Как работает тепловой насос – плюсы и минусы

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов, запасы которых стремительно иссякают, приобретает важнейшее значение не только для развития человеческой цивилизации, но и фактически для её сохранения вместе со средой обитания.

Рост цен на энергоносители и высокие расходы на их доставку приводят н стремительному повышению стоимости электрической и тепловой энергии, что также заставляет потребителей задуматься об экономии.

Из школьного курса физики известно, что передача тепла идёт от нагретых тел н более ХОЛОДНЫМ, НО никак не наоборот. Наш жизненный опыт не знает обратного процесса, да и наука обоснованно это подтверждает. Однако технические ухищрения сделали возможным перенос тепла в обратном направлении — от менее нагретого тела к более горячему. Для современного человека нет ничего удивительного в работе холодильника, когда тепло из морозильной камеры, температура в которой может быть и отрицательной, сбрасывается в окружающую среду. Если это тепло использовать, например, для обогрева помещения, а холодильную камеру заменить надёжным, постоянно действующим природным источником тепла, это и будет тепловой насос.

ТЕПЛОВОЙ НАСОС — термодинамический агрегат, с помощью которого тепло от источнина с низкой температурой (от низнопотенциального источника) передаётся потребителю с более высокой температурой. При этом для поддержания процесса теплопередачи затрачивается некоторая механическая энергия.

Источниками ниэкопотенциальной энергии могут быть наружный воздух, земное (грунтовое) тепло, тепло водоёмов и подземных вод. С помощью

тепловых насосов легко осуществляется рекуперация тепла из удаляемого вентиляционного воздуха, канализационных стоков, промышленных сбросов и от технологических процессов, выделяющих тепло, что существенно сберегает тепловую энергию. Следовательно, тепловые насосы можно использовать не только для отопления и горячего водоснабжения, но и в интегрированной системе — для регенерации тепла из бытовых стоков и вентиляции.

---

Читайте также: Установка теплового насоса для отопления дома

---

Схема компоновки системы геотермального отопления

Познакомимся с устройством теплового насоса (ТН), извлекающего тепло из среды с невысокой положительной температурой и отдающего его в систему отопления жилища и на подогрев воды (рис. 1). В агрегат входят: 1 — трубопроводный контур с насосом, заполненный жидкостью с низкой температурой замерзания и обеспечивающий забор низкопотенциальной теплоты воды (грунтовой или из водоёма), земли или воздуха; 2 — испаритель; 3 — компрессор с механическим приводом; 4 — конденсатор; 5 — дроссельный клапан; 6 — тепловой аккумулятор; 7 — отопительный контур.

Четыре основных узла конструкции ТН (2, 3, 4, 5) соединены герметичными трубопроводами, в которых циркулирует рабочая жидкость (вещество) с очень низкой температурой кипения при нормальном атмосферном давлении.

При циркуляции рабочее вещество (его аналог в холодильнике называют хладагентом), находясь в испарителе 2, при низком давлении закипает и, испаряясь, поглощает низкопотенциальное тепло, принесённое из окружающей среды внешним контуром 1.

Затем при затрате механической энергии (в нашем случае — путём сжатия в компрессоре 3) давление рабочего вещества, находящегося в газообразном состоянии, принудительно повышают, в результате чего оно разогревается до высокой температуры.

В конденсаторе (который служит теплообменником) теплота этого сжатого горячего теплоносителя нагревает воду в тепловом аккумуляторе 6, которую используют для системы отопления 7 и горячего водоразбора. Отдав тепло, рабочее вещество компрессорного контура конденсируется и переходит из газообразного в жидкое состояние.

Конденсат рабочего вещества, проходя через дроссельный клапан малого сечения, попадает в объём испарителя с меньшим давлением и вскипает при имеющейся в нём температуре. При этом температура ещё понижается, да так сильно, что в испарителе рабочее вещество опять может поглощать тепло окружающей среды, приносимое первичным контуром из земли или других источников — воды, воздуха, устройств регенерации тепла бытовых или промышленных сбросов.

