Тепловые насосы

СГ-Транспорт / Новое в строительстве / Тепловые насосы

По прогнозам, доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов в развитых странах мира к 2020 году составит 75%. Замечательным свойством тепловых насосов (ТН) является их способность извлекать теплоту из окружающей среды: грунта, воды водоемов и даже окружающего воздуха.

Температура этих сред может быть даже отрицательной (до минус 15°С), а температура воды, нагреваемой ТН, достигать 60 - 80°С! Мы привыкли к тому, что количество тепловой энергии, получаемой на выходе теплового генератора всегда меньше энергии, отбираемой у энергоносителя - газа, топлива, электричества. КПД котла всегда меньше 100%. С помощью же ТН, для получения 1 кВт тепловой энергии можно затратить всего 0,25 - 0,4 кВт электроэнергии. Остальную энергию поставляет окружающая среда. Это кажется невероятным.

Однако, с принципом работы ТН каждый из нас давно знаком. Это — обычный бытовой холодильник. Только холодильник извлекает тепло из продуктов, находящихся в камере и передает его в помещение через радиатор, расположенный на задней стенке, а ТН извлекает тепло из окружающего пространства и передает его в теплообменник. ТН — это холодильник наоборот. В ТН и в холодильнике используются два хорошо известных свойства жидкости.

1. При переходе жидкости из одного фазового состояния в другое, из жидкости в пар (кипение), или, наоборот, из пара в жидкость (конденсация) происходит, соответственно, поглощение или выделение теплоты. В термодинамике она называется теплотой фазового перехода.
2. При уменьшении давления жидкость начинает кипеть (испаряться) при более низкой температуре. В ТН и холодильниках используются специальные вещества - хладагенты, их называют фреонами или хладонами, которые кипят при температурах -20...-30°С. Хладагент является рабочим телом холодильной машины, циклические изменения агрегатного состояния которого позволяют производить перенос теплоты от среды с низкой температурой к среде с более высокой температурой. Среда с низкой температурой называется источником низкопотенциального тепла. Это могут быть грунт, водоем или воздух.

Принцип работы теплового насоса

Тепловой насос, как и холодильник состоит из четырех основных функциональных элементов: испарителя, компрессора, конденсатора и дросселя, по которым циркулирует рабочее тело — фреон.

К испарителю тем или иным способом подводится теплота от низкопотенциального источника тепла — грунта, воды, воздуха. В теплообменнике испарителя эта теплота передается рабочему телу — фреону, который находится под низким давлением и при данной температуре закипает. Образовавшийся пар втягивается в компрессор и в нем сжимается.

Температура пара при сжатии повышается до 90 — 100°С. Горячий фреон под давлением поступает в конденсатор — теплообменник, по внешнему контуру которого циркулирует вода, являющаяся теплоносителем для системы отопления. В конденсаторе пары фреона конденсируются на его холодных поверхностях, передают свою теплоту теплоносителю внешнего контура, а сами, охлаждаясь, переходят в жидкую фазу.

Далее жидкий фреон проходит через дросселирующий вентиль — специальное устройство, после которого его давление резко уменьшается, а температура становится ниже температуры источника низкопотенциального тепла. В завершение цикла фреон снова попадает в испаритель, закипает, испаряется и т.д. и цикл автоматически повторяется. Так работают па-рокомпрессионные тепловые насосы, которые обычно используются в бытовых установках. Существуют также абсорбционные, эжектор-ные и термоэлектрические тепловые насосы.

Тепловой насос отбирает тепловую энергию у среды, температура которой может быть отрицательной и «закачивает» ее в теплоноситель потребителя, температуру которого может довести до 60 - 80°С. Характерно, что в ТН расходуется энергия, необходимая только для работы компрессора. Количество тепловой энергии, переданной от источника низкопотенциального тепла потребителю может быть в несколько раз больше, чем затраты электроэнергии на привод компрессора.

Главной характеристикой ТН является коэффициент преобразования тепла (ср). Он показывает отношение величины тепловой мощности, выдаваемой потребителю к мощности, затраченной на работу компрессора. На 1 кВт затраченной электрической энергии с помощью ТН можно получить от 2,5 до 4 и более кВт тепловой энергии.

Способы отбора низкопотенциального тепла

Важным компонентом ТН является устройство, которое отбирает теплоту из среды. Так, как источником низкопотенциального тепла могут быть разные среды — грунт, вода, воздух, то и способы отбора теплоты бывают разные.

1. Грунтовые зонды. Тепло отбирается из одной или нескольких скважин глубиной 50 - 150 м. Температура грунта на такой лубине всегда одинакова — около 10°С. Поэтому грунтовые зонды наиболее эффективны. Тепловая мощность глубоких зондов составляет от 30 до 100 Вт на погонный метр скважины. Глубина и количество скважин зависят от вида грунта и тепловой мощности, необходимой потребителю.
2. Грунтовые коллекторы. Тепло отбирается из неглубокого слоя земли (1-2 м.) с помощью горизонтально уложенных полиэтиленовых труб с незамерзающим теплоносителем. Способ укладки трубы может быть петлей, змейкой, спиралью и т.п. и определяется свойством грунта и геометрией участка. Тепловая мощность грунтового коллектора составляет 10 - 35 Вт на погонный метр трубы, стоимость, очевидно, ниже стоимости грунтовых зондов. Не обязательно укладывать контур ниже уровня промерзания грунта.
3. Водяные коллекторы. Трубы укладываются на дно непромерзающего водоема. Система более эффективна, чем грунтовый коллектор и не требует производства земляных работ, однако, условия для ее реализации достаточно редки.
4. Воздушные контуры. Все большее распространение получают воздушные тепловые насосы, которые используют тепло наружного воздуха. Они эффективно работают до температуры воздуха -10°С и даже ниже. Коэффициент преобразования тепла у воздушных ТН 3-3,8, а максимальная температура воды в системе отопления достигает 55°С. При температуре воздуха ниже -10°С эффективность воздушных ТН снижается и для поддержания необходимой температуры в системе отопления нужно подключать второй котел — дизельный или электрический. Для этой цели в конструкции некоторых моделей воздушных ТН предусмотрены встроенные ТЭНы.

В последние годы воздушные ТН получили дополнительное развитие. Они стали использовать теплый воздух вытяжных вентиляционных систем жилого дома. Это дополнительное тепло направляется на увеличение эффективности ТН или, в летнее время, на подогрев грунта вокруг грунтовых коллекторов.

Основные достоинства тепловых насосов

Общепризнанными и бесспорными достоинствами ТН являются:

• Высокая экономическая эффективность — 1 кВт затраченной электроэнергии производит от 2,5 до 4 и более кВт тепловой энергии.
• Возможность использования в любых климатических условиях и в любой местности. Даже при отсутствии стационарного электроснабжения, дизельный или бензиновый генератор мощностью 2-5 кВт способен с помощью ТН обеспечить отопление и ГВС жилого дома площадью 200-300 м2.
• Экологическая безопасность. Отсутствует эмиссия вредных продуктов сгорания топлива, не используются запрещенные хладагенты.
• Универсальность (реверсивность) тепловых насосов. В холодное время года ТН обогревают помещение, в теплое — удаляют излишки тепла или даже охлаждают его (кондиционирование). 
• Безопасность эксплуатации. Отсутствие топлива — газа, солярки — исключает возможность пожаров, взрывов, утечку опасных для здоровья веществ.
• Долговечность. Относительная простота устройства ТН позволяет им работать 20-25 лет без капитального ремонта. 

Распечатать

Оформить заявку