Независимо от типа теплового насоса и типа привода компрессора на единицу затраченного исходного топлива потребитель получает по крайней мере в 1,12,3 раза больше тепла, чем при прямом сжигании топлива.

Такая высокая эффективность производства тепла достигается тем, что тепловой насос вовлекает в полезное использование низкопотенциальное тепло естественного происхождения (тепло грунта, природных водоемов, грунтовых вод) и техногенного происхождения (промышленные стоки, очистные сооружения, вентиляция и т.д.) с температурой от +3 до +40 С, т.е. такое тепло, которое не может быть напрямую использовано для теплоснабжения.

Естественно, что тепловые насосы довольно интенсивно вытесняют традиционные способы теплоснабжения, основанные на сжигании органического топлива.

Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г. 75 % теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов.

Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает 15-18 млн. тепловых насосов различной мощности - от нескольких киловатт до сотен мегаватт. В США более 30 % жилых домов оборудованы тепловыми насосами. В Швеции с 1984 г. по 1986 г. введены в эксплуатацию 74 крупные (от 5 до 80 МВт) теплонасосные станции. Наиболее крупной теплонасосной установкой является стокгольмская установка мощностью 320 МВт, работающая на принципе охлаждения воды, поступающей из Балтийского моря. Эта установка, расположенная на причаленных к берегу баржах, использует и зимой морскую воду с температурой 4 С, охлаждая ее до 2 С. Себестоимость тепла от этой установки на 20 % ниже себестоимости тепла, получаемого от газовой котельной. Общее количество тепла, вырабатываемого тепло насосными установками в Швеции, составляет около 50 % от потребного.

Результатом работы всякого холодильного цикла является охлаждение холодного источника и нагрев горячего за счет подвода внешней работы. Кельвин (1852 г.) предложил применить обратный цикл для целей отопления, используя его в качестве теплового насоса, который перекачивал бы теплоту, отобранную от холодного источника (внешней среды) в горячий.

Введем следующие обозначения:

q₂ - удельная теплота, отбираемая от холодного источника, кДж/кг (низко потенциальная теплота);

q₁ - удельная теплота (теплота, приходящаяся на единицу массы), передаваемая горячему источнику, кДж/кг (теплота, передаваемая в систему отопления помещения);

l_цикла - удельная работа, подводимая от внешнего источника, кДж/кг.

Можно записать

; (1)

, (2)

где - коэффициент преобразования или отопительный коэффициент цикла. Этот коэффициент характеризует эффективность цикла теплового насоса.

Рабочий цикл теплового насоса представлен на рис. 1.

Рис. 1. Рабочий цикл теплового насоса

Низко потенциальная теплота Q₂ поступает в испаритель теплового насоса, где ее воспринимает рабочее тело (хладагент), циркулирующее в цикле. Источником низко потенциальной теплоты могут быть наружный воздух, природные водоемы, грунт, питьевая вода, промышленные стоки, вентиляционные выбросы и т.д. В качестве хладагентов в циклах используются теплоносители с низкой температурой кипения - углекислота, аммиак, фреоны. Хладагент поступает в испаритель в жидком состоянии. В процессе подвода теплоты Q₂ к жидкому хладагенту происходит его превращение в пар (при постоянном давлении и температуре). Пары хладагента поступают в компрессор, где сжимаются, повышается их давление и температура. При сжатии в компрессоре от внешнего источника (электродвигателя) подводится работа l_цикла. Нагретые пары хладагента поступают в конденсатор, где отдают свое тепло Q₁ в систему отопления помещения и за счет отдачи теплоты конденсируются (превращаются в жидкость) при постоянном давлении и температуре. Жидкий хладагент поступает в дроссель, где его давление падает до давления в испарителе, а температура снижается до температуры низко потенциального источника. Цикл замыкается.

Экспериментальная установка

2. Дождаться выхода работы установки на стационарный режим, о котором свидетельствует неизменность показаний манометров.

3. Измерить при помощи манометров давление за компрессором и за дроссельным вентилем перед испарителем. Результаты занести в табл. 1.

4. С помощью барометра измерить атмосферное давление барометром В , Па. Результаты занести в табл. 1.

5. Измерить температуру окружающей среды термометром t _{о с},С. Результаты занести в табл. 1.

6. При помощи термопар и милливольтметра измерить температуры в конденсаторе и испарителе в милливольтах и, пользуясь градуировочной таблицей (Приложение 2), перевести их в градусы Цельсия с учетом поправки на холодный спай термопар (к табличному значению температуры в С прибавить температуру окружающей среды). Результаты занести в табл.1. тепловой насос цикл экспериментальный

Выключить установку из сети.

Таблица 1