Принцип работы теплового насоса. Как выбрать тепловой насос для отопления дома: цены, виды, основы монтажа Установка теплового насоса для отопления дома

Тепловой насос - это устройство, которое может обеспечивать вашему дому отопление зимой, охлаждение летом и производство горячей воды круглый год.

Тепловой насос использует энергию возобновляемых источников - нагретого воздуха, земли, скальных пород или воды - для производства тепловой энергии. Это преобразование осуществляется с помощью особых веществ - .

Принцип действия теплового насоса

Конструктивно любой тепловой насос состоит из двух частей: наружной, которая «забирает» тепло возобновляемых источников, и внутренней, которая отдает это тепло в систему отопления или кондиционирования вашего дома. Современные тепловые насосы отличаются высокой энергоэффективностью, что в практическом плане означает следующее - потребитель, т.е. владелец дома, используя тепловой насос, тратит на обогрев или охлаждение своего жилища, в среднем, всего четверть тех денег, которые он потратил бы, если теплового насоса не было.

Иначе говоря, в системе с тепловым насосом 75% полезного тепла (или холода) обеспечивается за счет бесплатных источников - тепла земли, грунтовых вод или нагретого в помещениях и выбрасываемого на улицу использованного воздуха.

Рассмотрим, как действует, пожалуй, самый популярный в быту тепловой насос, работающий за счет тепла земли. Работа теплонасоса происходит в несколько циклов.

Цикл 1, испарение

Наружная часть «земляного» теплового насоса представляет собой замкнутую систему труб, зарытых в землю на определенную глубину, где температура круглый год стабильна и составляет 7-12°C. Чтобы «собрать» достаточное количество энергии земли, требуется, чтобы общая площадь, занимаемая системой подземных труб, была в 1,5-2 раза больше всей отапливаемой площади дома. Эти трубы заполнены хладагентом, который нагревается до температуры земли.

Хладагент имеет очень низкую температуру кипения, поэтому способен прейти в газообразное состояние уже при температуре грунта. Далее этот газ поступает в .

Цикл 2, сжатие

Именно этот компрессор и расходует всю необходимую для работы теплового насоса энергию, но по сравнению, к примеру, с отоплением от , эти затраты заметно ниже. К сравнению затрат мы вернемся позже.

Итак, нагретый до температуры 7-12°C газообразный хладагент из подземных труб в камере компрессора сильно сжимается, что приводит к его резкому нагреву. Чтобы понять это просто вспомните, как нагревается обычный велосипедный насос, когда вы накачиваете шины. Принцип тот же самый.

Хозяину на заметку

«Тепловой насос - современное отопление. Но реальные значения эффективности теплонасосов зависят от температурных условий, т.е. в холодные дни их эффективность падает. Она составляет порядка 150% при температуре −20 °C, и порядка 300% при температуре источника +7 °C».

Цикл 3, конденсация

После цикла сжатия, мы получили горячий пар под высоким давлением, который подается уже во внутреннюю, «домашнюю» часть теплового насоса. Теперь этот газ может быть использован для системы воздушного отопления или для нагрева воды в системе водяного отопления и горячего водоснабжения. Также этот горячий пар может применяться с системой « ».

Отдавая тепло в систему отопления, горячий газ охлаждается, конденсируется и превращается в жидкость.

Цикл 4, расширение

Эта жидкость поступает в расширительный клапан, где ее давление понижается. Теперь жидкий хладагент низкого давления снова направляется в подземную часть для нагрева до температуры земли. И все циклы повторяются.

Эффективность использования тепловых насосов

На каждый 1 кВт электроэнергии, потребляемой тепловым насосом для работы его компрессора, в среднем, вырабатывается около 4 кВт полезной тепловой энергии. Это соответствует 300% эффективности.

Сравнение отопления с помощью теплового насоса с другими способами.

Данные представлены Европейской ассоциацией тепловых насосов (EHPA)

Тип отопления	Энергоэффективность, %

Следует понимать, что показатели эффективности тепловых насосов отличаются, в зависимости от конкретных условий, в которых действует ваше устройство. Так, если вы используете «земляной» тепловой насос, и у вас на участке глинистая почва, то эффективность теплонасоса будет примерно вдвое выше, чем если бы трубы теплового насоса лежали в песчаном грунте.

