Исследование теплового насоса

Исследование теплового насоса

Учебно-методическое пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 621.577.62 
ББК 31.38 
И88 
 
Издание доступно в электронном виде по адресу 
ebooks.bmstu.press/catalog/57/book1893.html 

Факультет «Энергомашиностроение» 
Кафедра «Холодильная, криогенная  
техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» 

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия 

Авторы: 
В.В. Шишов, А.В. Борисенко, Н.А. Спасская, А.Г. Беседа 

 
                       
 
Исследование теплового насоса : учебно-методическое 
пособие / В. В. Шишов [и др.] — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 22, [6] с. : ил. 
 
ISBN 978-5-7038-4993-4 

 
Издание содержит материалы по выполнению лабораторной работы, 
посвященной экспериментальному исследованию теплового насоса воздух — 
вода. Приведено описание лабораторного стенда, его основных 
элементов, изложена методика проведения испытаний и обработки экспериментальных 
данных. 
Для студентов, изучающих дисциплины «Теоретические основы холодильной 
техники», «Холодильная техника» и «Холодильные машины и 
установки». 

 
УДК 621.577.62 
ББК 31.38 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
       МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018 
  
  Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4993-4                                МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018 

И88 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Издание подготовлено в помощь студентам, выполняющим 
лабораторную работу «Исследование теплового насоса», которая 
посвящена экспериментальному исследованию характеристик 
теплового насоса серии ZUBADAN («Зубадан») фирмы Mitsubishi 
Electric («Митсубиси Электрик», Япония). 
Лабораторную работу выполняют в рамках дисциплины «Холодильная 
техника» студенты кафедры Э-4 1-го курса магистратуры, 
обучаемые по специальности 16.04.03 «Холодильная, 
криогенная техника и системы жизнеобеспечения» (программа 
магистратуры 16.04.03_04 «Регулирование и автоматизация холодильных 
установок и систем кондиционирования»), и 5-го 
курса специалитета, обучаемые по специальности 16.05.01 
«Специальные системы жизнеобеспечения» (программа специа-
литета 16.05.01_01 «Криогенная техника и специальные системы 
жизнеобеспечения»). 
Пособие могут использовать студенты 4-го курса бакалавриата 
для выполнения лабораторных работ в рамках дисциплины 
«Теоретические основы холодильной техники», обучающиеся 
по направлению 16.03.03 «Холодильная, криогенная техника и 
системы 
жизнеобеспечения» 
(программа 
бакалавриата 
16.03.03_01 «Холодильная техника и технологии»), а также студенты 
1-го курса магистратуры — в рамках дисциплины «Холодильные 
машины и установки», обучающиеся по специальности 
16.04.03 «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения» (
программа магистратуры 16.04.03_01 «Холодильная 
техника и технологии»). 
Цель лабораторной работы — научить студентов правилам 
эксплуатации теплового насоса воздух — вода, ознакомить с его 
конструкцией, назначением элементов и практикой экспериментального 
исследования, а также закрепить теоретические знания, 
полученные из курса лекций по холодильным машинам и тепловым 
насосам. 
Основные задачи лабораторной работы: 
 ознакомление с теоретической частью; 
 обеспечение выхода установки на режим; 

 экспериментальное 
определение 
параметров 
теплового 
насоса; 
 нахождение объемных и энергетических характеристик теплового 
насоса; 
 формулирование выводов. 
В результате проведения лабораторной работы студенты 
узнают устройство теплового насоса и особенности его эксплуатации, 
приобретут навыки экспериментального исследования 
теплового насоса, последующей обработки результатов и умение 
определять энергоэффективность установок подобного типа. 
 
 
 

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА 

Принцип работы теплового насоса 

Тепловой насос (ТН) («умножитель теплоты» по определению 
Уильяма Томсона) — устройство для переноса тепловой 
энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии  
(с низкой температурой) к потребителю (с более высокой температурой).  

Термодинамически ТН аналогичен холодильной машине 
(ХМ). Однако если в ХМ основной целью является «производство» 
холода путем отбора теплоты от объекта испарителем, а 
конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, 
то в ТН картина обратная. Конденсатор является теплообменным 
аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — 
теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную 
теплоту (вторичные энергетические ресурсы, нетрадиционные 
возобновляемые источники энергии).  
Тепловой насос может представлять собой парокомпрессионную 
холодильную установку, которая состоит из следующих 
основных компонентов: компрессора, конденсатора, расширительного 
клапана и испарителя. Газообразный хладагент поступает 
на вход компрессора. Компрессор сжимает газ, при этом 
его давление и температура увеличиваются. Горячий газ подается 
в теплообменник, называемый конденсатором, в котором он 
охлаждается, передавая теплоту воздуху или воде, и конденсируется, 
т. е. переходит в жидкое состояние. Далее на пути жидкости 
высокого давления установлен расширительный клапан, 
понижающий давление хладагента. Компрессор и расширительный 
клапан делят замкнутый гидравлический контур на две части: 
линию высокого давления и линию низкого давления.  
В расширительном клапане давление хладагента падает, и в результате 
дросселирования температура потока понижается. Далее 
этот поток поступает в теплообменник (испаритель), связанный 
с окружающей средой (например, воздушный теплообменник 
на улице). При низком давлении жидкость кипит (превра-

