Ефективност на компресорни термопомпи

Фактори, влияещи върху ефективността

Компресорните термопомпи са сред най-лесно приложимите, икономични и широко достъпни енергийно-ефективни технически решения за климатизация. Сред основните им предимства са тяхната екологичност, универсалност и висока ефективност, дължащи се на факта, че като източник на енергия те използват топлината, акумулирана в околната среда. За разлика от други източници на топлинна енергия, при термопомпите до 80% от необходимата енергия за производство на топлина се извлича от околната среда.
Източници на енергия могат да бъдат почвата, земните недра, подпочвената вода, повърхностните води, въздухът и т.н. В зависимост от вида на първичния и вторичния енергиен източник, термопомпите са: въздух - въздух, въздух - вода, вода - въздух, вода - вода, земя - въздух, земя - вода. Представляват подходящ енергиен източник в системи за отопление и битово горещо водоснабдяване, както и източник на студ за климатизационни системи.

Необходими условия за ефективна работа
Ефективното използване на възможностите, които предлагат термопомпените инсталации, е свързано с решаване на комплекс от технически проблеми. Те са свързани с добро познаване на спецификите, които характеризират всеки вид термопомпена инсталация. Изисква се и задълбочен анализ на околната среда, включително почвите, подземните води, температурата на въздуха в конкретното местоположение, за да може да се избере оптималният вариант. Добре е да се има предвид, че ако се планира термопомпата да работи в режим на отопление, е необходимо да се предвиди допълнителен източник на енергия. Термопомпа с капацитет изцяло да задоволява потребностите от топлина е решение, което се среща сравнително рядко в практиката. Обикновено термопомпената инсталация се комбинира с конвенционален топлинен източник, който да допълва недостига на топлина.
Целта е термопомпената инсталация да задоволява по-голямата част от топлинните потребности, което да доведе до ограничаване на разходите за първични енергийни източници.

Компресорните термопомпи -широко използвани
Ефективната работа на една термопомпа зависи от редица фактори. Логично, задължително условие е наличието на подходящ нископотенциален източник на енергия. Отсъствието му - на достатъчно близко разстояние, би могло да изключи възможността от използване на термопомпена инсталация.
В държавите със сравнително мек климат, в качеството на източник на топлина, често се използва атмосферният въздух. За България компресорните термопомпи въздух-въздух също са сред най-често прилаганите.
Известно е, че работата на всяка компресорна термопомпа е свързана и с изразходване на електроенергия, необходима за захранване на компресора. Необходимата електрическа мощност се определя в зависимост от топлинното натоварване на обекта. При наличието на подходящ нископотенциален източник на топлина, произведеното количество полезна топлинна енергия би могло да превиши няколко пъти енергията, изразходвана за захранване на компресора.

За коефициента на преобразуване
Отношението на получената полезна топлина към изразходваната енергия за задвижване на компресора се нарича коефициент на преобразуване на термопомпата. Обикновено коефициентът на преобразуване COP (Coefficient Of Performance) се използва като основен показател за ефективността на термопомпите, при работата им в режим на отопление. За същата цел, но в режим на охлаждане, в описанията на повечето климатични устройства се използва коефициентът EER (Energy Efficiency Ratio). С него се изчислява съотношението на студопроизводството на термопомпата към потребяваната мощност.
Коефициентът на ефективност на една термопомпа е пряко свързан с разликата между температурата на топлинния източник и изходящата температура от термопомпата. Счита се, че оптимална стойност на коефициента на преобразуване се получава при температура на изпарение +5 °С и температура на кондензация 60 °С. С увеличаването на температурата на нископотенциалния източник и/или с намаляването на необходимата на потребителя температура, коефициентът на преобразуване на реалните термопомпи се повишава.

Подходящи за нискотемпературни инсталации
Енергийната ефективност, и съответно икономическата ефективност на всяка термопомпа, зависят силно от характеристиките на потребителя на топлина, както и от температурата на нагрявания топлоносител. Колкото по-голяма е разликата между температурата на топлоносителя във входния и изходния контур, толкова по-малък е коефициентът на преобразуване, съответно и икономията на електроенергия. Счита се, че използването на термопомпа е особено ефективно в случаите на използване на система с топловъздушно отопление или водно подово отопление. Както е добре известно, характерно за тях е, че температурата на топлоносителя не превишава 35 - 40 °С. Подобни системи се отличават с висок коефициент на преобразуване. Подходящо решение, използвано често в последните години, са и системите за отопление с вентилаторни конвектори. Те се характеризират с висок коефициент на топлоотдаване, и съответно позволяват използването на топлоносител с по-ниска температура. В случаите - при които се използват традиционните водни отоплителни системи, базирани на радиатори например, следва да се увеличи топлоотдаващата повърхност на отоплителните тела. Целта е да се осигури оптимизират параметрите на топлоносителя.

Използване на термопомпа за БГВ
При използване на термопомпа за БГВ (битово горещо водоснабдяване) е препоръчително да се избягва необоснованото прегряване на водата до по-високо от реално необходимото температурно ниво. Като правило, за удовлетворяване на повечето битови потребности не е необходимо подгряване на водата до температура, по-висока от 40 - 45 °С.
Ако в системата е включен бойлер, снабден с резервен електронагревател, съответстващата му автоматика трябва да бъде настроена с отчитане на това изискване. Също така обемът на резервоара-акумулатор за гореща вода следва да се оптимизира с отчитане на реалния график на водопотребление.

