Тепловой насос — это устройство, работающее по обратному холодильному циклу и передающее теплоту от тел менее нагретых к более нагретым. Актуальность тепловых насосов заключается в быстром развитии возобновляемых источников. Одним из способов получения тепловой энергии из природы – отбор тепла из источников энергии с низким потенциалом. Далее тепловая энергия преобразуется с помощью теплового насоса и передается с более высокой температурой.
Тепловые насосы
Использование тепловых насосов в мире и в России
Тепловой насос – техническая конструкция, осуществляющая процесс переноса низкотемпературной теплоты, не подходящей для использования, на более высокотемпературный уровень. Работа теплового насоса чем-то напоминает работу водяного. Только водяной перекачивает воду, тепловой — теплоту.
В настоящее время в мире работает более 30 млн тепловых насосов различной мощности – от нескольких кВт до сотен МВт.
В России за последнее десятилетие тема тепловых насосов стала весьма актуальной. Это произошло по ряду причин.
- В первую очередь, этому способствовало цена на газ. За последние 15 лет стоимость газа увеличилась на 500-600%.
- Во вторую очередь, система «проведения» газа в дом с каждым годом становится всё сложнее и сложнее. Иногда может потребоваться несколько лет, чтобы добиться подключения энергоресурса.
- В третью очередь, компании, занимающиеся вопросом тепловых насосов (подключение, проектирование, обслуживание), «не стоят на месте» и пополняют свой запас знаний о своем продукте ежедневно. Человеку проще будет отдать деньги «знающему» человеку и фирме с успешным опытом реализации в данной сфере.
- В четвертую очередь, тепловые насосы – это модно. Тепловой насос в плане внешнего могут «обыграть» под нужный дизайн.
Краткая история теплонасосов
Теория тепловых насосов возникла в 19 веке. Этому послужил, в первую очередь, интерес человечества к теплотехнике. Во вторую очередь — изобретение паровой машины (конец 18 века).
В 1852 году Уильям Томсон создал первый прототип теплового насоса, который был назван «heat multiplier» (в переводе с английского «умножитель теплоты»). Принцип работы данной разработки заключался в поступлении воздуха 1 во входной цилиндр 2 с улицы. В результате этого воздух расширялся и охлаждался. Далее воздух попадал в ресивер 3 ( — сосуд для скапливания газа, жидкости, пара), где осуществлялся его нагрев от наружного воздуха. Затем он поступал в выходной цилиндр 6, сжимаясь, нагревался. В нагретом состоянии он поступал в помещение 7 и обогревал его. Принцип работы такого механизма был основан на изменении температуры газов при их расширении и сжатии (эффект Джоуля-Томсона).
В 1856 году инженер Петер Риттер фон Риттингер усовершенствовал модель Томсана, тем самым создав первый тепловой насос.
После 1918 года, во время дефицита топлива, ученые начали проводить исследования в области тепловых насосов. Первая теплонасосная установка для обогрева помещения была создана в Шотландии инженером Д. Холдейном.
В 1938-1939 годах, в Цюрихе, была создана и введена в работу первая крупная ТНУ.
Вплоть до 1985 года устройство теплового насоса совершенствовали многие ученые, но в период с 1986 по 1995 спрос на данные конструкции упал из-за окончания «энергетического» кризиса.
Начиная с 2001 года по сегодняшний день, рынок тепловых насосов набирает большую популярность, вместе, с чем совершенствуясь.
Достоинства и недостатки тепловых насосов
Перейдем к плюсам и минусам тепловых насосов. Начнем с плюсов:
- Повышенный уровень комфорта. Тепловые насосы полностью автоматизированы. Устройства исправно работают практически без внешнего контроля. Позволяют снизить пожароопасность, не доставляют неудобств с доставкой топлива и доставкой дополнительного оборудования.
- Экологичность. Не производят вредоносные выбросы, тем самым не загрязняют экологию и не приносят вряд здоровью человека.
- Многофункциональность. тепловые насосы обладают не только функцией отопления, но и охлаждения, то есть устройства можно использовать в качестве кондиционеров.
- Безопасность. Для работы не требуется огонь и взрывоопасное топливо, благодаря этому срок службы возрастает до 25 лет.
Недостатки:
- Необходимо обеспечить в помещении трехфазную электросеть.
- Для исправной работы необходимо свести к минимуму перепады напряжения, дабы не спровоцировать поломку насоса.
- Необходимость качественного утепления в помещении, в котором устанавливается тепловой насос.