Также следует помнить, что укладка подземной части должна осуществляться ниже отметки промерзания грунта. Иначе тепловой насос работать вообще не будет.

Реальные значения эффективности тепловых насосов зависят от температурных условий, т.е. в холодные дни их эффективность падает. Она составляет порядка 150% при температуре −20 °C, и порядка 300% при температуре источника +7 °C. Но технологии не стоят на месте - современные модели отличается большей энергоэффективностью, причем эта тенденция сохраняется.

Тепловые насосы для охлаждения дома

По своему принципу действия тепловой насос аналогичен или . Поэтому в летнее время он может применяться не для обогрева дома, а для его охлаждения или кондиционирования. Вспомним, что, если речь идет о «земляном» теплонасосе, то температура грунта стабильна в пределах 7-12°C круглогодично. И с помощью теплового насоса она может передаваться в помещения дома.

Принцип работы системы охлаждения с помощью теплового насоса аналогичен системе отопления, только вместо радиаторов используются . При пассивном охлаждении теплоноситель просто циркулирует между фанкойлами и скважиной, т.е. холод из скважины напрямую поступает в систему кондиционирования, но сам компрессор при этом не работает. Если пассивного охлаждения недостаточно, включается компрессор теплового насоса, который дополнительно охлаждает теплоноситель.

Типы тепловых насосов

Бытовые тепловые насосы бывают 3-х основных типов, различающихся по внешнему источнику тепла:

«земляные» или «грунт-вода», «грунт-воздух»;
«водяные» или «вода-вода», «вода-воздух»;
«воздушные» или «воздух-вода», «воздух-воздух».

«Земляные» тепловые насосы

Самые популярные - это тепловые насосы, использующие тепло земли. О них уже шла речь выше. Это самые эффективные, но и самые дорогие из всех типов. Трубы, уходящие под землю, могут располагаться вертикально или горизонтально. В зависимости от этого, «земляные» тепловые насосы делятся на вертикальные и горизонтальные .

Вертикальные тепловые насосы требуют погружения труб, по которым циркулирует хладагент на значительную глубину: 50-200 м. Правда, есть альтернатива - сделать не одну такую скважину, а несколько, но более «мелких». Расстояние между такими скважинами должно быть не менее 10 м. Чтобы рассчитать глубину бурения, можно грубо прикинуть, что тепловой насос мощностью 10 кВт потребует скважины (одну или несколько) общей глубиной около 170 м. Следует также помнить, что бесполезно бурить очень мелкие - менее 50 м - скважины.

При горизонтальной укладке дорогостоящее бурение на большую глубину не требуется. Глубина заложения трубопроводов при этом способе - около 1 м, в зависимости от региона установки эта величина может как уменьшаться, так и увеличиваться. Труба с хладагентом при этом способе укладывается так, чтобы расстояние между соседними участками было не менее полутора метров, иначе сбор тепла не эффективен.

Хозяину на заметку

«Если вы живете в зоне умеренного климата - например, на Северо-Западе - то наиболее эффективный вариант для вас - тепловой насос, использующий тепло земли. Причем, лучше установить вертикальный вариант теплонасоса - особенно, если ваш дом находится на скальных породах».

Для установки теплового насоса мощностью 10 кВт необходима общая длина зарытой трубы порядка 350-450 м. Если принять во внимание ограничения, связанные с соседством разных участков между собой, то вам понадобится участок земли с размерами 20 на 20 метров. Есть ли такой свободный участок в наличии - большой вопрос.

Как выбрать нужный тепловой насос

Если вы живете в зоне умеренного климата - например, на Северо-Западе - то наиболее эффективный вариант для вас - тепловой насос, использующий тепло земли. Причем, лучше установить вертикальный вариант теплонасоса - особенно, если ваш дом находится на скальных породах, где найти свободный обширный участок земли проблематично. Но такой тип теплового насоса наиболее дорог по сумме капитальных затрат.

В зоне с мягким климатом - например, в Сочи - можно установить тепловой насос «воздух-вода», который не требует чрезмерных капитальных затрат и особенно эффективен в местности, где сезонные колебания температур сравнительно невелики.

