Тепловой насос

Історія ідеї

Ідея теплового насоса висловлена півтора століття тому британським фізиком Вільямом Томсоном. Цей придуманий ним пристрій він назвав помножувачем тепла.

тепловий насос – це «холодильник навпаки». Парадоксальний, на перший погляд, зв'язок між «виробництвом тепла» та холодильною машиною полягає в тому, що принцип роботи теплових насосів та звичайних холодильників однаковий і заснований на двох добре знайомих всім фізичних явищах.

Перше: коли речовина випаровується, вона поглинає тепло, а коли конденсується, віддає її. Цією закономірністю пояснюється ефект охолодження рідини в пляшці, обгорненою мокрою ганчіркою (випаровується вода відбирає I частина тепла), а також більш висока вражаюча здатність опіку парою (температура киплячої рідини і насиченої пари однакова, але енергія пари більша, тому такий опік небезпечніший).

Друге: коли тиск змінюється, змінюється температура випаровування та конденсації речовини — чим вищий тиск, тим вища температура, і навпаки. З цієї причини в каструлі-"скороварці" їжа готується швидше, ніж зазвичай (тиск у ній підвищується, а потім підвищується і температура кипіння води). Натомість у горах, де атмосферний тиск нижчий, щоб зварити їжу, потрібно більше часу.

тепловий насос — це певною мірою «холодильник навпаки». В обох пристроях основними елементами є випарник, компресор, конденсатор і дросель (регулятор потоку), з'єднані трубопроводом, в якому циркулює холодоагент - речовина, здатна кипіти при низькій температурі і змінює свій агрегатний стан з газового в одній частині циклу, на рідке - в іншій . Просто в холодильнику головна партія відводиться випарнику та відбору тепла, а в тепловому насосі – конденсатору та передачі тепла.

Функція побутового холодильника зводиться до охолодження продуктів, і його серцем є теплоізольована камера, звідки тепло «відкачується» (відбирається холодоагентом, що кипить у теплообміннику-випарнику) і через теплообмінник-конденсатор «викидається» в приміщення (задня стінка холодильника досить тепла).

У тепловому насосі головним стає теплообмінник, з якого тепло знімається і використовується для обігріву будинку, а другорядна морозилка розміщується за межами будівлі.

Принцип роботи

Схематично тепловий насос можна представити у вигляді системи з трьох замкнутих контурів: у першому, зовнішньому, циркулює тепловіддатник (теплоносій, що збирає теплоту навколишнього середовища), у другому — холодоагент (речовина, яка випаровується, відбирає теплоту віддавача, і конденсується, віддаючи теплоту теплоприймачу) , у третьому - теплоприймач (вода в системах опалення та гарячого водопостачання будівлі).


Зовнішній контур (колектор) є укладеним у землю або у воду (напр. поліетиленовий) трубопровід, в якому циркулює незамерзаюча рідина - антифриз. Джерелом низькопотенційного тепла може бути ґрунт, скельна порода, озеро, річка, море і навіть вихід теплого повітря із системи вентиляції будь-якого промислового підприємства.

У другому контурі, де циркулює холодоагент, як і в побутовому холодильнику, вбудовані теплообмінники - випарник і конденсатор, а також пристрої, які змінюють тиск холодоагенту - дросель, що розпилює його в рідкій фазі (вузький калібрований отвір) і стискає його вже в газоподібному стані компресор.

Робочий цикл має такий вигляд. Рідкий холодоагент продавлюється через дросель, його тиск падає, і він надходить у випарник, де закипає, відбираючи теплоту, що поставляється колектором із навколишнього середовища. Далі газ, на який перетворився холодоагент, всмоктується в компресор, стискається і, нагрітий, виштовхується в конденсатор. Конденсатор є тепловіддающим вузлом теплонасоса: теплота приймається водою в системі опалювального контуру. При цьому газ охолоджується і конденсується, щоб знову зазнати розрядження в розширювальному вентилі і повернутися у випарник. Після цього робочий цикл розпочинається спочатку.

Щоб компресор працював (підтримував високий тиск та циркуляцію), його треба підключити до електрики. Але на кожну витрачену кіловат-годину електроенергії тепловий насос виробляє 2,5-5 кіловат-годин теплової енергії. Співвідношення теплової енергії і споживаної електричної називається коефіцієнтом трансформації (або коефіцієнтом перетворення теплоти) і служить показником ефективності теплового насоса. Ця величина залежить від різниці рівня температур у випарнику та конденсаторі: чим більша різниця, тим менша ця величина.