Принцип работы теплового насоса и его схема
Принцип действия теплового насоса идентичен действию холодильной машины и кондиционера, работу отличает лишь назначения: холодильники и кондиционеры – охлаждают, тепловые насосы – обогревают. Из-за одинаковой конструкции бытовые кондиционеры часто могут, выполняют функции теплового насоса (режим обогрева).
Все тепловые машины (двигатели внутреннего сгорания, холодильные, паровые и др.) работают циклически. Термин «цикл» означает постоянное изменение системы, которое возвращается в изначальное состояние (в «начальную точку»). Любой теплонасос состоит из испарителя и конденсатора, которые отвечают за теплообмен, расширителя (или дроссельного клапана), понижающего давление и температуру хладагента, и компрессора, повышающего давление и температуру хладагента. Все эти устройства соединены трубопроводом в единый замкнутый контур трубопроводом.
По трубам циркулирует хладагент, инертный газ с очень низкой температурой кипения. Поэтому в одной части контура, холодной, он представляет собой жидкость, а во второй, теплой, он переходит в газообразное состояние.
Продолжая движение, газ подается в компрессор, где он сжимается, и нагревается. После нагрева вещество поступает в конденсатор. В нем происходит передача тепла от горячего газа к теплоносителю.
Отдав тепло, газ охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, в то время, как нагретый теплоноситель поступает в систему горячего водоснабжения и отопления. Проходя через редукционный клапан расширителя, сжиженный газ снова попадает в испаритель. Далее цикл повторяется.
Важно! В холодное время года тепловые насосы работают для обогрева дома, а в жару — для его охлаждения. Принцип работы в этом случае тот же, но летом тепло от хладагента поступает не извне, а изнутри.
Типы тепловых насосов
Теплонаосы подразделяют на два основных типа:
Воздушный или аэротермальный тепловой насос
Аэротермальная энергия – способ получения энергии при помощи воздуха, которая в последующем используется для отопления (зимой) или охлаждения (летом) помещений, нагрева воды. Воздушный насос как бы «собирают» энергию из воздуха, передавая тепло в контур.
Воздушные тепловые насосы могут работать в 2-х режимах:
- отопления
- охлаждения.
Режим отопления
В данном режиме работы тепло поступает с улицы и передается в помещение.
В режиме обогрева хладагент (вещество, используемое в холодильных камерах, тепловых насосах и кондиционерах) сначала проходит через расширительное устройство, превращаясь в жидко-газообразное вещество под действием низкого давления. Затем данное вещество попадает в наружный теплообменник, в котором хладагент испаряется. После вещество проходит через обратный клапан и попадает в компрессор. В компрессоре эта низкотемпературная смесь сжимается, уменьшаясь в объеме, что заставляет ее нагреваться. В последствии обратный клапан направляет нагретый газ к внутреннему теплообменнику, в котором газообразный хладагент конденсируется. Тепло получившегося газа попадает в помещение, что заставляет хладагент охлаждаться и обратно конденсироваться в жидкость. Вещество возвращается в расширительное устройство. Далее цикл повторяется.
Режим охлаждения
Разобранный выше цикл может работать в «обратном» режиме – режиме охлаждения.
Насос «забирает» тепло из воздуха в помещении и «выталкивает» его на улицу. Жидкий хладагент протекает через расширительное устройство и также превращается жидко-газообразное вещество. Далее вещество попадает в теплообменник, в котором смесь испарятся. После газообразный хладагент попадает в компрессор. В компрессоре эта смесь сжимается, при этом нагреваясь. Далее нагретое вещество проходит через обратный клапан и теплообменник и выходит наружу и хладагент обратно превращается в жидкую смесь. Цикл окончен.
Геотермальный тепловой насос
Геотермальные тепловые насосы — это автономные станции, которые используют низкую потенциальную тепловую энергию Земли и грунтовых вод для обогрева дома.
Геотермальный тепловой насос по принципу действия схож с работой кондиционера реверсивного типа.
Важнейшая отличительная черта геотермального теплового насоса от кондиционера — работа прибора при любых погодных условиях (и любой температуре). Охлажденный жидкий теплоноситель (хладагент или рассол) поступает в трубопровод. Труба протягивается вглубь грунта (или на дно водоема). Там теплоноситель нагревается за счет геотермальной энергии и поступает в теплообменник (испаритель), где отдает тепло внутреннему контуру теплового насоса. При этом в газообразное состояние переходит уже теплоноситель внутреннего контура, а теплоноситель внешнего контура охлаждается и снова идет на нагрев под землю. Газ попадает в компрессор. Хладагент сжимается, в результате чего его температура повышается еще больше. Затем поступает в конденсатор, и отдает тепло теплоносителю. Вновь переходит в жидкое состояние и поступает в испаритель
