоэффективными в условиях замерзания, что обеспечивает широкое внедрение и экономию средств в таких местах, как Миннесота и Мэн в США. Состояния.
Воздух при любой естественной температуре содержит некоторое количество тепла. Воздушный тепловой насос переносит часть этого тепла из одного места в другое, например, между внешней и внутренней частью здания.
Система воздух-воздух может быть спроектирована для передачи тепла в любом направлении, для обогрева или охлаждения внутренних помещений здания зимой и летом соответственно. Для распределения воздуха можно использовать внутренние воздуховоды. Система воздух-вода перекачивает тепло только внутрь и может обеспечить отопление помещений и горячую воду. Для простоты описание ниже сосредоточено на использовании для внутреннего отопления.
Технология аналогична холодильнику, морозильной камере или кондиционеру: разный эффект обусловлен расположением разных компонентов системы. Точно так же, как трубы на задней стороне холодильника нагреваются по мере охлаждения внутреннего пространства, так и ASHP согревает внутреннюю часть здания, одновременно охлаждая наружный воздух.
Основными компонентами сплит-системы (называемой сплит, поскольку имеются как внутренние, так и внешние теплообменники) воздушного теплового насоса являются:
Реже в компактном ASHP все находится снаружи, а горячий (или холодный) воздух подается внутрь через воздуховод. Их также называют моноблоками, и они полезны для хранения легковоспламеняющегося пропана вне дома.
ASHP может обеспечить в три или четыре раза больше тепла, чем электрический нагреватель, используя то же количество электроэнергии. При сжигании газа или нефти выделяется углекислый газ, а также NOx, что может быть вредным для здоровья. Воздушный тепловой насос не выделяет углекислый газ, оксид азота или любой другой газ. Он использует небольшое количество электроэнергии для передачи большого количества тепла.
Большинство ASHP являются реверсивными и способны обогревать или охлаждать здания, а в некоторых случаях также обеспечивать горячее водоснабжение. Использование теплового насоса воздух-вода для охлаждения дома подверглось критике.
Нагрев и охлаждение осуществляется путем прокачки хладагента через внутренние и наружные змеевики теплового насоса. Как и в холодильнике, компрессор, конденсатор, расширительный клапан и испаритель используются для изменения состояния хладагента между более холодным состоянием жидкости и более горячим газом.
Когда жидкий хладагент при низкой температуре и низком давлении проходит через змеевики наружного теплообменника, окружающее тепло вызывает кипение жидкости (переход в газ или пар). Тепловая энергия наружного воздуха поглощается и сохраняется в хладагенте в виде скрытого тепла. Затем газ сжимается с помощью электрического насоса; сжатие увеличивает температуру газа.
Внутри здания газ проходит через клапан давления в змеевики теплообменника. Там горячий газообразный хладагент конденсируется обратно в жидкость и передает накопленное скрытое тепло воздуху в помещении, системе водяного отопления или системе горячего водоснабжения. Воздух в помещении или отопительная вода прокачиваются через теплообменник с помощью электрического насоса или вентилятора.
Затем холодный жидкий хладагент снова поступает в змеевики наружного теплообменника, чтобы начать новый цикл. Каждый цикл обычно занимает несколько минут.
Большинство тепловых насосов также могут работать в режиме охлаждения, когда холодный хладагент перемещается через внутренние змеевики для охлаждения воздуха в помещении.
По состоянию на 2024 год другие технологии, кроме сжатия пара, не будут присутствовать на рынке.
ASHP являются наиболее распространенным типом теплового насоса и, как правило, имеют меньшие размеры и, как правило, больше подходят для отопления отдельных домов, а не многоквартирных домов, компактных городских районов или промышленных процессов. В густонаселенных городских центрах тепловые сети могут быть лучше, чем ASHP. Тепловые насосы с воздушным источником используются для обогрева и охлаждения внутренних помещений даже в более холодном климате и могут эффективно использоваться для нагрева воды в более мягком климате. Основным преимуществом некоторых ASHP является то, что одну и ту же систему можно использовать для отопления зимой и охлаждения летом. Хотя стоимость установки, как правило, высока, она меньше, чем стоимость геотермального теплового насоса, поскольку геотермальный тепловой насос требует земляных работ для установки контура заземления. Преимущество геотермального теплового насоса заключается в том, что он имеет доступ к теплоаккумулирующей способности земли, что позволяет ему производить больше тепла с меньшими затратами электроэнергии в холодных условиях.
