Человечество, озабоченное проблемами экологии и уменьшающимися запасами углеводородов (нефти и газа), ищет альтернативные источники получения энергии. Для этого используются самые различные технологии. Это использование силы ветра, солнечной энергии, энергии приливов и отливов и другие. Одной из таких новых технологий является технология получения энергии, в частности тепловой, от низкотемпературных источников – земли, воздуха, воды, камня. И основным элементом этой технологии является тепловой насос.
Принцип работы теплового насоса
Схема работы теплового насоса представлена на рисунке.
Работа теплового насоса это нечто иное как «игра» с давлением и температурой. Это физическое явление основывается на броуновском движении. При повышении давления, частицы в веществе начинают занимать меньший объем, чаще биться друг о друга, при этом температура поднимается. При увеличении объема (уменьшении давления) частицы реже начинают биться друг о друга, при этом температура падает.
И так… Нас больше всего интересует хладоген, который и является в тепловом насосе «главным» веществом. Хладоген в тепловом насосе как правило имеет низкую температуру кипения и соответственно испарения, при этом во время своего цикла в контуре он переходит от из жидкого в газообразное состояние. Почему применяется хладоген именно с низкой температурой испарения ? Объясняется это просто, т.к. сжимать газ компрессором намного проще и действенней, нежели это была бы жидкость. (практически несжимаемая среда).
Хладоген в тепловом насосе, под действием температуры внешнего контура нагревается и трансформируется из жидкого состояния в газ. При этом температура, при которой он испаряется может составлять и – 5 градусов. Далее газообразный хладагент начинает сжиматься компрессором, при этом происходит значительное выделение тепла. Тепло из системы выводится с помощью внешнего контура, через конденсатор. При этом, при повышении давления хладоген переходит в свое исходное - жидкое состояние. Температура хладогена, тем не менее даже после этого довольно высокая, вполне возможно что выше, чем температура источника тепла от которого мы будем греть наш хладоген (земля, воздух и т.д.) Теперь пропускаем хладоген через редукционный клапан, который фактически поддерживает высокое давление перед собой, и снижает после себя. При уменьшении давления, как мы уже говорили происходит значительное охлаждение хладогена. Теперь его температура может понизится и до – 25 градусов. Вот эта та самая нужная нам температура и давление. Теперь хладоген может испаряться, но не позволяет этого сделать температура и может нагреться, так как -25 все же значительно ниже даже – 5 в земле. То есть у нас появились потенциальные 20 градусов на нагрев, пусть даже при минусовых температурах. Далее хладоген прогревается, испаряется и поступает к компрессору и так цикл от цикла.
Источники получения тепла в тепловом насосе
Земля.
При использовании земли, в качестве источника тепла, внешний контур, состоящий из труб ПНД диаметром 40 мм, укладывается в почву на глубину промерзания грунта. Желательно использовать влажные участки. В этом случае эффективность работы теплового насоса будет выше, чем на сухих почвах. Трубы укладываются на расстоянии 1м друг от друга. Ориентировочная тепловая мощность, приходящаяся на 1м трубопровода, составляет 20-30 Вт. В этом случае, для работы теплового насоса мощностью в 10 кВт необходим контур в 400-500 м. Он займет площадь в 400-600 кв.м. Конечно, возведение каких-либо строений на этом участке невозможно, но для выращивания садовых и огородных растений, он вполне пригоден.
Вода.
Одним из лучших вариантов для получения тепла в контуре теплового насоса является водоем. Если он находится рядом с вашим домов, то вам повезло. Температура воды в водоеме всегда достаточно высокая, относительно, к примеру, грунта. Не тратится площадь участка, относительно небольшой контур. Для 10кВт насоса достаточно контура в 350 м. Контур укладывается на дно, и закрепляется, чтобы не всплывал.
Скважина.
