Ідея теплового насоса висловлена півтора століття назад британським фізиком Вільямом Томсоном. Це вигадане ним пристрій він назвав «помножувачем тепла».
Тепловий насос - це «холодильник навпаки». Парадоксальна, на перший погляд, зв'язок між «виробництвом тепла» і холодильною машиною полягає в тому, що принцип роботи теплових насосів і звичайних холодильників однаковий і заснований на двох добре знайомих усім фізичних явищах.
Перше: коли речовина випаровується, воно поглинає тепло, а коли конденсується, віддає його. Цією закономірністю пояснюється ефект охолодження рідини в пляшці, оберненої мокрою ганчіркою (випаровується вода відбирає I частина тепла), а також більш висока вражаюча здатність опіку парою (температура киплячої рідини і пара однакова, але енергія пара більше, тому такий опік небезпечніше).
Друге: коли тиск змінюється, змінюється температура випаровування і конденсації речовини - чим вище тиск, тим вище температура, і навпаки. З цієї причини в кастрюле- «скороварці» їжа готується швидше, ніж зазвичай (тиск в ній підвищується, а слідом за цим підвищується і температура киплячої води). Зате в горах, де атмосферний тиск нижче, щоб зварити їжу, потрібно більше часу (на висоті 3000 м вода кипить при 90 "С, і зварити в цьому окропі, наприклад, куряче яйце круто взагалі неможливо, так як білок при температурі нижче 100 ° С не згортається).
Функція побутового холодильника зводиться до охолодження продуктів, і його серцем є теплоізольована камера, звідки тепло «відкачується» (відбирається киплячим в теплообміннику-випарнику хладагентом) і через теплообмінник-конденсатор «викидається» в приміщення (задня стінка холодильника досить тепла на дотик).
В тепловому насосі головним стає теплообмінник, з якого тепло «знімається» і використовується для обігріву будинку, а другорядна «морозилка» розміщується межами будівлі.
Принцип роботи
Схематично тепловий насос можна представити у вигляді системи з трьох замкнутих контурів: в першому, зовнішньому, циркулює тепловіддавач (теплоносій, що збирає тепло навколишнього середовища), у другому - холодоагент (речовина, яка випаровується, відбираючи теплоту теплоотдатчика, і конденсується, віддаючи тепло теплоприймачу) , в третьому - теплоприемник (вода в системах опалення та гарячого водопостачання будівлі).
Зовнішній контур (колектор) являє собою покладений в землю або у воду поліетиленовий трубопровід, в якому циркулює незамерзаюча рідина - антифриз. Джерелом низько потенційного тепла може служити грунт, скельна порода, озеро, річка, море і навіть вихід теплого повітря з системи вентиляції будь-якого промислового підприємства.
У другій контур, де циркулює холодоагент, як і в побутовому холодильнику, вбудовані апарати теплообмінники - випарник і конденсатор, а також пристрої, які змінюють тиск хладагента - розпилюючи його в рідкій фазі дросель (вузьке калібрований отвір) і стискає його вже в газоподібному стані компресор .
Робочий цикл виглядає так. Рідкий холодоагент продавлюється через дросель, його тиск падає, і він надходить у випарник, де закипає, відбираючи тепло, що поставляється колектором з навколишнього середовища. Далі газ, в який перетворився холодоагент, всмоктується в компресор, стискається і, нагрітий, виштовхується в конденсатор. Конденсатор є тепловіддаючим вузлом теплонасоса: тут тепло приймається водою в системі опалювального контуру. При цьому газ охолоджується і згущується в рідину, щоб знову піддатися розрядці в розширювальному вентилі і повернутися у випарник. Після цього робочий цикл починається спочатку.
Щоб компресор працював (підтримував високий тиск і циркуляцію), його треба підключити до електрики. Але на кожен витрачений кіловат-годину електроенергії тепловий насос виробляє 2,5-5 кіловат-годин теплової енергії. Співвідношення вироблюваної теплової енергії і споживаної електричної називається коефіцієнтом трансформації (або коефіцієнтом перетворення тепла) і служить показником ефективності теплового насоса. Ця величина залежить від різниці рівня температур в випарнику і конденсаторі: чим більше різниця, тим менше ця величина.
Джерела енергії
По виду теплоносія у вхідному і вихідному контурах насоси ділять на шість типів: «грунт-вода», «вода-вода», «повітря-вода», «грунт-повітря», «вода-повітря», «повітря-повітря».
При використанні в якості джерела тепла енергії грунту трубопровід, в якому циркулює антифриз, заривають у землю на глибину 1 м. Мінімальна відстань між трубами колектора-0,8-1м.