Домашние аккумуляторы могут снизить риск отключения электроэнергии, и, как и ASHP, они становятся все более популярными. Некоторые ASHP могут быть подключены к солнечным панелям в качестве основного источника энергии, а обычная электрическая сеть — в качестве резервного источника.
Решения для аккумулирования тепла, включающие резистивный нагрев, могут использоваться в сочетании с ASHP. Хранение может быть более рентабельным, если доступны тарифы на электроэнергию во время использования. Тепло сохраняется в керамических кирпичах высокой плотности, заключенных в теплоизолированный корпус; Примером могут служить накопительные обогреватели. ASHP также могут работать в паре с пассивным солнечным отоплением. Тепловая масса (например, бетон или камни), нагретая пассивным солнечным теплом, может помочь стабилизировать температуру в помещении, поглощая тепло в течение дня и выделяя тепло ночью, когда температура на улице ниже, а эффективность теплового насоса ниже.
Хорошая изоляция дома имеет важное значение. По состоянию на 2023 год ASHP больше, чем газовые котлы, и им потребуется больше места снаружи, поэтому процесс станет более сложным и может оказаться дороже, чем если бы можно было просто снять газовый котел и установить на его месте ASHP. Если эксплуатационные расходы важны, важно выбрать правильный размер, потому что слишком большой ASHP будет дороже в эксплуатации.
Может оказаться сложнее модернизировать традиционные системы отопления, в которых используются радиаторы/излучающие панели, плинтусные обогреватели с горячей водой или даже воздуховоды меньшего диаметра, с использованием тепла, полученного от ASHP. Более низкие выходные температуры теплового насоса означают, что радиаторы (и, возможно, трубы), возможно, придется заменить на радиаторы большего размера или вместо них установить низкотемпературную систему подогрева пола.
В качестве альтернативы можно установить высокотемпературный тепловой насос и сохранить существующие тепловые излучатели, однако с 2023 года эти тепловые насосы будут более дорогими в покупке и эксплуатации, поэтому могут подходить только для зданий, которые трудно переделать или изолировать, например, в некоторых зданиях. большие исторические дома.
Утверждается, что ASHP более полезен для здоровья, чем отопление, работающее на ископаемом топливе, например, газовые обогреватели, поскольку оно поддерживает более равномерную температуру и позволяет избежать риска появления вредных паров. Также считается, что фильтруя воздух и снижая влажность в жарком влажном летнем климате, они уменьшают пыль, аллергены и риск для здоровья, связанный с плесенью.
Эксплуатация обычных ASHP обычно не рекомендуется при температуре ниже -10 °C. Однако ASHP, разработанные специально для очень холодного климата (в США они сертифицированы Energy Star), могут извлекать полезное тепло из окружающего воздуха при температуре до -30 °C (-22 °F), однако при температуре ниже -25 °C электрический резистивный нагрев может быть более эффективным. Это стало возможным благодаря использованию компрессоров с регулируемой скоростью, работающих от инверторов. Хотя воздушные тепловые насосы менее эффективны, чем хорошо установленные геотермальные тепловые насосы в холодных условиях, воздушные тепловые насосы имеют более низкие первоначальные затраты и могут быть наиболее экономичным и практичным выбором. Гибридная система, включающая как тепловой насос, так и альтернативный источник тепла, такой как котел, работающий на ископаемом топливе, может подойти, если нецелесообразно должным образом изолировать большой дом. В качестве альтернативы можно рассмотреть возможность использования нескольких тепловых насосов или высокотемпературного теплового насоса.