При использовании скальной породы, бурится или одна большая скважина, или несколько неглубоких. Второй вариант более дешевый. Для 10 кВт теплового насоса необходимо общая глубина в 170-200 м. С одного метра контура снимается 50-60 Вт энергии. Такой же вариант может применяться и в случае если на вашем участке грунт без скальных пород. Температура грунта на глубине более высокая, чем на поверхности, и такой вариант более эффективный, чем горизонтальный контур. К тому же занимает меньшую площадь.
Воздух.
Существуют системы извлекающие тепло из воздуха, а также использующие тепло из систем вентиляции и кондиционирования. Но у них есть ограничения на применение. При температуре воздуха ниже -20 градусов, преобразование тепла из воздуха прекращается, и система работает только с использованием резервных ТЭНов. Тем самым, КПД теплового насоса существенно снижается и ограничивается при наступлении определенного сезона
Основные достоинства тепловых насосов
Экономичность теплового насоса
Тепловой насос очень эффективное устройство. Он использует получаемую электроэнергию (для работы компрессора) намного эффективнее других устройств и котлов, сжигающих топливо. Получив на входе 1кВт энергии, теплонасос отдает 3-4 кВт тепловой энергии. Можно подумать, что КПД теплонасоса намного больше единицы. На самом деле, это, конечно, не так, поскольку противоречит закону сохранения энергии. Для тепловых насосов используется другая величина – коэффициент преобразования теплового насоса. Это отношение полученной на выходе насоса тепловой энергии к энергии, которая была затрачена на ее получение, то есть расход мощности электрической энергии меньше, чем полученная мощность извлеченного тепла. Вот эта величина может быть больше единицы, и чем больше, тем лучше. Как уже упоминалось, к примеру, затратив 1 кВт электроэнергии на компрессор, получаем 4 кВт тепловой энергии, т.е. коэффициент преобразования равен 4, а 3 кВт тепловой энергии достаются нам от матушки-земли бесплатно. Т.о. 60-70% тепла и горячей воды бесплатные и экономят нам деньги.
Теперь взглянем на таблицу.
Конечно, пока газ у нас самое дешевое топливо, и потому эффективность газовых котлов более высокая. Но, это только пока. С каждым годом стоимость газа растет, и процесс этот будет непрерывным. Конечно, и стоимость электричества не стоит на месте, но перспективы тепловых насосов однозначно более радужные.
Повсеместность применения теплового насоса
Низкопотенциальное тепло можно найти везде, в любом уголке планеты. Ну, возможно, только в Антарктиде до грунта будет трудно добраться. Где бы вы ни построили свой дом, используя тепловой насос, вы всегда обеспечите себя теплом и горячей водой.
Высокая экологичность теплового насоса
При работе теплового насоса не выделяется никаких вредных веществ, а современные фреоны не содержат хлоруглеродов и не разрушают озоновый слой. Кроме того, повсеместное использование тепловых насосов снизит нагрузку на ТЭЦ, поскольку понадобится вырабатывать меньше тепла и горячей воды, и, как следствие, снизятся затраты на топливо и электроэнергию, что тоже будет способствовать улучшению экологической обстановки.
Универсальность теплового насоса
Тепловые насосы обладают «реверсивностью», т.е. с обогрева в холодный период времени, их можно переключить на кондиционирование в теплое время года. Правда, этим свойством обладают не все модели.
Автоматизация систем управления теплового насоса
После монтажа и запуска теплого насоса его работой управляет электроника. Вмешательства в его работу не требуется.
Безопасность теплового насоса
Теплонасосы абсолютно безопасны. В них нет топлива, открытого огня, взрывоопасных газов или их смесей, нельзя отравиться или угореть, нет элементов, могущих вызвать пожар.
Недостатки тепловых насосов
Единственным и существенным недостатком теплового насоса является высокая первоначальная стоимость оборудования и монтажа. Срок службы насоса до капитального ремонта, составляет 15-20 лет.