Спеціальної підготовки грунту не потрібно. Але бажано використовувати ділянку з вологим грунтом, якщо ж він сухий, контур треба зробити довше. Орієнтовне значення теплової потужності, що припадає на 1 м трубопроводу, 20-30 Вт. Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідний земляний контур довжиною 350-450 м, для укладання якого буде потрібно ділянку землі площею близько 400 м2 (20х20 м). При правильному розрахунку контур не впливає на зелені насадження.
Якщо вільного ділянки для прокладки колектора немає або в якості джерела тепла використовується скеляста порода, трубопровід опускається в свердловину. Не обов'язково використовувати одну глибоку свердловину, можна пробурити кілька неглибоких, більш дешевих, щоб отримати загальну розрахункову глибину. Іноді в якості свердловин використовують фундаментні палі.
Орієнтовно на 1 пог. м свердловини доводиться 50-60 Вт теплової енергії. Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідна свердловина глибиною 170 м.
Серед теплових насосів, що використовують тепло поверхневого шару землі, виділяється система EarthLinked® з підземним мідним теплообмінником DIRECT AXXESS®.
Холодоагент подається безпосередньо до джерела земного типу, що забезпечує високу ефективність геотермальної опалювальної системи. Випарник встановлюють в грунт горизонтально нижче глибини промерзання або в свердловини діаметром 40-60мм пробурені вертикально або під нахилом до глибини 15-30 м. Завдяки такому інженерному рішенню пристрій теплообмінного контуру проводитися на площі всього кілька квадратних метрів, не вимагає установки проміжного теплообмінника і додаткових витрат на роботу циркуляційного насоса.
При використанні в якості джерела тепла довколишнього водойми контур укладається на дно. Цей варіант прийнято вважати ідеальним: не надто довгий зовнішній контур, «висока» температура навколишнього середовища (температура води у водоймі взимку завжди позитивна), високий коефіцієнт перетворення енергії тепловим насосом.
Орієнтовне значення теплової потужності на 1 м трубопроводу - 30 Вт. Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідно укласти в озеро контур довжиною 300 м. Щоб трубопровід не спливав, на 1 пог. м встановлюється близько 5 кг вантажу.
Для отримання тепла з теплого повітря (наприклад, з витяжки системи вентиляції) використовується спеціальна модель теплового насоса з повітряним теплообмінником. Тепло з повітря для системи опалення та гарячого водопостачання також можна збирати на виробничих підприємствах.
Якщо тепла із зовнішнього контуру все ж недостатньо для опалення в сильні морози, практикується експлуатація насоса в парі з додатковим генератором тепла (в таких випадках говорять про використання бі валентної схеми опалення). Коли вулична температура опускається нижче розрахункового рівня (температури бівалентності), в роботу включається другий генератор тепла - найчастіше невеликий електронагрівач.
переваги
До переваг теплових насосів в першу чергу слід віднести економічність: для передачі в систему опалення 1 кВт теплової енергії установці необхідно затратити всього 0,2-0,35 кВт електроенергії. Крім того, теплонасос не спалює палива і не виробляє шкідливих викидів в атмосферу. Він не вимагає спеціальної вентиляції приміщень і абсолютно безпечний. Всі системи функціонують з використанням замкнутих контурів і не вимагають експлуатаційних витрат, крім вартості електроенергії, необхідної для роботи обладнання.
Ще однією перевагою теплових насосів є можливість перемикання з режиму опалення взимку на режим кондиціонування влітку: просто замість радіаторів до зовнішнього колектору підключаються фанкойли.
Тепловий насос надійний, його роботою керує автоматика. В процесі експлуатації система не потребує спеціального обслуговування, можливі маніпуляції не вимагають особливих навичок і описані в інструкції.
Важливою особливістю системи є її суто індивідуальний характер для кожного споживача, який полягає в оптимальному виборі стабільного джерела низькопотенційної енергії, розрахунку коефіцієнта перетворення, окупності та іншого.
Теплонасос компактний (його модуль за розмірами не перевищує звичайний холодильник) і практично безшумний.
Хоча ідея, висловлена лордом Кельвіном в 1852 році, була реалізована вже через чотири роки, практичне застосування теплонасоси отримали тільки в 30-х роках минулого століття. У західних країнах теплові насоси застосовуються давно - і в побуті, і в промисловості. Сьогодні в Японії, наприклад, експлуатується близько 3 мільйонів установок.
Широкому поширенню теплонасосів заважає недостатня інформованість населення. Потенційних покупців лякають досить високі початкові витрати: вартість насоса і монтажу системи складає $ 300-1200 на 1 кВт необхідної потужності опалення. Але грамотний розрахунок переконливо доводить економічну доцільність застосування цих установок: капіталовкладення окупаються, за орієнтовними підрахунками, за 4-9 років, а служать теплонасоси по 15-20 років до капремонту.