В некоторых погодных условиях образуется конденсат, который затем замерзает на змеевиках теплообменника наружного блока, уменьшая поток воздуха через змеевики. Чтобы устранить эту проблему, агрегат запускает цикл разморозки, переключаясь на несколько минут в режим охлаждения и нагревая змеевики до тех пор, пока лед не растает. Тепловые насосы «воздух-вода» используют для этой цели тепло циркулирующей воды, что приводит к небольшому и, вероятно, незаметному падению температуры воды; Для систем «воздух-воздух» тепло берется либо из воздуха в здании, либо с помощью электрического нагревателя. Некоторые системы воздух-воздух просто останавливают работу вентиляторов обоих блоков и переключаются в режим охлаждения, так что наружный блок снова становится конденсатором, нагреваясь и размораживаясь.
Для воздушного теплового насоса требуется наружный блок, содержащий движущиеся механические компоненты, включая вентиляторы, которые создают шум. Современные устройства предлагают графики работы в бесшумном режиме с пониженной скоростью вращения вентилятора. Это снизит максимальную мощность нагрева, но может применяться при умеренных температурах наружного воздуха без потери эффективности. Акустические кожухи — еще один способ снизить шум в чувствительных районах. В утепленных зданиях работу можно приостанавливать в ночное время без существенной потери температуры. Лишь при низких температурах защита от замерзания заставляет сработать уже через несколько часов. Правильное размещение также важно.
В Соединенных Штатах допустимый уровень шума в ночное время составляет 45 децибел по шкале А (дБА). В Великобритании предел установлен на уровне 42 дБ, измеренных от ближайшего соседа в соответствии со стандартом MCS 020 или эквивалентом. В Германии предел в жилых районах составляет 35 дБ, что обычно измеряется по европейскому стандарту EN 12102.
Еще одной особенностью внешних теплообменников воздушных тепловых насосов (ВТН) является необходимость время от времени останавливать вентилятор на несколько минут, чтобы избавиться от инея, скапливающегося в наружном блоке в режиме обогрева. После этого тепловой насос снова начинает работать. Эта часть рабочего цикла приводит к двум внезапным изменениям шума вентилятора. Акустический эффект таких помех особенно силен в тихих помещениях, где фоновый ночной шум может составлять от 0 до 10 дБА. Это включено в законодательство Франции. Согласно французской концепции шумового дискомфорта, «возникновение шума» — это разница между окружающим шумом, включающим мешающий шум, и окружающим шумом без мешающего шума. Напротив, для геотермального теплового насоса не требуется наружный блок с движущимися механическими компонентами.
Эффективность воздушных тепловых насосов измеряется коэффициентом производительности (COP). COP, равный 4, означает, что тепловой насос производит 4 единицы тепловой энергии на каждую единицу потребляемой электроэнергии. В диапазоне температур от -3 °C (27 °F) до 10 °C (50 °F) КПД для многих машин довольно стабилен. Приблизительно TheoreticalMaxCOP = (desiredIndoorTempC + 273) ÷ (desiredIndoorTempC — externalTempC).
В мягкую погоду с наружной температурой 10 °C (50 °F) КПД эффективных воздушных тепловых насосов колеблется от 4 до 6. Однако в холодный зимний день требуется больше работы для перемещения того же количества тепла. в помещении, чем в ясный день. Производительность теплового насоса ограничена циклом Карно и будет приближаться к 1,0 по мере увеличения разницы температур снаружи и внутри помещения, что для большинства тепловых насосов с воздушным источником происходит, когда температура наружного воздуха приближается к -18 °C (0 °F). Конструкция теплового насоса что позволяет диоксиду углерода в качестве хладагента иметь КПД более 2 даже до -20 °C, что приводит к снижению показателя безубыточности до -30 °C (-22 °F). У геотермального теплового насоса сравнительно меньшее изменение КПД при изменении температуры наружного воздуха, поскольку земля, из которой они извлекают тепло, имеет более постоянную температуру, чем наружный воздух.
