Принцип работы тепловых насосов для отопления

Многие из вас, думаю слышали о таком устройстве как тепловой насос. Но не все знают принцип его действия, а также его неоспоримые преимущества перед другими источниками тепловой энергии. Хочу исправить эту несправедливость и рассказать, как происходит обогрев тепловым насосом.

Система теплового насоса, схема

Целесообразное использование топливно-энергетических резервов, ресурсы которых резко истощаются, принимает существенную многозначительность не только для прогресса человеческой цивилизации, но фактически для спасения ее вместе со средой обитания.

Энергоносители за или против?

Однако это еще не все. Ценовой подъем на энергоносители и высокие затраты на их доставку приводят к стремительному увеличению стоимости на тепловую и электрическую энергию. А это заставляет потребителей искать новые пути экономии. Еще из школьных учебников мы помним, что передача тепла перетекает от разогретых тел к более прохладным, но никак не обратно. Наш многовековой опыт не помнит обратной процедуры, да и наука доказательно это подтверждает. Однако хитрые современные инженерные приемы делают допустимым переход тепла в обратном направлении – от менее разогретого тела к наиболее горячему.

Схема передачи тепла в тепловом насосе

Для нас нет ничего удивительного, например, в работе холодильника. Где тепло из морозильной камеры, температура в которой чаще отрицательная, выбрасывается в окружающую среду. Если применить это тепло для обогрева зданий, а холодильную камеру заменить испытанным, постоянно функционирующим природным источником тепла, то это и будет так называемый тепловой насос.

Простой тепловой насос (воздух-воздух) которым можно обогреть жилое помещение — это привычный всем кондиционер, с функцией обогрева. Можно с успехом использовать и его, ведь сегодня есть кондиционеры которые могут работать и при значительных минусовых температурах — до -15 гр. и ниже. Однако, если мы хотим получить наибольшую эффективность и комфорт, при обогреве целого дома таким экономичным методом (а тепловой насос экономичнее обычных теновых обогревателей в три, и даже более раз), то нужно использовать более продвинутые системы.

На заметку: многие задаются вопросом — как же так, ведь есть закон сохранения энергии. Почему такое несоразмерное соотношение отдачи тепла, с потреблением электроэнергии? Весь секрет в том, что в тепловом насосе электроэнергия тратится только на электромагнитную обмотку компрессора (которая конечно нагревается, но не это тепло идет на обогрев помещения), а тепловая энергия вырабатывается, «сосется», из внешней среды, благодаря особым процессам теплового насоса (само слово насос, указывает на это). Чтобы в этом разобраться, нужно знать больше школьного курса физики. Но попробуем пройтись по азам ниже.
Тепловой насос

Итак, тепловой насос – это термодинамическое устройство, при помощи которого тепло от источника с наименьшей температурой (от низко- эвентуального источника) отображается потребителю с наиболее высокой температурой. Но для поддержания такого процесса теплопередачи требуется некая механическая энергия.

Как это работает?

Источниками низко-эвентуальной энергии могут быть тепло подземных вод, водоемов, тепло грунта и наружных воздух.
С помощью тепловых насосов легко свершается рекуперация тепла из прогоняемого вентиляционного воздуха, промышленных сбросов, канализационных стоков и от технологичных процессов, источающих тепло, что значительно экономит тепловую энергию.

Принцип работы теплового насоса

Из этого следует, что тепловые насосы можно использовать не только для горячего водоснабжения и отоплений, но и в интегрированной системе – для возрождения тепла из вентиляции и бытовых сбросов.

Устройство теплового насоса

Предлагаю поближе ознакомится с устройством теплового насоса (ТН), извлекающего тепло из среды с низкой положительной температурой, и передающего его в систему обогрева воды и отопления помещений.

В устройство теплового насоса входят:

• трубопроводный контур с насосом, начинённый жидкостью с низкой температурой замерзания и гарантирующий забор низко-эвентуальной теплоты земли, воды (из водоема или грунтовой) или воздуха;
• компрессор с механическим приводом;
• испаритель;
• конденсатор;
• дроссельный клапан;
• отопительный контур;
• тепловой аккумулятор.

Самые основные узлы теплового насоса

Основными узлами теплового насоса являются: компрессор с механическим приводом, испаритель, конденсатор и дроссельный клапан. Они соединяются герметичными трубопроводами, в которых движется рабочая жидкость с очень низкой температурой кипения при среднем атмосферном давлении.

Основные узлы теплового насоса, схема

При движении рабочая жидкость (в кондиционерах она называется хладагент), находясь в испарителе, при низком давлении закипает и испаряясь, впитывает низко-эвентуальное тепло, взятое из окружающей среды внешним контуром.

Далее посредством механической энергии (в данном случае – путем сжатия в компрессоре) давление рабочей жидкости, находящегося в газообразном состоянии, принудительно повышается. В итоге жидкость разогревается до высоких температур.

