Тепловые насосы - знакомые незнакомцы (часть 1)
04.10.2006
Тепловые насосы - знакомые незнакомцы (часть 1)
Человеку свойственно настороженно относиться ко всему новому и незнакомому. Особенно, если это новое стоит немалых денег. Однако, как показывает история, тот, кто не побоялся рискнуть, часто, в дальнейшем, оказывался на шаг впереди сомневавшихся. Те же, в свою очередь, нередко сожалели об упущенном времени. Примерно это, происходит с нашими соотечественниками в их отношении к тепловым насосам — малоизвестному пока в России, виду тепловых генераторов. Мировое же сообщество, уже давно и активно эксплуатирует эти приборы. По прогнозам, доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов, в развитых странах мира к 2020 году составит 75%. Замечательным свойством тепловых насосов (ТН), является их способность извлекать теплоту из окружающей среды: грунта, воды водоёмов, и даже окружающего воздуха. Температура этих сред может быть даже отрицательной (до -10°С, -15° С), а температура воды, нагреваемой ТН, достигать 60–80°С. Мы привыкли к тому, что количество тепловой энергии, получаемой на выходе теплового генератора, всегда меньше энергии, отобранной у энергоносителя — газа, топлива, электричества. КПД котла — всегда меньше 100%. С помощью же ТН, для получения 1 кВт тепловой энергии можно затратить всего 0,25–0,4 кВт электроэнергии. Остальную энергию поставляет окружающая среда. Это кажется невероятным. Однако, с принципом работы ТН каждый из нас знаком давно. Это — обычный бытовой холодильник. Только холодильник извлекает тепло из продуктов, находящихся в камере и рассеивает его в окружающее пространство, а ТН извлекает тепло из окружающего пространства и передаёт его в теплообменник. ТН это — холодильник наоборот. В ТН и в холодильнике используются два хорошо известных свойства жидкости:
- при переходе жидкости из одного фазового состояния в другое, из жидкости в пар (кипение), или, наоборот, из пара в жидкость (конденсация), происходит поглощение или выделение теплоты. В термодинамике она называется теплотой фазового перехода;
- при уменьшении давления, жидкость начинает кипеть (испаряться) при более низкой температуре. В ТН и холодильниках используются специальные вещества — хладагенты, их называют фреонами или хладонами, которые кипят при температурах -20°С, -30°С. Хладагент является рабочим телом холодильной машины, циклические изменения агрегатного состояния которого, позволяют производить перенос теплоты от среды с низкой температурой, к среде с более высокой температурой. Среда с низкой температурой, называется источником низкопотенциального тепла. Это могут быть грунт, водоём или воздух.
Принцип работы теплового насоса
Тепловой насос, как и холодильник, состоит из четырёх основных функциональных элементов: испарителя, компрессора, конденсатора и дросселя, по которым циркулирует рабочее тело — фреон (Рис. 1).
|
|
К испарителю, тем или иным способом, подводится теплота от низкопотенциального источника тепла — грунта, воды, воздуха. В теплообменнике испарителя эта теплота передаётся рабочему телу — фреону, который находится под низким давлением, и при данной температуре закипает. Образовавшийся пар, втягивается в компрессор и сжимается. Температура пара при сжатии повышается до 90–100°С. Горячий фреон под давлением поступает в конденсатор — теплообменник, по внешнему контуру которого циркулируют вода или воздух, являющиеся теплоносителем для системы отопления. В конденсаторе пары фреона конденсируются на холодных поверхностях, передают свою теплоту теплоносителю внешнего контура, а сами, охлаждаясь, переходят в жидкую фазу. Далее, жидкий фреон проходит через дросселирующий вентиль, после которого его давление резко уменьшается, а температура становится ниже температуры источника низкопотенциального тепла. В завершение цикла, фреон снова попадает в испаритель, закипает, испаряется и т. д., и цикл автоматически повторяется. Так работают ТН парокомпрессионного типа, которые обычно используются в бытовых установках. Существуют также абсорбционные, эжекторные, термоэлектрические тепловые насосы.
Тепловой насос отбирает тепловую энергию у среды, температура которой может быть отрицательной, и закачивает её в теплоноситель потребителя, температуру которого может довести до 60–80°С. Характерно, что в ТН расходуется энергия, необходимая только для работы компрессора. Количество тепловой энергии, передаваемое от источника низкопотенциального тепла потребителю, может быть в несколько раз больше, чем затраты электроэнергии на привод компрессора. Главной характеристикой ТН является коэффициент преобразования тепла (φ). Он показывает отношение величины тепловой мощности, выдаваемой потребителю, к мощности, затраченной на работу компрессора. На 1 кВт затраченной электрической энергии, с помощью ТН можно получить от 2,5 до 4 кВт тепловой энергии.
Способы отбора низкопотенциального тепла
1. Грунтовые зонды (Рис. 2). Тепло отбирается из одной или нескольких скважин глубиной 50–150 м.
 |
Температура грунта на такой глубине всегда одинакова — около +10°С. Поэтому грунтовые зонды наиболее эффективны. Тепловая мощность глубоких зондов составляет от 30 до 100 Вт на погонный метр скважины. Глубина и количество скважин зависят от вида грунта и тепловой мощности, необходимой потребителю.
2. Грунтовые коллекторы (Рис. 3). Тепло отбирается из неглубокого слоя земли (1–2 м), с помощью горизонтально уложенных полиэтиленовых труб с незамерзающим теплоносителем. Способ укладки трубы может быть петлёй, змейкой, спиралью и т. п., и определяется свойством грунта и геометрией участка. Тепловая мощность грунтового коллектора, составляет 10–35 Вт на погонный метр трубы, стоимость ниже стоимости грунтовых зондов. Не обязательно укладывать контур ниже уровня промерзания грунта.
3. Водяные коллекторы (Рис. 4). Трубы укладываются на дно непромерзающего водоёма. Система более эффективна, чем грунтовый коллектор и не требует производства земляных работ, однако, условия для её реализации достаточно редки.
 |
 |
4. Воздушные контуры (Рис. 5). Всё большее распространение получают воздушные тепловые насосы, которые используют тепло наружного воздуха. Они эффективно работают до температуры воздуха -10°С и, даже ниже. Коэффициент преобразования тепла воздушных ТН 3–3,8, а максимальная температура воды в системе отопления достигает 55°С. При температуре воздуха ниже -10°С, эффективность воздушных ТН снижается и нужно подключать второй (резервный) котёл — дизельный или электрический. Для этой цели в конструкции некоторых моделей воздушных ТН предусмотрены встроенные ТЭНы.
 |
В последние годы, воздушные ТН получили дополнительное развитие, используя тёплый воздух вытяжных вентиляционных систем жилого дома. Это дополнительное тепло направляется на увеличение эффективности ТН или на подогрев грунта вокруг грунтовых коллекторов.
Технический консультант компании Тайм О.Сизухин