Конструкция теплового насоса существенно влияет на его эффективность. Многие воздушные тепловые насосы предназначены в первую очередь для кондиционирования воздуха, в основном для использования при летних температурах. Разработка теплового насоса специально для целей теплообмена может обеспечить более высокий КПД и продлить срок службы. Принципиальные изменения заключаются в размерах и типе компрессора и испарителя.
Сезонно скорректированная эффективность отопления и охлаждения определяется сезонным коэффициентом эффективности отопления (HSPF) и сезонным коэффициентом энергоэффективности (SEER) соответственно. В США установленный законом минимальный КПД составляет 14 или 15 SEER и 8,8 HSPF.
Компрессоры с регулируемой скоростью более эффективны, потому что они часто могут работать медленнее и потому что воздух проходит медленнее, давая воде больше времени для конденсации, что более эффективно, поскольку более сухой воздух легче охлаждать. Однако они дороже и с большей вероятностью потребуют обслуживания или замены. Техническое обслуживание, такое как замена фильтров, может улучшить производительность на 10–25%.
Тепловые насосы играют ключевую роль в декарбонизации домашнего энергопотребления за счет постепенного отказа от газовых котлов. По данным МЭА, к 2024 году выбросы CO2 могут сократиться на 500 миллионов тонн к 2030 году.
Поскольку ветряные электростанции все чаще используются для подачи электроэнергии в некоторые сети, такие как территория Юкон в Канаде, повышенная зимняя нагрузка хорошо сочетается с увеличением зимней выработки электроэнергии ветряными турбинами, а более спокойные дни приводят к снижению тепловой нагрузки для большинства домов, даже если температура воздуха низкий.
Тепловые насосы могут помочь стабилизировать энергосистемы за счет реагирования на спрос. Поскольку проникновение тепловых насосов увеличивается, некоторым странам, таким как Великобритания, возможно, придется поощрять домохозяйства использовать накопители тепловой энергии, например, очень хорошо изолированные резервуары для воды. В некоторых странах, таких как Австралия, интеграция этого теплового аккумулятора с солнечной батареей на крыше также могла бы помочь.
Хотя более дорогостоящие тепловые насосы могут быть более эффективными, исследование 2024 года пришло к выводу, что для Великобритании «с точки зрения энергетической системы в целом экономически оптимально проектировать тепловые насосы с номинальным КПД в диапазоне 2,8–3,2, который обычно имеет определенный стоимость ниже 650 фунтов стерлингов за кВт∙ч, и одновременно инвестировать в увеличение мощности технологий производства возобновляемой энергии и батарей, в первую очередь, а затем OCGT и CCGT с CCS».
По состоянию на 2023 год покупка и установка ASHP в существующем доме будет стоить дорого, если нет государственной субсидии, но стоимость жизненного цикла, вероятно, будет меньше или аналогична стоимости газового котла и кондиционера. Как правило, это также верно, если охлаждение не требуется, поскольку ASHP, вероятно, прослужит дольше, если будет использоваться только нагрев. Стоимость жизненного цикла воздушного теплового насоса будет зависеть от цены на электроэнергию по сравнению с газом (если таковой имеется), и для достижения окупаемости может потребоваться от двух до десяти лет. МЭА рекомендует правительствам субсидировать закупочную цену бытовых тепловых насосов, и некоторые страны так и делают.
В Норвегии, Австралии и Новой Зеландии большая часть отопления осуществляется за счет тепловых насосов. В 2022 году тепловые насосы превзойдут по продажам системы отопления, работающие на ископаемом топливе, в США и Франции. В Великобритании ежегодные продажи тепловых насосов в последние годы неуклонно росли: в 2018 году было продано 26 725 тепловых насосов, а в 2023 году эта цифра выросла до 60 244 продаж тепловых насосов. ASHP можно помочь конкурировать, повысив цену на ископаемый газ по сравнению с электроэнергии и использование подходящих гибких цен на электроэнергию. В США наиболее распространен тип «воздух-воздух». По состоянию на 2023 год более 80% тепловых насосов являются воздушными. В 2023 году МЭА обратилось за предоставлением более точных данных, особенно по воздуху-воздуху.