Таким образом реализуется непрерывный круговой процесс переноса теплоты с низкого температурного уровня на высокий. Для этого требуются энергетические затраты, но они в несколько раз меньше получаемой энергии и, кроме того, расходуются с пользой вместе с привнесённым теплом.

Для оценки эффективности ТН служит коэффициент преобразования т. равный отношению отдаваемой насосом энергии к энергии, потребляемой компрессором для функционирования всей установки.

В современных теплонасосных системах этот коэффициент имеет значение 3 и более. Не углубляясь в тонкости термодинамических процессов, необходимо отметить, что существует зависимость коэффициента преобразования от разности температур во входном и выходном контурах ТН. Чем меньше перепад этих температур, тем выше экономия расходуемой компрессором электроэнергии. Вот почему выгоднее обогревать дом тёплыми полами с температурой +25…+35°С, чем стандартными радиаторами, нагретыми до +70…+90°С. В этом случае может достичь значения 4,5 и более.

Окружающая нас среда буквально насыщена теплом. Если температуру на поверхности Земли сравнить с температурой в космическом пространстве, то станет понятно, насколько тепло на нашей планете. Причём это тепло в обозримом будущем остаётся неисчерпаемым. Солнце нагревает земную поверхность, но и недра также отдают тепло верхним слоям грунта. Благодаря этому температура в грунте на глубине 5-5 м и более практически постоянна. В средней полосе России она составляет +4…+8. А мы жалуемся на недостаток энергоресурсов! Низкопотенциальное тепло грунта — это надёжный, постоянно пополняемый кладезь энергии.

Исследования показали, что при максимальном отборе тепла скважиной ТН температура вокруг неё понижается на величину, которой практически можно пренебречь, так как она быстро восстанавливается при уменьшении отбора и годами остаётся на одном уровне.

Перспективно и использование тепла подземных вод и водоёмов.

Подробнее остановимся на грунтовых ТН. Их можно разделить на несколько различающихся систем. Прежде всего это насосы с открытым циклом, когда вода, имеющая положительную температуру, забирается непосредственно из водоносного горизонта и после охлаждения при отборе тепла возвращается обратно (рис. 2а). Более распространены системы с закрытым циклом, при котором теплоноситель прокачивается через замкнутый трубопроводный контур, который размещён в грунте или уложен по дну открытого водоёма. Контур съёма тепла можно положить горизонтально в глубокой траншее (рис. 26) или установить вертикально в скважине (рис. 2в).

---

Ссылка по теме: Тепловой насос: схема устройства, окупаемость цена и принцип работы в вопросах и ответах

---

При выборе между вертикальным зондом или горизонтальным коллектором следует учитывать, что в первом случае каждый погонный метр скважины отдаёт 50 Вт тепловой энергии, а коллектор — всего лишь 20 Вт. Кроме того, коллектор за отопительный сезон сильно выхолаживает грунт, что приводит к падению эффективности теплонасосной установки. Однако бурение скважины обходится значительно дороже.

Использовать системы ТН, несмотря на пока ещё высокую стоимость их сооружения (300-Ш $ за 1 кВт тепловой мощности), выгодно ввиду отсутствия необходимости в закупке, транспортировке и хранении топлива. На участке освобождается территория от склада с топливом и подъездного пути к нему. Сама же установка весьма компактна и может быть размещена в полуподвальном помещении (фото и рис. 3). Вложенные в систему ТН средства окупаются за счёт сбережения электроэнергии и полного отказа от закупок топлива. Очень важно и то, что эти установки не наносят вреда окружающей среде. Система управления ТН автоматически поддерживает цикличный режим работы, обеспечивающий заданные параметры обеспечения теплом жилого дома.

Может показаться, что разговоры о ТН — это лишь пропаганда сравнительно нового направления в энергетике. Только это направление — уже совсем не новое. Достаточно взглянуть на уровень использования низкопотенциальной тепловой энергии с помощью таких устройств в некоторых странах (см. табл.), чтобы осознать всю значимость этого направления энергетики.

Изучив принцип действия и состав оборудования в комплекте установки ТН, вероятно, вы могли бы и сами собрать её из приобретённых по отдельности компрессора, теплообменников и узлов автоматики.