В зависимости от принципа действия, бывают и . Более популярны модели, работающие от электричества.

Еще одно важное замечание. Хорошей идеей являются комбинированные модели тепловых насосов, которые совмещают классический вариант теплонасоса с газовым или электрическим нагревателем. Такие нагреватели могут применяться при неблагоприятных погодных условиях, когда эффективность теплового насоса снижается. Как уже говорилось, особенно снижение эффективности свойственно тепловым насосам «воздух-вода» и «воздух-воздух».

Комбинация этих двух источников тепла позволяет снизить стоимость капитальных затрат и увеличить срок окупаемости теплонасосной установки.

Преимущества и недостатки тепловых насосов

Главным достоинством тепловых насосов являются их низкие эксплуатационные расходы. Т.е. стоимость произведенного тепла или охлаждения для конечного потребителя является самой низкой по сравнению с другими способами отопления/кондиционирования. Кроме этого, система с тепловым насосом практически безопасна для дома. Следовательно, упрощаются требования к системам вентиляции его помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Что также положительно влияет на стоимость установки этих систем.

Тепловые насосы просты в эксплуатации и весьма надежны, а еще - практически бесшумны.

Еще один плюс - вы легко можете переключить тепловой насос с отопления на охлаждение в случае необходимости. Нужно лишь иметь дома не только отопительные , но и фанкойлы.

Что такое тепловой насос для дома ✮Большой выбор тепловых насосов на портале сайт

Но есть у них и минусы, главный из которых является оборотной стороной главного плюса - капитальные затраты на их установку весьма существенны. Еще одним недостатком тепловых насосов до недавнего времени была сравнительно низкая температура теплоносителя - не более 60 C. Но последние разработки дали возможность устранить этот недостаток. Правда, и цена на такие модели выше, чем на стандартные.

Многие участники нашего портала давно пользуются тепловыми насосами и считают их наилучшим способом отопления. Тепловой насос до сих пор остается дорогим устройством, и срок окупаемости у него большой. Но есть удачные опыты самостоятельного изготовления тепловых насосов: это позволяет избежать каких-то нереальных расходов.

Принцип работы теплового насоса
Как сделать тепловой насос своими руками
Выгодно ли делать тепловой насос

Принцип работы теплового насоса

Объясняя принцип действия теплового насоса, люди часто вспоминают холодильник, где в радиатор на задней стенке сбрасывается тепло, «снятое» с продуктов в камере.

Saga Участник FORUMHOUSE

Принцип работы теплового насоса, как холодильника: решетка на его обратной стороне греется, морозилка – охлаждается. Если мы удлиним трубки с фреоном и опустим их в ванну, то вода в ней будет охлаждаться, а решетка холодильника – нагреваться; холодильник будет перекачивать тепло из ванны и греть помещение.

По этому же принципу работают и кондиционеры, и тепловые насосы. Работа приборов основана на цикле Карно.

Теплоноситель движется по грунту или воде, в процессе «снимая» тепло и повышая свою температуру на несколько градусов. В теплообменнике теплоноситель отдает накопленное тепло хладагенту, тот становится паром, поступает в компрессор, где поднимается его температура. В этом виде он поставляется в конденсатор, отдает тепло теплоносителю ОС дома, и охладившись, снова превращается в жидкость и поступает в испаритель, где нагревается от новой порции нагретого теплоносителя. Цикл повторяется.

Хотя тепловой насос не будет работать без электричества, это выгодное устройство, поскольку тепла он выдает в 3-7 раз больше, чем тратит электроэнергии.

Мы разберем это на конкретном примере нашего пользователя, который сделал тепловой насос своими руками.

Тепловые насосы работают на энергии природных источников тела:

грунта;
воды;
воздуха.

Собирать тепло с грунта (ниже глубины промерзания его температура всегда около +5 - +7 градусов), можно двумя способами:

горизонтальный грунтовый коллектор
уложенные горизонтально разными способами трубы.

По трубам течет «рассол» - на FORUMHOUSE часто используют пропиленгликоль, который забирает тепло земли, передает его хладагенту, и остыв, снова отправляется в грунтовый коллектор.

