Отдельные сферы применения холодильной техники характеризуются сезонность потребности в холоде. Например, в системах кондиционирования воздуха холодильная машина применяется только в теплый период года. При коротком жарком лете, например в условиях Сибири, холодильные установки работают два…три месяца в году. Остальное время они не используются, при этом требуют обслуживания или консервации.

Периодичность использования их определяет и трудности возврата капитала, т.к. полезные результаты от установленных холодильных машин в виде комфортных условий в обслуживаемых помещениях поступают только в период эксплуатации. Расширить область и сезонность применения холодильных машин можно путем трансформации их в тепловые насосы. Сущность теплового насоса можно рассмотреть с помощью бытового кондиционера, работающего по этой схеме:

Рис.9.17. Схема реверсивной холодильной машины бытового кондиционера

Главной особенностью парокомпрессорного теплового насоса, отличающего его от холодильной машины, является наличие четырехходового клапана или другого устройства, позволяющего изменять направление циркуляции хладагента. В теплый период года холодильный агент после компрессора поступает в наружный блок, и холодильная машина работает по обычному циклу, т.е. в режиме охлаждения помещения. Внутренний блок используется в качестве испарителя. При снижении температуры наружного воздуха к уровню , близкого к уровню температур начала отопительного сезона, или при наличии необходимости обогрева помещения помощью четырехходового крана направление циркуляции хладагента нужно изменить на противоположное. В этом случае функциональное назначение наружного и внутреннего блоков меняется. Теплые пары хладагента после компрессора поступают во внутренний блок и при обдуве теплообменника отдают теплоту внутреннему воздуху. Внутренний блок в этом случае работает уже не в режиме охладителя, а в режиме воздушно-отопительного агрегата. Отвод теплоты от хладагента в этом блоке сопровождается его конденсацией. После дроссерирования хладагента в капиллярной трубке его температура снижается, Далее он поступает в наружный блок. Температура парожидкостной фазы хладагента после дросселирования ниже температуры наружного воздуха.

Таким образом, при изменении направления циркуляции хладагента в контуре бытового кондиционера появилась возможность использовать его для нужд отопления кондиционируемых помещений. Расширился и период использования устройства, который до этого ограничивался только периодом стояния высоких температур.

Холодильные машины, работающие по рассмотренному здесь циклу с изменением направления циркуляции хладагента, называются реверсивными или тепловыми насосами.

Наличие устройства для переключения направления циркуляции хладагента является не единственным отличием теплового насоса от холодильной машины. В холодильной машине тепловая мощность конденсатора (Q_к) больше тепловой мощности испарителя (Q_и) на тепловой эквивалент работы компрессора (L) т.е. Q_к = Q_и + L. Ввиду наличия реверса циркуляции хладагента, необходимо учитывать и компоновать тепловой насос, в отличии от холодильной машины , теплообменниками, имеющими теплопередающую поверхность, достаточную для работы в режиме конденсатора и в режиме испарителя. В тепловом насосе отсутствует фиксированное обозначение теплообменников, как конденсатор или испаритель. В зависимости от направления циркуляции хладагента конденсатор и испаритель меняются ролями, и эти компоненты теплового насоса называются теплообменниками.

Следующее отличие состоит в том, что дросселирующее устройство при изменении направления циркуляции хладагента не должно менять пропускную способность. Характерным примером такого дросселирующего устройства является капиллярная трубка. Она имеет одинаковые параметры проточной части при обоих направлениях движения хладагента. При применении регулирующих вентилей их проточные части должны обеспечивать одинаковую пропускную способность для хладагента при каждом направлении его движения. Создание такого регулирующего вентиля является достаточно сложной задачей, поэтому в тепловых насосах практикуется установка двух регулирующих вентилей, сблокированных с обратными клапанами. При изменении направления движения хладагента открывается соответствующий обратный клапан, который и разрешает пропуск его через клапан принятого направления циркуляции.

Холодильные машины работают преимущественно в циклическом режиме. После останова компрессора в испарителе находится некоторый объем жидкой фазы хладагента. Если испаритель находится выше компрессора, то под действием силы тяжести хладагент может стекать и накапливаться в компрессоре или подводящих каналах. Последующий пуск компрессора, заполненного жидким хладагентом, приводит к возникновению гидравлического удара и к выходу его из рабочего состояния. Для предотвращения этого явления перед компрессором устанавливается емкость для приема жидкой фазы (отделитель жидкой фазы) или гидравлическая петля на пути возможного стока хладагента из испарителя к компрессору. В условиях работы теплового насоса появляются уже два возможных направления стока хладагента к компрессору, и этот факт необходимо учитывать при разработке и исполнении схемы теплового насоса.

Изложенное выше в равной степени следует учитывать и при проектировании трубопроводов хладагента с учетом того, что в газовой фазе поток хладагента должен транспортировать масляный аэрозоль. Скорость движения газообразной фазы в трубопроводах подъема газообразного холодильного агента не должна быть меньше 5 м/с.

В холодильных машинах подлежат обязательной теплоизоляции холодные трубопроводы. Положение холодных трубопроводов в тепловом насосе меняется и поэтому объем теплоизолированных участков в них больше. Теплоизоляции подлежат все трубопроводы.

