Принцип дії теплового насоса
Найдавніший і традиційний спосіб отримання тепла - спалювання палива - був відомий ще давній людині з моменту, як він відкрив для себе вогонь. Цей метод і понині є, мало не єдиним варіантом опалення. Причому за всю історію людської цивілізації він не зазнав істотних змін. Розширився лише асортимент палива, що спалюється, а сам процес став більш досконалим, заснованим на новітніх розробках в цій області. Останнім часом наука закономірно зайнялася питанням, як отримати опалення без палива, і які альтернативні джерела обігріву можна використовувати.
Пов'язано це з тим, що даний тип отримання тепла тягне за собою ряд проблем, які відсуваються на другий план на тлі неухильного подорожчання існуючих джерел теплової енергії. В першу чергу, це руйнівний вплив на екологію і, як наслідок, на здоров'я людини. А також зростання потенційної небезпеки екологічної катастрофи світового масштабу, коли існування людей на планеті стане неможливим.
Другий момент полягає в тому, що запаси палива, що використовується рано чи пізно закінчаться. Ці дві причини і змусили вчених шукати альтернативні варіанти обігріву. Одним з результатів подібних досліджень, які мають вже світове практичне застосування, стала поява теплових насосів.
Пристрій і принцип дії
Робота будь-якого пристрою заснована на використанні законів фізики. Так і принцип дії теплового насоса базується на властивостях газів і рідин, а також на принципах термодинаміки цих середовищ. При випаровуванні - перехід рідини в газоподібний стан - енергія, або тепло поглинається. При конденсації - перехід газоподібних речовин в рідкий стан - навпаки, виділяється. Найбільш інтенсивно процес випаровування відбувається при температурі кипіння і близькою до цієї позначки. У нормальних умовах вода закипає при 100 0 С.
Однак є речовини, закипає при набагато нижчих температурах. Наприклад, відомий фреон починає кипіти при +3 0 С, що значно нижче кімнатної температури. Це означає, що при +3 0 С він перетворюється з рідини в газ, який легко піддати стисненню (простіше, ніж рідина) - тобто збільшити його тиск в замкнутій системі, що, згідно із законами термодинаміки, призведе до зростання температури.
Стиснути газоподібний фреон теоретично можна до отримання будь-якої високої температури. На практиці ж більший інтерес представляє нагрів до значень традиційних систем опалення, наприклад до +80 0 С, що цілком можливо. На використанні цих важливих процесів і властивостей побудована робота теплових насосів.
У земній товщі на певній глибині температура завжди постійна, незалежно від пори року та інших обставин, і дорівнює +8 0 С. Прокладені в цих шарах колектори з труб з циркулюючої по них незамерзаючої рідиною забирають тепло землі. Через теплообмінник ця рідина нагріває фреон, що переміщається по контуру теплового насоса.
При температурі +8 0 С фреон, природно, трансформується в газоподібний стан. Цей газ стискають компресором для нагрівання до температури 80 0 С. Він віддає це тепло системі опалення через інший теплообмінник і з набагато меншою температурою, але з колишнім високим тиском надходить в дросель, де його тиск різко знижують. Внаслідок цього температура також швидко знижується до значень переходу фреону назад в рідкий стан. Він знову відправляється в теплообмінник для отримання тепла землі, замикаючи тим самим цикл.
В даному випадку земля є так званим джерелом температури низького рівня. До них також відносяться вода водойм, підземні води і навіть повітря, так як у всіх них своя певна температура. Загальновідомо, що приблизно 70% поверхні землі зайнято водою, що означає наявність у людини колосальних запасів теплової енергії, подарованих природою. Призначення насоса - перетворення теплоти цих джерел в тепло високого рівня - 70-80 0 С.
Теорію застосовуваного в тепловому насосі процесу вперше описав французький вчений Карно в 1824 р Процес назвали «цикл Карно». У 1852 р британець Вільям Томсон, грунтуючись на цій теорії, розробив перший тепловий насос, який здобув популярність як «умножитель тепла». А в 1855 р австрійський інженер Петер Ріттер фон Ріттінгер спроектував перший тепловий насос і випробував його.
З цією технологією ми щодня стикаємося в повсякденному житті, так як вона використовується в стали звичайними для нас холодильниках. У випарнику - холодильній камері цього пристрою - забирається тепло продуктів, і вони охолоджуються. Холодоагент (фреон) переносить і розсіює отримане тепло через радіатор в атмосферу. Споживана холодильником електроенергія витрачається тільки на переміщення фреону за системою за допомогою компресора.