щается в пар) при температуре ниже, чем температура наружного 
воздуха или грунта. В результате часть теплоты наружного 
воздуха или грунта переходит во внутреннюю энергию хладагента. 
Газообразный хладагент вновь поступает в компрессор — 
контур замкнулся. 
Можно сказать, что работа компрессора идет не столько на 
«производство» теплоты, сколько на ее перемещение. Теплопроизводительность 
конденсатора в несколько раз превышает электрическую 
мощность, затрачиваемую на привод компрессора.  
Тепловой насос может работать и в обратном направлении,  
т. е. его можно использовать для охлаждения воздуха в помещении 
летом. Конденсатор монтируют в помещении, а испаритель с 
вентилятором — либо снаружи, на фасаде, либо во внутренней 
части вытяжной ветви вентиляционной системы. 
Главной частью установки является не испаритель, аккумулирующий 
теплоту из окружающего пространства, а конденсатор, 
отдающий теплоту потребителю. В конденсаторе парû хладагента 
переходят в иное агрегатное состояние (жидкость) и отдают 
энергию отопительной системе. 
Необходимо отметить, что для равномерной подачи жидкого 
хладагента в испаритель после конденсатора обычно устанавливают 
ресивер. Перед дросселирующим элементом размещают 
фильтр-осушитель, который улавливает различные механические 
загрязнения хладагента и поглощает влагу, находящуюся в 
системе.  
Поскольку жидкость практически несжимаема, то попадание 
жидкого хладагента в цилиндр компрессора может привести к возникновению 
гидравлического удара, при котором возможно разрушение 
конструктивных элементов компрессора. Для предотвращения 
данного эффекта парû хладагента по мере продвижения по 
испарителю дополнительно подогревают, поэтому их температура 
на выходе из испарителя выше температуры кипения на величину 
перегрева (обычно 6 °С). 
Сжатие паров хладагента в компрессоре от давления кипения 
до давления конденсации сопровождается, кроме того, возрастанием 
их внутренней энергии и температуры. Температура паров в 
конце сжатия зависит от разности давлений на входе и выходе из 
компрессора и достигает 120 °С.  

На выходе из конденсатора температура хладагента обычно 
ниже температуры насыщения на величину переохлаждения, которая 
достигает 4 °С. 
Достоинства воздушного ТН: 
 прост в монтаже; 
 источник теплоты — воздух — есть везде; 
 может быть объединен с системой вентиляции (мощность 
агрегата используется для повышения эффективности воздухообмена 
в помещении); 
 работает почти бесшумно и легко программируется. 
Недостатки воздушного ТН: 
 эффективность ТН зависит от температуры окружающего 
воздуха; 
 при низких температурах окружающего воздуха ТН необходимо 
дублировать другими способами обогрева помещения 
(например, дровяное или газовое отопление); 
 не является автономной энергетической установкой (питание 
от электросети). 
Однако одно достоинство делает парокомпрессионные ТН 
наиболее предпочтительными. В условиях, в которых работают 
ТН, отопительный коэффициент μ (коэффициент теплового преобразования) 
составляет 2–5 (в зависимости от температуры воздуха 
окружающей среды). Это означает, что на каждый киловатт затрачиваемой 
электроэнергии вырабатывается 2…5 кВт теплоты. 

Общая характеристика стенда 

Лабораторный стенд (рис. 1) представляет собой ТН ZUBADAN 
фирмы Mitsubishi Electric (Япония), который состоит из гидромодуля 
1 (внутренний блок), являющегося водонагревателем (конденсатором), 
и компрессорно-испарительного блока 2 (наружный блок). 
Гидромодуль расположен в помещении, а компрессорно-испарительный 
блок — вне этого помещения. 
Установка работает по парокомпрессионному циклу. Используемый 
хладагент — R410А. К основным элементам установки (рис. 2) 
относятся: герметичный спиральный компрессор 10 с портом инжекции, 
конденсатор 17, испаритель 4, теплообменник HIC 28 цепи 
инжекции хладагента, три электронных расширительных вентиля 
(ЭРВ) 1, 23, 27, четырехходовой клапан 5. 