Считается, что ASHP требует меньшего обслуживания, чем отопление, работающее на ископаемом топливе, а некоторые говорят, что ASHP легче обслуживать, чем геотермальные тепловые насосы, из-за сложности поиска и устранения подземных утечек. Установка слишком маленького ASHP может сократить срок его службы (но слишком большой будет менее эффективен). Однако другие говорят, что котлы требуют меньшего обслуживания, чем ASHP. Опрос Consumer Reports показал, что «в среднем около половины тепловых насосов могут столкнуться с проблемами к концу восьмого года владения».
Современные методы химического охлаждения были разработаны после предложения цикла Карно в 1824 году. Джейкоб Перкинс изобрел машину для изготовления льда, в которой использовался эфир, в 1843 году, а Эдмон Карре построил холодильник, в котором использовалась вода и серная кислота, в 1850 году. В Японии Фусаносукэ Кухара, в 1917 году основатель компании Hitachi, Ltd. изготовил кондиционер для домашнего использования, используя в качестве хладагента сжатый CO2.
В 1930 году Томас Миджли-младший открыл дихлордифторметан, хлорированный фторуглерод (CFC), известный как фреон. ХФУ быстро заменили традиционные хладагенты, в том числе CO2 (который оказалось трудно сжимать для бытового использования), для использования в тепловых насосах и холодильниках. Но с 1980-х годов ХФУ начали терять популярность в качестве хладагента, когда было обнаружено их разрушительное воздействие на озоновый слой. Два альтернативных типа хладагентов, гидрофторуглероды (ГФУ) и гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), также потеряли популярность, когда их определили как парниковые газы (кроме того, было обнаружено, что ГХФУ наносят больший вред озоновому слою, чем первоначально предполагалось). Венская конвенция по защите озонового слоя, Монреальский протокол и Киотский протокол призывают к полному отказу от таких хладагентов к 2030 году.
В 1989 году, на фоне обеспокоенности международного сообщества по поводу воздействия хлорфторуглеродов и гидрохлорфторуглеродов на озоновый слой, учёный Густав Лоренцен и компания SINTEF запатентовали метод использования CO2 в качестве хладагента при отоплении и охлаждении. Дальнейшие исследования охлаждения CO2 были затем проведены в Shecco (устойчивое отопление и охлаждение с помощью CO2) в Брюсселе, Бельгия, что привело к увеличению использования CO2. технологии хладагентов CO2 в Европе.
В 1993 году японская компания Denso в сотрудничестве с Густавом Лоренценом разработала автомобильный кондиционер, использующий CO2 в качестве хладагента. Они продемонстрировали изобретение на конференции Международного института холода/Густава Лоренцена в июне 1998 года. После конференции CRIEPI (Центральный научно-исследовательский институт электроэнергетики) и TEPCO (Токийская электроэнергетическая компания) обратились к Denso с предложением разработать прототип кондиционера с использованием натуральных хладагентов вместо фреона. Вместе они произвели 30 прототипов для годичной экспериментальной установки по всей Японии, от холодного климата Хоккайдо до более жаркой Окинавы. После этого успешного технико-экономического обоснования в сентябре 2000 года Denso получила от SINTEF патент на сжатие хладагента CO2 для использования в тепловых насосах. В начале XXI века тепловые насосы с CO2 , в соответствии с патентом Ecocute, стал популярным для новостроек в Японии, но в других местах он распространялся медленнее.
Спрос на тепловые насосы увеличился в первой четверти 21 века в США и Европе, при этом правительства субсидировали их для повышения энергетической безопасности и декарбонизации. Европейцы, как правило, используют системы «воздух-вода» (также называемые гидравлическими), например, для радиаторов, а не системы «воздух-воздух», более распространенные в других местах. Это может помочь европейским производителям защитить свой внутренний рынок. Однако, поскольку они не являются высокотехнологичными и похожи на кондиционеры, в 2021 году азиатские страны, такие как Китай, произвели три четверти тепловых насосов.