Принцип работы тепловых насосов
Отопительный контур
Достоинства и недостатки тепловых насосов
Секреты самоделкиных

Как это работает

Тепловой или геотермальный насос собирает тепловую энергию из окружающей среды, преобразовывает ее, с использованием хладагента, и подает в домашнюю систему отопления.

Основные узлы агрегата: компрессор, теплообменник, циркуляционный насос, автоматика, подающий контур. Насос способен забирать тепло из трех источников.

Воздух.
Вода.
Грунт.

Судя по веткам обсуждений, востребованы у нас два варианта – вода и грунт. Это обусловлено ограничениями по температуре – источник должен быть плюсовым. Расположение запитывающего контура бывает горизонтальным или вертикальным. В первом случае магистраль укладывают ниже уровня промерзания – от 1,5 метров глубины. Или на дно водоема, там даже по сильным морозам – до + 4⁰С. Длина контура зависит от габаритов отапливаемого помещения и мощности насоса. Во втором бурят скважины под зонды, средняя глубина – 50–70 метров. Пиастров А В , один из форумчан и владелец теплового насоса, так охарактеризовал вертикальную систему.

Пиастров А В Участник FORUMHOUSE

Тепло собирают геотермические зонды – закольцованный трубопровод, по которому циркулирует этиленгликоль. Они опускаются в скважины 50–70 метров глубины. Это наружный контур, а количество скважин зависит от мощности теплового насоса. Для домика в 100 метров квадратурой потребуется два зонда – две скважины.

Отопительный контур

Тепловой насос, в отличие от котлов на газу, угле или электричестве, нагревает носитель в среднем до 40⁰C. Это оптимальная температура, при которой и износ оборудования минимальный, и потребление электричества. Для обычных радиаторов таких показателей недостаточно. Поэтому с тепловым насосом обычно используют не трубы и батареи, а теплый пол. Он при таком нагреве теплоносителя эффективнее. Только шаг между трубами должен быть меньше. Стоит учесть, что теплый пол создает ограничения по выбору мебели и сушит воздух. Потребуется дополнительное увлажнение. Летом полы могут работать на охлаждение.

Достоинства и недостатки

Главное достоинство теплового насоса – высокая отдача, на каждый киловатт потребленного электричества он дает около 5 кВт тепла. Плюс никаких физических усилий в процессе работы, никаких отходов и угарных газов.

Кроме того, нет зависимости от газовщиков и хождений по инстанциям для согласования. Да и требования к котельной не такие строгие. После пуска затраты на эксплуатацию минимальные. Оплачивается только электричество, насос средней мощности потребляет около 4 кВт в час. Современные модели импульсные, работают не беспрерывно, а включаются при необходимости. Это снижает количество рабочих часов в сезон и затраты энергии.

Главный недостаток геотермального отопления – цена вопроса, даже китайский или отечественный агрегат, не говоря о европейских брендах, стоит несколько тысяч евро. Вместе с обустройством внешнего контура и монтажом, удовольствие выльется в сотни тысяч рублей. Согласно расчетам экспертов и владельцев, насос окупается за несколько лет. Работает он на дармовом источнике, по сравнению со стоимостью тонны угля или куба дров, экономия значительная. Но далеко не у каждого есть лишних полмиллиона на оборудование и пусконаладку.

Если недалеко от участка водоем, получается значительно дешевле, отпадают траты на дорогостоящее бурение.

Действующие скважины тоже оптимизируют процесс, становясь источником тепла. Это подтверждает форумчанин дет марос из Усть-Каменогорска. Он работает на предприятии, выпускающем тепловые насосы и оказывающем услуги по их установке. Поэтому досконально разбирается в ситуации и на вопрос участника ветки, нужны ли ему зонды, если на участке есть скважины, ответил исчерпывающе.

дет марос Участник FORUMHOUSE

Зачем вам заморачиваться с зондами, если воды хватает. Будете гонять из одной скважины в другую через ТН. С зондами возимся, когда на участке нет воды или столб маленький, потребности не покрывает. Для насоса мощностью 10 кВт нужен объем в 3 куба.