Насколько перспективен такой путь, покажет практика.

Ясное дело, что техника, изготовленная и отлаженная на производственном предприятии, более надёжна — и лучше использовать её.

Но энтузиасты-самоделыцики всегда и во всём принимают участие. Судя по активности на форумах в Интернете, займутся они и теплонасосной техникой. И уже есть известия об успехах в этой области.

Схема работы теплового насоса

Рис. 1. Схема теплового насоса Viessmann со скважным контуром сбора тепла из земли и транспортировки его в систему отопления и горячего водоснабжения жилого дома: 1 — первичный контур отбора тепла земли; 2 — испаритель; 3 — компрессор; 4 — конденсатор; 5 — дроссельный клапан; 6 — тепловой аккумулятор; 7 — отопительный контур;

Рис. 2. Конструктивные разновидности контуров отбора земного тепла в системах тепловых насосов:

а — с открытым циклом; б — с закрытым циклом (горизонтальный теплосъёмный коллектор); в — с закрытым циклом (вертикальный скважинный зонд).

---

Ссылка по теме: Тепловой насос – принцип и схема работы . Установка своими руками.

---

ТАБЛИЦА: Мощность, генерируемая тепловыми насосами, в некоторых странах в 2010 году

№	Страна	Генерируемая мощность, МВт	Ежегодно производимая ТН тепловая энергия, ТДж/год*
1	США	3 086	97 320
2	Филиппины	1 906	60 065
3	Индонезия	1 197	37 769
4	Мексика	958	30 211
5	Италия	863	26 585
6	Новая Зеландия	628	19 805
7	Исландия	575	18 133
8	Япония	536	16 903
9	Сальвадор	206	6 633
10	Кения	167	5 267

*Тера(Т)— 10¹².

Как видим, использование тепла земли с помощью тепловых насосов, очевидно, займёт своё достойное место.

Рис. 3. Так выглядят теплонасосные установки:

а — с трубным двухконтурным коллектором теплосъёмного контура, уложенного горизонтально в грунт на глубину 1,5-2,5 м; 6 — с вертикальным скважинным зондом, занимающим очень мало места.

---

В последнее время в СМИ часто рассказывают об использовании тепловых насосов (ТН) для отопления помещений и приготовления горячей воды. И это неспроста. Применение ТН позволяет в разы снизить стоимость отопления по сравнению с отоплением на традиционных видах топлива. Если сравнивать отопление на магистральном газе (в районах, где он проведён, конечно) и с помощью электрического теплового насоса, то при сегодняшних тарифах на газ первый вид отопления окажется более дешёвым-примерно в 2-2,5 раза. Но тарифы на газ растут быстрее, чем на электричество, и не далёк тот день, когда отопление на электрическом ТН окажется выгоднее.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Из курса физики мы знаем о двух явлениях. Во-первых, при сжимании тела его температура повышается. Вспомним, как нагревается ручной насос при накачивании шины велосипеда. Если тело «расжимать», то температура его понизится.

Во-вторых, при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое (к примеру, из жидкого в газообразное) требуется тепла больше, чем просто при его нагревании на 1 °C. Так, чтобы испарить 1 г воды при нормальном давлении, нужно затратить 600 калорий, а чтобы нагреть 1 г воды на 1 °C, нужно потрать всего 1 калорию. При конденсации, соответственно, теплота выделяется.

Знания этих явлений достаточно для понимания процессов в тепловом насосе. В конструкции теплового насоса есть четыре основных элемента: компрессор, конденсатор, испаритель и хладагент.

Компрессор, конденсатор и испаритель соединяют трубками и в систему закачивают хладагент в газообразном состоянии (рис. 1).

Компрессор сжимает газообразный хладагент в конденсаторе. Давление хладагента увеличивается, он нагревается и конденсируется, то есть превращается в жидкость, а выделяемое при этом тепло отводится к потребителю, что соответствует линии А-В-С обратного цикла Карно (рис. 2).

