В наше время существуют очень много способов отопления зданий, частных участков и т. д. Зачастую мы используем тот способ, для которого требуются не возобновляемые источники энергии, такие как уголь, дрова или торф. Поэтому хочу предложить наиболее удобный и безопасный метод – тепловые насосы, работающие по принципу поглощения тепла из окружающей среды.
Что такое тепловой насос?
Тепловой насос – это система, которая поглощает энергию в виде тепла из окружающей среды, и переносит её от менее нагретого тела, к более нагретому. Таким образом тепловой насос увеличивает температуру системы за счет холодных источников. То есть, это устройство поглощает тепловую энергию из окружающей среды и передает ее в отапливаемое здание. Но у многих возникнет вопрос, как тепловой насос будет работать зимой, при температуре окружающей среды сильно ниже 0? Любое тело может обладать запасом энергии, если его температура выше температуры абсолютного нуля (-273,15 градусов). А так как невозможно достичь этой температуры, то все тела обладают энергией, а следовательно, и запасы тепла в окружающей среде – очень велики.
Может ли тепловой насос работать в режиме охлаждения?
Ответ — да. Тепловой насос может как нагревать, так и охлаждать, то есть работать как кондиционер. Режим кондиционирования работает по принципу “выкачки” тепла из помещения наружу. По схожему принципу работают и холодильники, они также выкачивают тепло наружу.
Виды тепловых насосов
По виду передачи энергии тепловые насосы бывают:
- Компрессионные
- Абсорбционные
Компрессионные
Тепловые насосы, основными элементами которых являются конденсатор, компрессор, расширитель и испаритель. В них используется цикл сжатия — расширения, для совершения полезной работы. Принцип их работы достаточно эффективен и прост. Сам теплонасос может работать как замкнутым, так и по разомкнутым схемам. Принцип работы компрессионных тепловых насосов основан на последовательном осуществлении процессов расширения и сжатия рабочего вещества. Компрессионные теплонасосы приводит в действие механическая энергия.
Абсорбционные
В отличие от компрессионных теплонасосов данный тип является более современным. В качестве рабочего тела используется водный раствор бромида натрия. Когда в генератор подается тепло, концентрация смеси повышается, из-за чего из нее начинает выделяться хладагент в виде пара. Этот выделившийся пар поступает в теплообменник конденсатора, где происходит его конденсация и выделяется тепло. Сконденсировавшийся пар через расширительный клапан поступает в испаритель, где испаряется при низкой температуре и при низком давлении. Испарившийся хладагент поглощается жидким раствором бромида натрия в поглотителе. Таким образом, пар становиться жидкостью. Процесс сжатия в компрессоре заменяется более экономичным процессом сжатия в насосе. Абсорбционные теплонасосы работают только по замкнутой системе. Основное их отличие от компрессорных насосов заключается в том, что для его работы требуется тепловая энергия, а затраты электроэнергии незначительны по сравнению с парокомпрессионным тепловым насосом.
По источнику тепла тепловые насосы бывают:
- Аэротемальные(воздушные), использующие тепловую энергию воздуха
- Геотермальные, использующие тепло земли
- Акватермальные(водные), использующие тепло из водной среды, такие как водные каналы, реки, озера.
По виду входного/выходного контуров:
- Тепловые насосы типа “воздух-воздух” Такой тип тепловых насосов поглощает холодный воздух из окружающей среды, после чего направляет его в отапливаемое помещение.
- Тепловые насосы типа “вода-вода” Поглощает тепло грунтовых вод, после чего подает его виде жидкости по трубам в отапливаемый дом.
- Тепловые насосы типа “вода-воздух” Используются скважины или зонды для воды и воздушная система отопления.
- Тепловые насосы типа “воздух-вода” Использует тепло окружающей среды, в этом варианте воздуха, для отопления дома водой.
- Тепловые насосы типа “грунт-вода” Ставятся трубы под домом, которые поглощают тепло из самой земли, тем самым отапливая дом.
- Тепловые насосы типа “лед-вода” Для нагрева воды используется выделяемая тепловая энергия во время преобразования воды в лед.
Аэротермальный тепловой насос
Аэротермальный тепловой насос поглощает энергию через внешнее устройство – уличный радиатор. Сам принцип работы делится на 3 этапа:
- Сбор тепловой энергии из окружающей среды
- Повышение температуры собранного тепла
- Передача тепла непосредственно в саму систему отепления дома или на другой объект
Этот вид теплового насоса использует 2 вида внутреннего устройства: “воздух-воздух”, “воздух-вода”.
В обоих случаях тепловая энергия потребляется из атмосферы, но в самом здании работают по-другому. В первом случае в дом ставится устройство, по принципу работы напоминающее кондиционер, которое только не охлаждает, а нагревает здание. Во втором же случае, теплота также берется из атмосферы, но поступает уже в отопительный контур дома, заполненный определенной жидкостью.