З цієї причини тепловий насос повинен використовувати якомога більше джерела низькопотенційного тепла, не прагнучи домогтися його сильного охолодження. Справді, у своїй зростає ефективність теплового насоса, оскільки за слабкому охолодженні джерела тепла немає значного зростання різниці температур. З цієї причини теплові насоси роблять так, щоб маса низькотемпературного джерела тепла була значно більшою, ніж маса, що нагрівається. У цьому полягає одна з найважливіших відмінностей теплового насоса від традиційних (паливних) джерел тепла, в яких енергія, що виробляється, залежить виключно від теплотворної здатності палива. Тому тепловий насос в якомусь сенсі "прив'язаний" до джерела низькопотенційного тепла, що має велику масу. Ця проблема може бути вирішена введенням у тепловий насос системи масопереносу, наприклад системи прокачування води. Так влаштовано систему центрального опалення Стокгольма.

Джерела енергії

На вигляд 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 джерела тепла енергії грунту трубопровід, в якому циркулює антифриз, заривають у землю на глибину 1 м Мінімальна відстань між трубами колектора-0,8-1 м.

Спеціальної підготовки ґрунту не потрібно. Але бажано використовувати ділянку з вологим ґрунтом, якщо ж вона суха, контур треба зробити довшим. Орієнтовне значення теплової потужності, що припадає на 1 м-код трубопроводу, 20-30 Вт. Таким чином, для встановлення теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідний земляний контур довжиною 350-450 м, для укладання якого буде потрібна ділянка землі площею близько 400 м2 (20х20 м). При правильному розрахунку контур не впливає зелені насадження.

Якщо вільної ділянки для прокладання колектора немає або як джерело тепла використовується скеляста порода, трубопровід опускається в свердловину. Не обов'язково використовувати одну глибоку свердловину, можна пробурити кілька неглибоких, дешевших, щоб отримати загальну розрахункову глибину. Іноді як свердловин використовують фундаментні палі.

Орієнтовно на 1 пог. м свердловини припадає на 50-60 Вт теплової енергії. Таким чином, для встановлення теплового насоса продуктивністю 10 кВт потрібна свердловина глибиною 170 м.

Істотно знизити необхідну глибину свердловини та збільшити відбір теплової енергії до 700 Вт на 1 пог. м свердловини дозволяє застосування активного контуру «Fill well» первинного перетворювача теплового насоса (необхідною умовою є наявність обводненого горизонту, що розкривається свердловиною). . Холодоагент подається безпосередньо до джерела земного типу, що забезпечує високу ефективність геотермальної опалювальної системи. Випарник встановлюють у ґрунт горизонтально нижче глибини промерзання або в свердловини діаметром 40-60 мм пробурені вертикально або під ухилом до глибини 15-30 м. Завдяки такому інженерному рішенню пристрій теплообмінного контуру виробляється на площі всього кілька квадратних метрів, не вимагає установки проміжного теплообмінника та додаткових витрат за роботу циркуляційного насоса.

При використанні джерела тепла прилеглої водойми контур укладається на дно. Цей варіант прийнято вважати ідеальним: не дуже 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 встановлення теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідно укласти в озеро контур довжиною 300 м. Щоб трубопровід не випливав, на 1 пог. м встановлюється близько 5 кг вантажу.

Для отримання тепла із теплого повітря (наприклад, із 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 таки недостатньо для опалення в сильні морози, практикується експлуатація насоса в парі з додатковим генератором тепла (у таких випадках говорять про використання валентної схеми опалення). Коли вулична температура опускається нижче за розрахунковий рівень (температури бівалентності), в роботу включається другий генератор тепла — найчастіше невеликий електронагрівник.

Переваги і недоліки

До переваг теплових насосів у першу чергу слід віднести економічність: для передачі в систему опалення 1 кВт·год теплової енергії установці необхідно витратити лише 0,2-0,35 кВт·год електроенергії. Крім того, теплонасос не спалює палива та не виробляє шкідливих викидів в атмосферу. Він не потребує спеціальної вентиляції приміщень та абсолютно безпечний. Усі системи функціонують із використанням замкнутих контурів і вимагають експлуатаційних витрат, крім вартості електроенергії, яка потрібна на роботи устаткування.

Ще однією перевагою теплових насосів є можливість перемикання з режиму опалення взимку на режим кондиціювання влітку: просто замість радіаторів до зовнішнього колектора підключаються фен-койли.

тепловий насос надійний, його роботою керує автоматика. У процесі експлуатації система не потребує спеціального обслуговування, можливі маніпуляції не вимагають особливих навичок та описані в інструкції.

Важливою особливістю системи є 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 у 1852 році, була реалізована вже через чотири роки, практичне застосування теплонасоси отримали лише у 30-х роках минулого століття. У західних країнах теплові насоси використовуються давно — і в побуті, і в промисловості. Сьогодні в Японії, наприклад, експлуатується близько 3 мільйонів установок, у Швеції близько 500 000 будинків обігрівається тепловими насосами різних типів.

