Во время проектирования теплонасосной установки иногда возникает необходимость подобрать тепловой насос для отопительной системы с высокотемпературным графиком, например 60/45 °С. Возможность получения высоких температур позволило бы расширить сферу применения тепловых насосов. Особенно это актуально для тепловых насосов типа воздух-вода, поскольку они подвержены влиянию температурных колебаний окружающего воздуха.

Большинство тепловых насосов способны достичь разницы температуры между низкопотенциальным источником тепла и подачей в систему отопления не более чем на 60 °С.  Это означает, что при температуре окружающего воздуха -15 °С максимальная температура подачи не превышает 45 °С, для воздушного теплового насоса. Этого будет уже недостаточно для нагрева горячей воды.

Проблема заключается в том, что температура парообразного хладагента в компрессоре во время сжатия не может превышать 135 °С. В обратном случае масло, добавляемое в контур хладагента, начинает коксоваться. Это может привести к выходу из строя компрессора теплового насоса.

График изменения давления и энтальпии для стандартного воздушного теплового насоса

График изменения давления и энтальпии для стандартного воздушного теплового насоса

На диаграмме изменения давления и энтальпии (содержания энергии) видно, что максимальная температура в систему отопления не может бать больше 45 °С в случае если воздушный тепловой насос работает при температуре окружающей среды  -15 °С.

Для решения этой задачи было принято простое, но в то же время очень эффективное решение. В контуре рабочей жидкости был добавлен дополнительный теплообменник и расширительный клапан (ТРВ).

Тепловой насос с дополнительным оборудование и EVI компрессором

Тепловой насос с дополнительным оборудование и EVI компрессором

Часть хладагента (от 10 до 25%), после конденсатора отбирается на дополнительный клапан ТРВ. В клапане рабочая жидкость расширяется и затем подается на дополнительный теплообменник. Данный теплообменник служит испарителем для этого хладагента. После, низкотемпературный пар впрыскивается непосредственно в компрессор. Для этого компрессор высокотемпературного теплового насоса оснащают еще одним входом. Такие компрессоры называют компрессорами с промежуточным впрыском пара «EVI» (intermediate  vapour  injection). Этот процесс происходит во время второй трети сжатия парообразного хладагента.

Компрессор с технологией промежуточного впрыска пара

Компрессор с технологией промежуточного впрыска пара

Источником тепла в дополнительном теплообменнике является оставшийся хладагент, подаваемый на основной клапан ТРВ. Это так же дает свой положительный эффект. Основной поток хладагента переохлаждается на 8-12 °С  и попадает в испаритель с меньшей температурой. Это позволяет поглотить большее количество природного тепла.

Зависимость давления и энтальпии для теплового насоса с промежуточным впрыском пара

Зависимость давления и энтальпии для теплового насоса с промежуточным впрыском пара

Благодаря этим процессам происходит «смещение» температуры показанное на диаграмме. Тем самым есть возможность сжимать пар больше  в компрессоре, достигая необходимого показателя давления и не превышая максимальную температуру 135 °С.

Несмотря на применение технологии промежуточного впрыска пара добиться температуры подачи в систему теплоснабжения выше 65 °С не предоставляется возможным в тепловых насосах данной конструкции. Максимальное давление хладагента должно быть таким, чтобы в момент начала конденсации рабочая жидкость не превысила значения температуры большее, чем критическая точка. К примеру, для часто используемого хладагента R410A эта точка равна 67 °С. В противном случае, хладагент перейдет в не стабильное состояние и не сможет «правильно» сконденсироваться.

Кроме повышения максимальной температуры, EVI технология значительно улучшает эффективность теплового насоса.  На графике ниже показана разница в эффективности теплового насоса оснащенного технологией промежуточного впрыска пара и обычного теплового насоса. Благодаря этому свойству EVI компрессоры так же устанавливаются в тепловых насосах грунт-вода и вода-вода.

Сравнение COP тепловых насосов

Сравнение COP тепловых насосов

Во время проектирования системы теплоснабжения с применением теплового насоса следует отдавать предпочтение низкотемпературным отопительным графикам. Таким требованиям отвечают системы тёплых полов, теплых/холодных стен, фанкойлы и т.д. Однако в случае возникновения необходимости получения более высоких температур следует применять высокотемпературные тепловые насосы с технологией промежуточного впрыска пара EVI.