Секреты самоделкиных

Но самая большая экономия получается, когда тепловой насос собирают своими руками. Ведущий узел – компрессор, берут от мощных кондиционеров и сплит-систем, технические параметры у них сходные. Теплообменники продаются готовые, но некоторые умельцы и их умудряются паять из медных труб. В качестве хладагента – фреон, его тоже продают в баллонах. Контроллеры, реле, стабилизаторы, все элементы по отдельности обойдутся вполовину дешевле, чем в готовом комплекте.

Чаще всего самоделки организуют над прудами или когда уже есть действующая скважина. Из-за того, что львиная доля расходов приходится именно на земляные работы, и экономия максимальная на них же.

Умелец aparat2 , из Риги, сам собрал геотермальное и выложил об этом фоторепортаж, с подробным описанием всех операций.

aparat2 Участник FORUMHOUSE

Собрал ТН из двух однофазных компрессоров по 24000 БТУ (7 кв. ч. по холоду). Получился каскад, тепловой мощностью 16-18 киловатт, при расходе электричества около 4,5 кВт в час. Выбрал два компрессора, чтобы были токи меньше, запускать буду не одновременно. А пока обжит только второй этаж и хватит одного компрессора. Да и, поэкспериментировав на одном, потом усовершенствую вторую конструкцию.

Также форумчанин решил не тратиться на готовые теплообменники пластинчатого типа. Они требовательны к водоподготовке, да и стоят весомо. Самодельный обменник он совместил с аккумулятором, чтобы повысить отдачу. Получилась рабочая установка в разы дешевле покупной.

Тем не менее, тепловые насосы– это альтернативный вариант, когда нет газа и большие площади отопления. Даже при самостоятельной сборке системы затраты на комплектующие солидные. Ближе изучить тему можно на ветке по , там масса полезных советов, форумчане делятся опытом, обсуждают различные модели. поможет разобраться со сборкой. А варианты отопления большого дома без газа в ролике – наглядный пример. Для владельцев деревянных домов – видео

К концу XIX века появились мощные холодильные установки, которые могли перекачать тепла как минимум вдвое больше, чем тратилось энергии на приведение их в действие. Это был шок, ведь формально выходило, что тепловой вечный двигатель возможен! Однако при внимательном рассмотрении выяснилось, что до вечного двигателя по-прежнему далеко, а низкопотенциальное тепло, добытое с помощью теплового насоса, и высокопотенциальное тепло, получаемое, например, при сжигании топлива, - это две большие разницы. Правда, соответствующая формулировка второго начала была несколько видоизменена. Так что же такое тепловые насосы? В двух словах, тепловой насос - это современный и высокотехнологичный прибор для отопления и кондиционирования воздуха. Тепловой насос собирает тепло с улицы или из земли и направляет в дом.

Принцип работы теплового насоса

Принцип работы теплового насоса прост: за счёт механической работы либо других видов энергии он обеспечивает концентрацию тепла, ранее равномерно распределённого по некоторому объёму, в одной части этого объёма. В другой части, соответственно, образуется дефицит тепла, то есть холод.

Исторически тепловые насосы впервые начали широко применяться в качестве холодильников - по сути, любой холодильник представляет собой тепловой насос, перекачивающий тепло из холодильной камеры наружу (в комнату или на улицу). Никакой альтернативы этим устройствам до сих пор нет, и при всём многообразии современной холодильной техники базовый принцип остаётся прежним: откачка тепла из холодильной камеры за счёт дополнительной внешней энергии.

Естественно, практически сразу же обратили внимание на то, что заметный нагрев теплообменника конденсатора (у бытового холодильника он обычно выполнен в виде чёрной панели или решётки на задней стенке шкафа) можно было бы использовать и для обогрева. Это уже была идея обогревателя на основе теплового насоса в её современном виде - холодильник наоборот, когда тепло закачивается в замкнутый объём (помещение) из неограниченного внешнего объёма (с улицы). Однако в этой области конкурентов у теплового насоса полно - начиная с традиционных дровяных печей и каминов и заканчивая всевозможными современными отопительными системами. Поэтому многие годы, пока топливо было относительно дешёвым, эта идея рассматривалась как не более чем курьёз, - в большинстве случаев она была абсолютно невыгодна экономически, и лишь крайне редко такое использование было оправдано - обычно для утилизации тепла, откачиваемого мощными холодильными установками в странах с не слишком холодным климатом. И только со стремительным ростом цен на энергоносители, усложнением и удорожанием отопительного оборудования и относительным удешевлением на этом фоне производства тепловых насосов, такая идея становится экономически выгодной сама по себе, - ведь заплатив один раз за довольно сложную и дорогую установку, затем можно будет постоянно экономить на сокращённом расходе топлива. Тепловые насосы являются основой набирающих популярность идей когенерации - одновременной выработки тепла и холода - и тригенерации - выработки сразу тепла, холода и электричества.