Если говорить про тепловой насос типа “воздух-вода”, более подробно, то, по испарителю воздушного теплового насоса, зачастую, течет хладагент – фреон. Это такая жидкость, которая не мерзнет при низких температурах. Из-за того, что температура закипания фреона очень низкая, то при контакте с воздухом, жидкость будет закипать.
После такого теплообмена фреон в парообразном состоянии поступает в компрессор, где, в свою очередь сжимается. После сжатия, газ поступает в конденсатор, где фреон конденсируется и, соответственно, выделяет основную долю тепла, которая направляется в дом. Температура сжатых паров фреона может достигать 128 °C. После это тепло поступает в конденсатор.
В конденсаторе парообразный фреон отдает тепловую энергию в контур отопления дома и для нагрева воды. После теплоотдачи фреон обратно преобразуется в жидкое состояние и выходит из конденсатора. Но температура хладагента все еще недостаточна для последующего участия в цикле. Поэтому фреон также проходит сквозь дроссельный вентиль, где понижается давление и падает его температура. После фреон обратно проходит повторный цикл.
Геотермальный тепловой насос
Принцип работы заключается в том, что тепло из внешних источников поступает в саму установку, после чего поступает в дом.
Если говорить более подробно, то в среде, с температурой чуть больше 0, лежит трубопровод (с теплоносителем) большой протяженностью. Трубопровод замкнутый и движение жидкости по нему производится с помощью насоса. После, по мере поступления жидкость в трубе накапливает тепло, испаряется и переходит в компрессор, находящийся внутри здания. Получая тепло, фреон нагревается и переходит в парообразное состояние, после поступает в компрессор, где его сжимают. Температура такого сжатого газа колеблется от 35oC до 65oC. Он поступает в конденсатор, а дальше в контур отопления дома.
Этот вид насоса также использует 2 вида внутреннего устройства:
- “грунт-вода”
- “лед-вода”.
Относительно установки “грунт-вода”. Ниже точки примерзания, температура почвы всегда выше 0, а это значит, что оттуда можно получать тепло для дома. Существует 2 типа потребления этого тепла. При помощи горизонтального и вертикального коллекторов.
Горизонтальный коллектор
Для установки горизонтального геотермального коллектора потребуется немалая площадь, от 200 м3. По всей этой территории копается яма чуть ниже точки промерзания, порядком 50-70 см. Ведь именно в этом пространстве собирается тепло, которое успело накопиться за лето. Ниже копать нельзя, потому что будет ниже температура почвы. Дальше укладываем трубы методом змейки, чтобы значительное пространство занимали именно трубы. Единственный минус этого принципа заключатся в том, что нельзя сажать растения с глубокими корнями, потому что они могут повредить систему труб.
Вертикальный коллектор
Для вертикального геотермального коллектора нужна поверхность ниже 20 м и больше. Именно начиная с такой глубины температура грунта начинает повышаться. Она стабильна в любую погоду и в любое время года. Но для того чтобы добраться до такой глубины, требуется бурение скважин. Поэтому основной недостаток, в сравнении с горизонтальным коллектором, это цена.
Насчет установки “лед-вода” можно сказать следующее. Даже зимой температура воды под землей является достаточно приемлемой. Порядка +5-+8 °C. Но главная задача этой установки состоит в том, как передать это тепло в сам дом. Для этого в землю помещают трубу, заполненную незамерзающей жидкостью (например антифриз).
Акватермальный тепловой насос
Акватермальный тепловой насос также использует 2 вида внутреннего устройства:
- “вода-вода”
- “вода-воздух”.
Такой тип насосов мало чем отличается от вышеупомянутых, разве тем, что источником тепла служит вода, распложенная рядом со зданием. Выбранный пруд или водоем должны промерзать во время сильных заморозков, оптимальное расположение труб от 1 до 3 метров до поверхности воды. На такой глубине прокладываются трубы, заполненные хладагентом. Фреон после поглощения тепла поступает в конденсатор, где передает теплоту зданию. Цикл завершается, когда хладагент проходит через дроссельный вентиль для повторного круга.
Различия между тепловыми насосами “вода-вода” и “ вода-воздух” заключается в том, что в первом случае тепло из хладагента передается в отопительную систему дома, состоящую из трубок, заполненных, зачастую водой. В свою же очередь при использовании теплового насоса типа “вода-воздух” внутрь дома ставится устройство, которое распределят тепло с помощью воздуха.
Соотношение эффективности к затратам
Эффективность конкретного теплового насоса будет зависеть от множества как внутренних, так и внешних факторов. Но если брать среднее значение, то затраты на тепловую энергию будут только уступать магистральному газу. Ниже приведено сравнение стоимости 1 кВт*ч энергии.
Из диаграммы можно сделать вывод, что тепловые насосы в основном востребованы на тех участках, где не проходит магистральный газ, например, в дачных поселках. Такой тип потребления энергии будет самым выгодным.
Что касается недостатков. Во-первых, установить определенный тип теплового насоса стоит довольно дорого. Также следует упомянуть, что теплонасос уступает другим типам источников тепла для отопления дома в связи с не самой высокой температурой максимального нагрева, порядка 50-60 oC.