Рис. 1. Лабораторный стенд:  

1 — гидромодуль; 2 — компрессорно-испарительный блок 

Цикл работы ТН в режиме обогрева состоит в следующем. Компрессор 
10 с портом инжекции всасывает и затем сжимает пар хладагента (
т. 1). Из компрессора сжатый хладагент через четырехходо-
вой клапан 5 поступает в конденсатор 17, где охлаждается и конденсируется, 
отдавая теплоту нагреваемой воде, прогоняемой циркуляционным 
насосом 18. После конденсатора (т. 2) жидкий хладагент, 
пройдя через фильтры 20, 22, дросселируется в ЭРВ «В» 23, в результате 
чего давление немного уменьшается. Далее парожидкостная 
смесь (т. 3), образовавшаяся после ЭРВ, поступает в ресивер-
теплообменник (Power Receiver) 25. Внутри ресивера проходит линия 
всасывания и осуществляется обмен теплотой с газообразным 
хладагентом низкого давления. За счет этого температура смеси 
снова понижается (т. 4), и жидкость поступает на выход ресивера. 
Далее некоторое количество жидкого хладагента ответвляется 
через ЭРВ «С» 27 в цепь инжекции — теплообменник HIC 28. 
Часть жидкости выкипает, и температура образующейся смеси понижается. 
За счет этого охлаждается основной поток жидкого хладагента, 
проходящий через теплообменник HIC (т. 5). 
В результате прохода через трубу низкого давления в ресивере-
теплообменнике 25 перегрев газообразного хладагента увеличивается, 
и рабочее тело поступает в компрессор 10 (т. 12). Кроме 
того, ресивер сглаживает колебания промежуточного давления 
при флуктуациях внешней тепловой нагрузки, а также гарантирует 
подачу на ЭРВ «С» цепи инжекции только жидкого хладагента, 
что стабилизирует работу этой цепи. После дросселирования  

 

Рис. 2. Схема установки:  
1, 23, 27 — ЭРВ «А», «В», «С» соответственно; 2, 15, 20, 22, 24, 26 — фильтры;  
3 — вентилятор испарителя; 4 — испаритель; 5 — четырехходовой клапан; 6 — 
штуцер высокого давления; 7 — реле на линии высокого давления; 8 — маслоотделитель; 
9 — штуцер низкого давления; 10 — компрессор с портом инжекции; 
11 — байпасный вентиль; 12, 13 — капиллярные трубки длиной 500  
и 1000 мм соответственно; 14 — отделитель жидкости (глушитель); 16 — запорный 
шаровой вентиль; 17 — конденсатор; 18 — циркуляционный насос;  
19 — накопительный бак; 21 — запорный вентиль с сервисным штуцером; 25 —  
                 ресивер теплообменник; 28 — теплообменник HIC 

с помощью ЭРВ «А» 1 (т. 6) смесь жидкого хладагента и пара, 
образовавшегося в процессе понижения давления, поступает в 
испаритель 4, т. е. в теплообменник наружного блока, обдуваемый 
вентилятором 3. За счет низкой температуры кипения теплота 
передается от наружного воздуха к хладагенту, и жидкая фаза 
в смеси полностью выкипает (т. 7). Пар после испарителя 4 проходит 
через четырехходовой клапан 5, нагревается в ресивере и 
попадает во всасывающую полость компрессора. Чтобы избежать 
попадания жидкого хладагента в компрессор, непосредственно 
перед ним, на линии всасывания, установлен отделитель жидкости 
14, который также играет роль глушителя. 
В данной установке применяется «инверторная» (плавная) регулировка 
мощности, т. е. путем изменения частоты n вращения 
ротора электродвигателя. Помимо плавности регулировки это 
также увеличивает ресурс компрессора. 
При остановке компрессора открывается байпасный вентиль 11, 
соединяющий линии всасывания и нагнетания. Происходит выравнивание 
давлений в системе, что облегчает последующий пуск компрессора. 
Управление ТН осуществляется контроллером. 

Характеристика основных элементов стенда 

Компрессорно-испарительный блок. В состав компрессорно-
испарительного блока входят компрессор, ЭРВ и фильтры (рис. 3). 
 

 
Рис. 3. Компрессорно-испарительный блок PUHZ-HRP: 

1 — вентилятор; 2 — цепь инжекции хладагента; 3 — теплообменник HIC;  
4 — ресивер-теплообменник; 5 — компрессор с портом инжекции