Поскольку тепловой насос является сутью любой холодильной установки, то можно сказать, что понятие «холодильная машина» - его псевдоним. Правда, следует иметь в виду, что несмотря на универсальность используемых принципов работы, конструкции холодильных машин всё-таки ориентированы именно на выработку холода, а не тепла - например, вырабатываемый холод концентрируется в одном месте, а получаемое тепло может рассеиваться в нескольких разных частях установки, потому что в обычном холодильнике стоит задача не утилизировать это тепло, а просто избавиться от него.

Классы тепловых насосов

В настоящее время наиболее широко применяются два класса тепловых насосов. К одному классу можно отнести термоэлектрические на эффекте Пельтье, а к другому - испарительные, которые, в свою очередь подразделяются на механические компрессорные (поршневые или турбинные) и абсорбционные (диффузионные). Кроме того, постепенно возрастает интерес к использованию в качестве тепловых насосов вихревых труб, в которых работает эффект Ранка.

Тепловые насосы на эффекте Пельтье

Элемент Пельтье

Эффект Пельтье заключается в том, что при подаче на две стороны специально подготовленной полупроводниковой пластины небольшого постоянного напряжения, одна сторона этой пластины нагревается, а другая - охлаждается. Вот, в общем-то, и готов термоэлектрический тепловой насос!

Физическая суть эффекта состоит в следующем. Пластина элемента Пельтье (он же «термоэлектрический элемент», англ. Thermoelectric Cooler, TEC), состоит из двух слоёв полупроводника с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При переходе электрона под действием внешнего напряжения в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника, он должен приобрести энергию. При получении им этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников (при протекании тока в обратном направлении происходит обратный эффект - место контакта слоёв нагревается дополнительно к обычному омическому нагреву).

Достоинства элементов Пельтье

Достоинством элементов Пельтье является максимальная простота их конструкции (что может быть проще пластины, к которой припаяны два проводка?) и полное отсутствие каких-либо движущихся частей, а также внутренних потоков жидкостей или газов. Следствием этого является абсолютная бесшумность работы, компактность, полное безразличие к ориентации в пространстве (при условии обеспечения достаточного теплоотвода) и очень высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам. Да и рабочее напряжение составляет лишь несколько вольт, поэтому для работы вполне достаточно нескольких батареек или автомобильного аккумулятора.

Недостатки элементов Пельтье

Главным недостатком термоэлектрических элементов является их относительно невысокая эффективность - ориентировочно можно считать, что на единицу перекачанного тепла им потребуется вдвое больше подведённой внешней энергии. То есть, подведя 1 Дж электрической энергии, из охлаждаемой области мы сможем удалить лишь 0.5 Дж тепла. Понятно, что все суммарные 1.5 Дж выделятся на «тёплой» стороне элемента Пельтье и их надо будет отвести во внешнюю среду. Это во много раз ниже эффективности компрессионных испарительныхтепловых насосов.

На фоне столь низкого КПД обычно уже не так важны остальные недостатки, - а это небольшая удельная производительность в сочетании с высокой удельной стоимостью.

Использование элементов Пельтье

В соответствии с их особенностями, основная область применения элементов Пельтье в настоящее время обычно ограничивается случаями, когда требуется не очень сильно охладить что-либо не слишком мощное, особенно в условиях сильной тряски и вибраций и при жёстких ограничениях по массе и габаритам, - например, различные узлы и детали электронной аппаратуры, прежде всего военной, авиационной и космической. Пожалуй, самое широкое распространение в быту элементы Пельтье получили в маломощных (5..30 Вт) переносных автомобильных холодильниках.