Типи теплових насосів
Геотермальний тепловий насос
Джерелами низкоуровневого тепла можуть бути:
- вода будь-яких наземних водойм
- підземні води
- земля
- повітря
Виходячи з цього, а також з огляду на вид теплоносія в системі опалення приміщень, визначають тип насоса. Коли джерелом є земля, а обігрів виробляється водяний опалювальною системою, то тип насоса класифікують як «грунт-вода».
Аналогічно виділяють типи теплових насосів «вода-вода», «повітря-вода», «грунт-повітря», «повітря-повітря» і «вода-повітря». Насоси, що використовують земне тепло, називають також геотермальними, а тепло повітря - повітряними.
Переваги і недоліки
Переваги теплових насосів:
Тепловий насос використання тепла
- Головна перевага полягає в тому, що не потрібно ніякого палива. Мало того, при установці не потрібно отримувати ТУ та інші дозволи.
- Первинні витрати на систему з тепловим насосом і установку традиційного опалення часто можна порівняти. А експлуатаційні витрати при опаленні цим пристроєм нижче, ніж у всіх традиційних систем, крім магістрального газу. Але зростання його вартості, швидше за все, в найближчі роки призведе до того, що і магістральний газ по економічності поступатиметься теплових насосів.
- Ефективність - система швидко виходить на проектний режим експлуатації (максимум півгодини) і прогріває будинок. При цьому технологія отримання тепла відрізняється екологічною чистотою, що не є вибухонебезпечною і не пожежонебезпечна.
- Висока надійність і тривалий термін експлуатації без капітальних ремонтів - до 25 років. Раз на рік необхідний лише недорогий поточний огляд.
- Вентиляція для роботи насоса не потрібна. Система малошумна і малогабаритна, тому в разі відсутності котельні можлива установка на кухні або в іншому приміщенні.
- Автономність - для роботи насосів необхідно тільки електрику. А при перебоях в електропостачанні можлива робота по запасній схемі - від дизель-генератора. Крім того, насоси можуть використовуватися в комплексі з сонячними колекторами.
- Влітку насос може працювати в режимі кондиціонера. Він простий у використанні і вимагає мінімум уваги - запрограмований агрегат працює і підтримує потрібну температуру автоматично.
недоліки насосів
До недоліків пристрою слід віднести:
- Високу вартість обладнання в порівнянні з іншими відомими видами опалення.
- Необхідність індивідуальних складних розрахунків для кожного окремого випадку застосування.
- Неможливість використання теплового насоса в окремо взятій квартирі багатоквартирного будинку.
Тепловий насос (вода-вода)
На сьогоднішній день ціна насосів така, що є головним фактором, що стримує їх широке застосування. У неї входить багато складових, і вона різна для кожного окремого випадку.
Для максимальної ефективності опалення необхідний ретельний розрахунок самого насоса. Також потрібно дослідження джерел низкоуровневого тепла - це теж пристойні витрати. Вартість монтажу значно збільшує буріння свердловин або закладка колекторів в землю на велику глибину. Тому найдоступніші за ціною пристрою - повітряні, установка яких не вимагає подібних робіт.
Середня вартість використання теплових насосів, за даними різних компаній, знаходиться в межах від 600 до 1200 євро з розрахунку на 1 кВт необхідної для опалення потужності. За різними виробникам вартість також має досить широкий діапазон і залежить від конструкції, застосовуваних матеріалів, ступеня автоматизації і ряду інших чинників.
перспективи
У теплових насосів, безсумнівно, велике майбутнє. Світова практика підтверджує це показниками неухильного зростання кількості встановлюваних щорічно пристроїв. Висока вартість все ж окупається через кілька років експлуатації, а деякі європейські країни датують установку насосів, які є джерелом дуже дешевого тепла на десятиліття. В середньому, споживаючи 1 кВт електроенергії для роботи, насос виробляє 4-5 кВт теплової енергії.
На сьогоднішній день:
Енергетично тепловий насос дуже ефективний
Ці цифри показують, що сьогодні на Заході тепловий насос є рядовим приладом побуту - як мікрохвильовка або телевізор.
У Росії впровадження цих пристроїв стримується повсюдним використанням відносно недорогого і доступного газу. Проте, відзначається тенденція зростання кількості застосовуваних теплових насосів. Адже поновлювані енергетичні джерела - це той потенціал, до якого людська цивілізація прийде обов'язково.
висновок
Використання відновлюваних джерел енергії забезпечує не тільки опалення без застосування палива, але і можливість в перспективі отримувати електроенергію, грунтуючись на тих же принципах перетворення. Запаси цих джерел на землі не просто величезні - вони нескінченні, тому і названі поновлюваними. Всі вони цілком доступні, а їх широке застосування стримується поки ще високою вартістю обладнання для перетворення через не достатнього досконалості існуючих технологій.