Работа теплового насоса характеризуется коэффициентом преобразования µ равным

Здесь Q_к – теплопроизводительность конденсатора;

Q_и – холодопроизводительность испарителя;

L – работа компрессора;

ε – холодильный коэффициент.

Величина µ существенно зависит от температуры охлаждаемой жидкости на входе в испаритель t_S1 и от температуры нагреваемой в конденсаторе среды на выходе из него t_W2. Характер этих зависимостей для промышленного образца теплового насоса представлен на рисунке 9.18.

Рис. 9.18. Зависимость коэффициента µ от температур охлаждаемой в испарителе t_S1 и нагретой в конденсаторе t_W2 воды в тепловых насосах со средне температурными (а) и высокотемпературными (б) винтовыми компрессорами

Существенно зависит значение коэффициента преобразования от разности температур t_W2 - t_S1. Повышение её от 20 до 80 градусов приводит к снижению µ с 6,0 до 1,7, т.е. в 3,5 раза. Это можно объяснить рассмотренной ранее зависимостью холодильного коэффициента ε от температуры конденсации Т_к и температуры кипения Т_и для идеального цикла, т.е.

ε = Т_и/( Т_к - Т_и)

Тепловые насосы средней температуры работают по одноступенчатой схеме с использованием в качестве рабочих веществ R717, R22, R142, R11, Смеси хладонов и др. Тепловые насосы высокой температуры работают по каскадной схеме с использованием в верхней ветви смеси R142 и R11 и др.

Из данных на рис. 9.18 видно, что при снижении температуры охлаждаемой в испарителе воды снижается и коэффициент преобразования. Снижается при этом и теплопроизводительность теплового насоса. Целесообразно рассмотреть увязку этой характеристики теплового насоса с потребностью в теплоте здания при применении его для нужд отопления. Если для нужд отопления применяется тепловой насос, в котором в качестве охлаждаемой в испарителе среды используется наружный воздух, то характер зависимости Q_к (сплошная линия) и теплопотерь здания (штриховая линия) от температуры наружного воздуха имеет вид, представленный на рис.9.19.

Рис. 9.19. Характеристика теплового насоса с охлаждением в испарителе наружного воздуха (сплошная линия) и тепловая характеристика отапливаемого здания

Из данных рис.9.19. видно, что тепловой насос может обеспечить отопление только на режимах t_н> t_н^*. При t_н < t_н^* требуется применение дополнительного источника теплоты. Причем экономическая целесообразность применения теплового насоса связана со снижением Q_к и µ при снижении t_н (Т_и) может быть прекращена и ранее режима t_н^*, т.е. на более высоких температурах. Этот факт следует отнести к существенным недостаткам тепловых насосов, при работе которых в качестве источника энергии применяется наружный воздух. При любом источнике теплоты, температура которого переменна и зависит от каких-то внешних факторов, теплопроизводительность теплового насоса тоже будет переменной и определяется температурными режимами его элементов, характером термодинамического цикла, свойствами хладагента, параметрами работы компрессора и т.д.

Ограничивается и уровень получаемых в конденсаторе температур нагреваемой среды. Производимые в СНГ одноступенчатые тепловые насосы, работающие по регенеративному циклу, при температуре кипения в испарителе не ниже +6⁰С позволяют получить в конденсаторе горячую воду с температурой до +58⁰С. Повышение температуры в конденсаторе [или t_к – t_н (t_W2 – t_S1 )] приводит к необходимости повышения давления в нем. Это неизбежно ведет к снижению термодинамической эффективности цикла, а значит, и эффективности работы теплового насоса в целом. По этой причине и ограничивается уровень температур среды, нагреваемой в конденсаторе. Вода с температурой до 58⁰С в принципиальном плане может применяться для нужд отопления. Но в этом случае необходимо будет существенно увеличить площадь теплообмена нагревательных приборов, в том числе и за счёт потери эстетических показателей системы отопления. Вода с такой температурой может применяться и для нужд горячего водоснабжения.

Системы отопления с применением в качестве источника теплоты теплового насоса не могут конкурировать по экономическим и техническим показателям с системами отопления от ТЭЦ и крупных котельных. Некоторые преимущества тепловые насосы могут получить при сравнении их с системами отопления от небольших котельных и при наличии качественных источников теплоты, применяемых в испарителе. Вопрос о выборе источника теплоты для отопления зданий является сложной задачей, прежде всего с экономической точки зрения. Здесь необходимо учитывать стоимость самого оборудования, сроки его эксплуатации, стоимость тепловой и электрической энергии, возможные изменения стоимости ресурсов, соотношения коэффициента преобразования теплового насоса и к.п.д. отопительных систем и т.д. Качество источника теплоты определяется уровнем и стабильностью его температурного режима; теплоемкостью, объемной массой и степенью загрязнения носителя теплоты; агрессивностью примесей, величиной расходов и характером изменения его во времени.

Например, для получения 1 кВт теплоты при изменении температуры на 1⁰ требуется переместить через испаритель ≈0,83 м³/с (2980 м³/ч) воздуха и ≈0,00024 м³/с (0,84 м³/ч) воды. Эти данные убедительно показывают влияние на работу теплового насоса теплоемкости и объемной массы применяемого в испарителе источника теплоты. От этих параметров будут зависеть габариты установки и затраты на перемещение энергоносителей.