Испарительные компрессионные тепловые насосы

Схема рабочего цикла испарительного компрессионного теплового насоса

Принцип работы этого класса тепловых насосов заключается в следующем. Газообразный (полностью или частично) хладагент сжимается компрессором до давления, при котором он может превратиться в жидкость. Естественно, при этом он нагревается. Нагретый сжатый хладагент подаётся в радиатор конденсатора, где охлаждается до температуры окружающей среды, отдавая ей излишнее тепло. Это зона нагрева (задняя стенка кухонного холодильника). Если на входе конденсатора значительная часть сжатого горячего хладагента ещё оставалась в виде пара, то при понижении температуры в ходе теплообмена она также конденсируется и переходит в жидкое состояние. Относительно охлаждённый жидкий хладагент подаётся в расширительную камеру, где, проходя через дроссель или детандер, теряет давление, расширяется и испаряется, по крайней мере частично переходя в газообразную форму, и, соответственно, охлаждается, - существенно ниже температуры окружающей среды и даже ниже температуры в зоне охлаждения теплового насоса. Проходя по каналам панели испарителя, холодная смесь жидкого и парообразного теплоносителя отбирает тепло из зоны охлаждения. За счёт этого тепла продолжает испаряться оставшаяся жидкой часть хладагента, поддерживая стабильно низкую температуру испарителя и обеспечивая эффективный отбор тепла. После этого хладагент в виде пара добирается до входа компрессора, который откачивает и вновь сжимает его. Затем всё повторяется сначала.

Таким образом, на «горячем» участке компрессор-конденсатор-дроссель хладагент находится под высоким давлением и преимущественно в жидком состоянии, а на «холодном» участке дроссель-испаритель-компрессор давление низкое, а хладагент в основном находится в парообразном состоянии. И сжатие, и разрежение создаются одним и тем же компрессором. С противоположной от компрессора стороны тракта зоны высокого и низкого давления разделяет дроссель, ограничивающий поток хладагента.

В мощных промышленных холодильниках в качестве хладагента используется ядовитый, но эффективный аммиак, производительные турбокомпрессоры и иногда детандеры. В бытовых холодильниках и кондиционерах хладагентом обычно являются более безопасные фреоны, а вместо турбоагрегатов используются поршневые компрессоры и «капиллярные трубки» (дроссели).

В общем случае изменение агрегатного состояния хладагента необязательно - принцип будет рабочим и для постоянно газообразного хладагента, - однако большая теплота изменения агрегатного состояния многократно повышает эффективность рабочего цикла. Но вот если хладагент будет всё время находиться в жидком виде, эффекта не будет принципиально - ведь жидкость практически несжимаема, а потому ни повышение, ни снятие давления не изменят её температуру..

Дроссели и детандеры

Многократно употребляемые на этой странице термины «дроссель» и «детандер» обычно мало что говорят людям, далёким от холодильной техники. Поэтому следует сказать пару слов об этих устройствах и основном различии между ними.

Дросселем в технике называется устройство, предназначенное для нормирования потока за счёт его принудительного ограничения. В электротехнике это название закрепилось за катушками, призванными ограничить скорость нарастания тока и обычно применяемыми для защиты электросхем от импульсных помех. В гидравлике дросселями, как правило, называют ограничители потока, представляющие собой специально созданные сужения канала с точно рассчитанным (калиброванным) просветом, обеспечивающим нужный поток или необходимое сопротивление потоку. Классическим примером таких дросселей являются жиклёры, широко использовавшиеся в карбюраторных двигателях для обеспечения расчётного поступления бензина при подготовке топливной смеси. Дроссельная заслонка в тех же карбюраторах нормировала поток воздуха - второго необходимого ингредиента этой смеси.

В холодильной технике дроссель используется для ограничения потока хладагента в расширительную камеру и поддержания там условий, необходимых для эффективного испарения и адиабатического расширения. Слишком большой поток может вообще привести к заполнению расширительной камеры хладагентом (компрессор просто не успеет откачать его) или, по крайней мере, к потере там необходимого разрежения. А ведь именно испарение жидкого хладагента и адиабатическое расширение его паров обеспечивает необходимое для работы холодильника падение температуры хладагента ниже температуры окружающей среды.