Далее жидкий хладагент поступает в испаритель (длинная труба в грунте или в проточной воде, змеевик в воздухе). Компрессор вытягивает газообразный хладагент из испарителя, поэтому там создаётся низкое давление. Такое низкое, что жидкий хладагент, поступающий в испаритель, начинает испаряться, переходя в газообразное состояние. Этот процесс происходит с поглощением теплоты, которая отбирается от внешней среды, омывающей испаритель (линия C-D-A обратного цикла Карно на рис. 2).

Таким образом, тепло поглощается на испарителе и выделяется на конденсаторе. При этом тепло от среды, омывающей испаритель, перекачивается в среду, омывающую конденсатор.

ВИДЫ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

В зависимости от среды, омывающей испаритель, и среды, омывающей конденсатор, тепловые насосы разделяют на виды: «воздух – воздух», «воздух -вода», «вода – воздух», «вода – вода».

Может возникнуть вопрос: «А где тепловой насос «грунт – вода» и «грунт – воздух»?» Но ведь между грунтом и ТН по трубам циркулирует «вода». Поэтому четыре вида ТН представляют весь диапазон вариантов.

В данном случае «вода» – это условное обозначение. Обычно используется какая-либо «незамерзайка» – например, водный раствор этилового спирта.

ТЕПЛОВОЙ НАСОС  КАК КОНДИЦИОНЕР

На принципе ТН работает большая часть холодильной техники-бытовые и промышленные холодильники, кондиционеры и прочее оборудование.

В нашей схеме ТН перекачивает тепло от испарителя к конденсатору. Но если в схему добавить реверсивный клапан, то можно менять функциональное назначение теплообменников. Так, ТН воздух – воздух в коттедже или в квартире при одном положении реверсивного клапана будет перекачивать тепло из дома на улицу (то есть работать в режиме охлаждения дома), а при другом-перекачивать тепло с улицы в дом.

СОР — ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Если посмотреть на характеристики хладагента R4wa, повсеместно используемого в бытовых системах, то можно увидеть, что температура кипения (конденсации) его при давлении 1 бар равна -37 °C, а при давлении 26,2 бар -+45 °C. Поэтому перекачивать тепло с улицы в дом ТН может даже в морозы. Однако чем меньше разница между давлениями в испарителе и конденсаторе, тем больше коэффициент преобразования (СОР-англ. Coefficient of Perfomance).

СОР показывает, сколько полученного тепла (в кВт ч) будет приходиться на затраченный 1 кВт ч электричества. В характеристиках ТН «воздух -…»СОР обычно указывается при температуре внешнего воздуха +8 °C. У приличных ТН СОР обычно более 4, то есть он вырабатывает тепла более чем в 4 раза больше, чем тратится энергии на его работу. При понижении внешней температуры СОР уменьшается. Хорошие ТН «воздух – …» могут работать при температурах -25 °C с СОР больше 1.

ТН «вода – …» обычно имеют СОР, равный 3,6, и он не зависит от сезона.

Но чтобы обеспечить эту «воду» на входе, нужно потрать значительные средства. Обычно это геоконтур, прокладываемый в грунте или в воде рядом с домом.

Как показывает опыт эксплуатации тепловых насосов «воздух – воздух» в Подмосковье, средний СОР по отопительному сезону составляет 2.8…3. Похожие результаты показывает статистика использования ТН в Финляндии. С учётом того что стоимость под ключ ТН «воздух – …» и «вода – …» различается в разы, то использование ТН «воздух – …«экономически предпочтительнее.

ТЕПЛОВОЙ НАСОС СВОИМИ РУКАМИ – ВИДЕО ЧАСТЬ 1

ТЕПЛОВОЙ НАСОС СВОИМИ РУКАМИ – ВИДЕО ЧАСТЬ 2

ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ МАСТЕРОВ И МАСТЕРИЦ, И ТОВАРЫ ДЛЯ ДОМА ОЧЕНЬ ДЕШЕВО. БЕСПЛАТНАЯ ДОСТАВКА. ЕСТЬ ОТЗЫВЫ.

Ниже другие записи по теме "Как сделать своими руками - домохозяину!"

---

Подпишитесь на обновления в наших группах и поделитесь.

Будем друзьями!