По прогнозам специалистов, доля отопления и горячего водоснабжения, генерируемого с использованием тепловых насосов, в развитых странах к 2020 году составит 75%.
Замечательным свойством тепловых насосов (ТН) является их способность извлекать энергию из окружающей среды: грунта, водоёмов и даже обычного воздуха. Температура этих сред может быть отрицательной (до -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. Тепловой насос походит на обычный холодильник с той разницей, что последний 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. Таким образом, ТН – это холодильник наоборот.
В обоих приборах используются два хорошо известных свойства жидкости:
– при переходе воды 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 этот процесс 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
ТН, как и холодильник, состоит из 4-х основных функциональных элементов: испарителя, компрессора, конденсатора и дросселя, по которым циркулирует рабочее тело – фреон.
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.
Агрегат 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. Он показывает отношение величины тепловой мощности, выдаваемой потребителю, к соответствующему показателю работы компрессора. На 1 кВт затраченной электрической энергии с помощью ТН можно получить от 2,5 до 4 кВт тепловой энергии.
Способы отбора низкопотенциального тепла
Важный компонент теплового насоса – устройство, которое отбирает теплоту из среды. Так как источником низкопотенциального тепла могут быть разные среды (грунт, вода, воздух), то и способы отбора теплоты разлтчны:
1. Грунтовые зонды. 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. 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. 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. 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 научились также использовать тёплый воздух вытяжных вентиляционных систем жилого дома. Это дополнительное тепло направляется на увеличение эффективности тепловых насосов или на подогрев земли вокруг грунтовых коллекторов.