тепловий насос здатний, використовуючи високопотенційні джерела енергії, «накачати» у приміщення від 200 до 600 % низькопотенційної теплової енергії. У цьому немає порушення закону збереження енергії.

Теоретично застосування теплових насосів для обігріву приміщень набагато ефективніше за газові котли. Сучасні парогазотурбінні установки на електростанціях мають ККД, що істотно перевищує ККД газових котлів. В результаті під час переходу електроенергетики на сучасне обладнання та при застосуванні теплових насосів можна отримати економію газу до 10 разів у порівнянні з газовими котлами.

Перспективи

Широкому поширенню теплонасосів заважає недостатня поінформованість населення. Потенційних покупців лякають досить високі початкові витрати: вартість насоса та монтажу системи становить $300–1200 на 1 кВт необхідної опалювальної потужності. Але грамотний розрахунок переконливо доводить економічну доцільність застосування цих установок: капіталовкладення окупаються, за орієнтовними підрахунками, за 4-9 років, а теплонасоси служать по 15-20 років до капремонту.

Ще більш перспективною є система, що комбінує в єдину систему теплопостачання геотермальне джерело і тепловий насос. При цьому геотермальне джерело може бути як природного (вихід геотермальних вод), так і штучного походження (свердловина із закачуванням холодної води у глибокий шар та виходом на поверхню нагрітої води).

Іншим можливим застосуванням теплового насоса може стати його комбінування з системами централізованого теплопостачання. До споживача в цьому випадку може подаватися відносно холодна вода, тепло якої перетворюється тепловим насосом на тепло з потенціалом, достатнім для опалення. Але при цьому внаслідок меншої температури теплоносія втрати на шляху до споживача (пропорційні різниці температури теплоносія та навколишнього середовища) можуть бути значно зменшені. Також буде зменшено знос труб центрального опалення, оскільки холодна вода має меншу корозійну активність, ніж гаряча.

Обмеження застосування теплових насосів

При дуже великій різниці між температурою на вулиці та в будинку, тепловий насос втрачає ефективність (межа застосування в системах опалення будинків за рахунок відкачування тепла від зовнішнього повітря - близько -15-20 ° С). Для вирішення цієї проблеми застосовуються системи відкачування тепла з ґрунту або ґрунтових вод. Для цього в ґрунті нижче точки промерзання укладаються труби, в яких циркулює теплоносій, або (у разі рясних ґрунтових вод) через теплонасосне обладнання прокачуються ґрунтові води.

Ще величезне "АЛЕ" укладено у конкретних тарифах на електрику та газ. Для виробництва 1 кВт-години електроенергії необхідно витратити 1/3 кг умовного палива. В результаті вартість калорії електричної та газової різниться у 3-10 разів. А оскільки газове опалювальне обладнання набагато дешевше за теплонасос, то може виявитися, що шкурка вичинки не варта.

Поруч фірм досліджувалися теплонасоси типу "стирлінг-стірлінг", де двигун Стірлінга, що обігрівається газом, приводив у рух тепловий насос Стірлінга. Очікувалося, що такий теплонасос на кожну газову калорію зможе додати ще 1-2 калорії, які були взяті з навколишнього середовища. На жаль, експерименти не дали очікуваних результатів та були припинені. Конкретних даних про роботи не було опубліковано. Але можна припустити, що виною виявилася мала різниця температур. Щоб забезпечити потрібну потужність теплопередачі, тепловий насос типу стирлінг повинен мати велику площу теплообміну. Машини з паровим циклом (суміш "рідина-пар") виявляються в цьому випадку дешевшими і компактнішими.

Основні схеми опалення із застосуванням теплових насосів

Індивідуальне опалення (опалення квартир)

Найбільш простий варіант - використання моноблочних модулів «повітря-вода» джерело. Наприклад, опалення та гаряче водопостачання двокімнатної квартири площею 60 кв.м. може забезпечити модуль номінальною потужністю 5.5 кВт. Для південних регіонів України такий модуль забезпечить середньосезонний опалювальний коефіцієнт 2.75.

Крім того, споживач додатково отримує безкоштовну систему кондиціювання, яка забезпечить його та безкоштовною гарячою водою у літній час. Ще ефективнішим стане застосування системи індивідуального опалення за допомогою ТН у разі введення тарифів централізованого теплопостачання, що диференційовані за температурою теплоносія. Використання ТН для догріву теплоносіїв до потрібної температури дозволить знизити вартість одиниці споживаної теплової енергії у 6...8 разів у порівнянні з централізованими системами теплопостачання.