Определяне на среден топлинен коефициент
Основен момент при определяне на ефективността и рентабилността на една термопомпена инсталация е коректността на оценката за топлопотреблението. Обикновено потреблението на топлина от страна на консуматора не е постоянно, а варира в рамките на ден, седмица, месец и година. За определяне на годишното топлопроизводство се построяват графики на работата и потреблението на топлина от отделните консуматори. Задължително се оценява и степента на едновременна консумация, както и влиянието на комплекс от външни фактори, което се отчита на базата на средногодишни статистически данни. В случаите, при които е налице консумация и на топлина, и на студ, се построява и графика за студопотреблението. На базата на графиките за топлопотреблението се определя средният топлинен коефициент (средният коефициент на преобразуване), който е основен показател за технико-икономическа оценка на една термопомпена инсталация.
За компресорните термопомпени инсталации - средният годишен топлинен коефициент се изчислява по формулата: z= QkN/NQв = j.hjh, където Qk, в MWh, е полезно годишно топлопроизводство; N, в MWh, е годишна консумация на електроенергия от електродвигателя; Qв, в MWh, представлява топлинен еквивалент на годишно изразходвания първичен енергиен източник; f е средногодишен коефициент на преобразуване, а hh общ коефициент на полезно действие на системата за добиване и доставяне на електроенергия до клемите на електродвигателя.

Максимална мощност на термопомпата
Проектирането и изграждането на термопомпена система за топлоснабдяване изисква системен и творчески подход. За разлика от традиционните системи за топлоснабдяване, термопомпената инсталация би могла да работи в променлив (нестационарен) режим, съществено отклоняващ се от предвидения. Това е свързано както с възможното изменение на температурата на нископотенциалния източник, така и с променливия характер на топлинното натоварване. При това, важен момент от оптимизацията се явява максималната мощност на термопомпата. Очевидно е, че използването на термопомпа, проектирана за покриване на максималното топлинно натоварване, е нецелесъобразно от икономическа гледна точка. Препоръчително е мощността на термопомпата да се избира равна на около 60 - 70% от максималното натоварване. Следователно е необходимо термопомпата да работи съвместно с резервен източник на топлина и/или да се предвиди топлинен акумулатор.

Въздухът като първичен енергиен източник
Влияние върху ефективното използване на термопомпата оказва и изборът на първичен енергиен източник. Сред основните причини компресорните термопомпи, използващи външен въздух в качеството на енергиен носител, да са така широко разпространени е фактът, че те не изискват големи първоначални инвестиции. Инсталацията им е сравнително лесна, а въздухът е навсякъде около нас. Основният им недостатък е, че при понижаване на температурата на външния въздух, коефициентът им на преобразуване също намалява. Изменението на външната температура, например от +7 до -10 оС, понижава ефективността на термопомпата 1,5 - 2 пъти. Това е причината, за икономически целесъобразна да се приема работата на термопомпите при температура на външния въздух, не по-ниска от +3 оС. Естествено, някои термопомпи работят и при много по-ниски температури, но това съответно води и до значително повишаване на разхода на енергия.

Почвата и водите като енергиен източник
Подходящи енергийни източници за термопомпените инсталации са и водните басейни, включително подпочвени води, води от реки, езера и геотермални води. При използването на речни или езерни води е добра да се има предвид, че през зимата могат да възникнат проблеми. Енергийното оползотворяване на подпочвени води, също би могло да създаде експлоатационни проблеми. Като цяло, използването на термопомпи, захранвани с подпочвени води се смята за икономически оправдано. Първоначалните инвестиции са сравнително високи, но от друга страна този източник на топлина е достъпен целогодишно.
Повърхностният земен слой също е надежден източник на топлина. Той акумулира огромно количество топлинна енергия, а на определена дълбочина температурата на почвата се запазва относително постоянна през цялата година. Основна характеристика на повърхностния земен слой е специфичната топлинна мощност, която може да се отнеме от 1m2. Тя зависи от структурата на почвата, от нейната влажност, както и от общите климатични условия в местността. Обикновено при благоприятни условия, средното специфично топлоотдаване на почвата през целия отоплителен сезон е 20 - 30 W/m2 .

Пресмятане на икономическата ефективност
За оценка на икономическата ефективност на една термопомпена инсталация е възможно да се използва формулата: Е = (Рк/Га + Рп)/И. В нея Рк/Га, лв./год., са годишните амортизационни отчисления; Рп, лв./год. - годишни производствени разходи, И, лв./год. - годишен икономически ефект от използването на термопомпена инсталация.
От своя страна, И представлява произведение от параметрите DВ и Ц, лв./год. Във формулата с DВ, t/год. е показана годишната икономия на първичен енергиен източник, вследствие използването на термопомпена инсталация. Получава се, като от разходите за първичен енергиен източник, при конвенционална система, се приспаднат разходите, характерни за термопомпена инсталация. С Ц, лв./t, е означена цената на единица първичен енергиен източник.