В конденсаторе (он играет роль теплообменника) теплота этого сжатого горячего теплоносителя прогревает воду в тепловом аккумуляторе, которая используется для горячего водоснабжения и системы отопления. Отдав тепло, рабочая жидкость компрессорного контура конденсируется и из газообразного состояния переходит снова в жидкое.

Конденсат жидкости, проходя через дроссельный клапан малого сечения, попадает в объем испарителя с меньшим давлением и закипает при имеющейся в нем температуре. В этот момент температура становится еще ниже настолько, что в испарителе жидкость снова способна поглощать тепло окружающей среды, которое приносит первичный контур из земли либо других источников.

Таким образом создается непрерывный круговой процесс передачи тепла с низкого температурного уровня на высокий. Для этого конечно нужны некие энергетические затраты, но они гораздо меньше принимаемой энергии и используются с пользой вместе с полученным теплом.

Думаю после этого объяснения, у многих отпадут вопросы про то, с чем связанна такая «аномальная» экономичность, якобы вопреки закону сохранения энергии (о чем есть любители поспорить на форумах).

Эффективность теплового насоса

Для оценки эффективности теплового насоса служит коэффициент преобразования m, равный отношению передаваемой насосом энергии, к энергии, используемой компрессором для работы всего устройства.

В современных системах тепловых насосов этот коэффициент равен 3 и более. Не вдаваясь в тонкости термодинамических процессов, отмечу, что существует взаимозависимость коэффициента преобразования от разности температуры во входном и выходном контурах теплового насоса. Чем больше перепад этих температур, тем ниже экономность расходуемой компрессором электроэнергии. Также и наоборот.

Кстати, именно поэтому выгоднее обогревать дом теплыми полами с температурой +25-+35оС, нежели обычными бытовыми радиаторами, разогретыми до +70-+90оС. В таких случаях коэффициент m достигает значений 4,5 и более.

Тепло вокруг, над и под нами – только успей получить

Окружающая нас среда просто насыщена тепловой энергией. Если измерить температуру поверхности нашей Земли и сравнить ее с температурой в космосе, то станет ясно, насколько тепла наша планета. При том, что это тепло в обозримом будущем останется неиссякаемым.

Не только солнце прогревает земную поверхность, но и недра Земли также отдают тепло верхним слоям грунта. Поэтому температура в грунте на глубине более четырех метров практически постоянна. В средней полосе России она примерно +4-+8оС. А мы все жалуемся на нехватку энергоресурсов. Низко- эвентуальное тепло грунта – надежная и постоянно пополняемая «сокровищница» энергии.

Исследования доказали, что при максимальном выборе тепловым насосом тепла из скважины, температура вокруг нее снижается на величину, которую не стоит даже брать в расчет. Так как она тут же восстанавливается при снижении отбора и годами остается на одном и том же уровне. Многообещающе и использование тепла водоемов и грунтовых вод.

Грунтовый зон и грунтовый коллектор теплового насоса
Тепловой насос – грунт, вода

На грунтовых тепловых насосах хочу остановиться отдельно. Их можно разбить на несколько, не схожих между собой, систем. Прежде всего это ТН с открытым циклом, где вода, имеющая плюсовую температуру, забирается прямо из водоносного горизонта и после охлаждения при отборе тепла отправляется обратно.

Широкое применение имеют системы с закрытым циклом, когда теплоноситель прокачивается через замкнутый трубопроводный контур, который уложен в грунте либо на дне открытого водоема. Контур для выбора тепла можно установить вертикально в скважине или уложить горизонтально в глубокой траншее.

При выборе между горизонтальном коллекторе или вертикальном зондом необходимо учесть, что во втором случае каждый погонный метр скважины насоса отдает 50 Вт тепловой энергии, а коллектор всего-то – 20. Помимо этого, коллектор за весь отопительный сезон выхолаживает грунт. А это приводит к падению эффективности теплового устройства. Зато бурение скважины под тепловой насос обходится на порядок дороже.

Укладка трубопровода контура теплового насоса в траншею
Обогрев тепловым насосом, выгода

Обогрев системой теплового насоса, несмотря на высокую, пока еще, стоимость их сооружения (60000 рублей – 1 кВт тепловой мощности), достаточно выгоден – ввиду полного отсутствия необходимости в хранении и транспортировки топлива. На участке освобождается территория под склад с топливом и подъезда к нему. Само же устройство теплового насоса компактно и может поместиться в полуподвальном помещении.

А вложенные в систему средства вполне окупятся за счет сбережения электроэнергии, или за счет отсутствие закупок топлива (смотря чем вы собирались обогревать, не имея теплового насоса).

Примечательно и то, что устройство ТН не наносит вреда окружающей среде. Система управления ТН автоматически контролирует режим работы, сохраняя параметры обеспечения теплом жилого строения.

Может так показаться, что слухи о тепловых насосах – это всего лишь пропаганда нового направления в энергетике. Но ведь технология получения тепла из воздуха, воды, грунта не нова и уже давно используется по всему миру. Только за 2010 год системы теплых насосов, например, в США выработали три миллиона кВт. На сегодняшний день эта цифра уже подошла к пяти. И это еще не предел.