Принципы работы дросселя (слева), поршневого детандера (в центре) и турбодетандера (слева).

В детандере расширительная камера несколько модернизирована. В ней испаряющийся и расширяющийся хладагент дополнительно совершает механическую работу, перемещая находящийся там поршень или вращая турбину. При этом ограничение потока хладагента может осуществляться за счёт сопротивления поршня или колеса турбины, хотя на деле это обычно требует очень тщательного подбора и согласования всех параметров системы. Поэтому и при использовании детандеров основное нормирование потока может осуществляться дросселем (калиброванным сужением канала подачи жидкого хладагента).

Турбодетандер эффективен лишь при больших потоках рабочего тела, при малом потоке его эффективность близка к обычному дросселированию. Поршневой детандер может эффективно работать с гораздо меньшим расходом рабочего тела, однако конструкция его на порядок сложнее турбины: помимо самого поршня со всеми необходимыми направляющими, уплотнениями и системой возврата, требуются впускные и выпускные клапаны с соответствующим управлением ими.

Преимуществом детандера перед дросселем является более эффективное охлаждение за счёт того, что часть тепловой энергии хладагента превращается в механическую работу и в такой форме отводится из теплового цикла. Более того, эта работа затем может быть использована с пользой для дела, скажем, для привода насосов и компрессоров, как это сделано в «холодильнике Зысина». Зато простой дроссель имеет абсолютно примитивную конструкцию и не содержит ни одной движущейся детали, а потому по надёжности, долговечности, а также простоте и себестоимости изготовления оставляет детандер далеко позади. Именно эти причины обычно ограничивают область применения детандеров мощной криогенной техникой, а в бытовых холодильниках используются менее эффективные, зато практически вечные дроссели, называемые там «капиллярными трубками» и представляющие собой простую медную трубку достаточно большой длины с просветом малого диаметра (обычно от 0.6 до 2 мм), которая обеспечивает необходимое гидравлическое сопротивление для расчётного потока хладагента.

Достоинства компрессионных тепловых насосов

Главное достоинство этого типа тепловых насосов - их высокая эффективность, самая высокая среди современных тепловых насосов. Соотношение подведённой извне и перекачанной энергии у них может достигать 1:3 - то есть на каждый джоуль подведённой энергии из зоны охлаждения будет откачано 3 Дж тепла - сравните с 0.5 Дж у элементов Пельте! При этом компрессор может стоять отдельно, и выработанное им тепло (1 Дж) необязательно отводить во внешнюю среду в том же месте, где отдаются 3 Дж тепла, откачанные из зоны охлаждения.

Кстати, существует отличающаяся от общепринятой, но весьма любопытная и убедительная теория термодинамических явлений. Так вот, один из её выводов заключается в том, что работа по сжатию газа в принципе может составлять лишь порядка 30% от его общей энергии. А это означает, что соотношение подведённой и перекачанной энергии 1:3 соответствует теоретическому пределу и при термодинамических методах перекачки тепла не может быть улучшено в принципе. Впрочем, некоторые производители уже заявляют о достижении соотношения 1:5 и даже 1:6, и это соответствует действительности - ведь в реальных холодильных циклах используется не просто сжатие газообразного хладагента, но и изменение его агрегатного состояния, и именно последний процесс является главным...

Недостатки компрессионных тепловых насосов

К недостаткам этих тепловых насосов можно отнести, во-первых, само наличие компрессора, неизбежно создающего шум и подверженного износу, а во-вторых, необходимость использования специального хладагента и соблюдение абсолютной герметичности на всём его рабочем пути. Впрочем, бытовые компрессионные холодильники, непрерывно работающие по 20 лет и более без какого-либо ремонта, - совсем не редкость. Ещё одна особенность - довольно высокая чувствительность к положению в пространстве. На боку или вверх ногами вряд ли заработает и холодильник, и кондиционер. Но это связано с особенностями конкретных конструкций, а не с общим принципом работы.

Как правило, компрессионные тепловые насосы и холодильные установки проектируются в расчёте на то, что на входе компрессора весь хладагент находится в парообразном состоянии. Поэтому попадание на вход компрессора большого количества неиспарившегося жидкого хладагента может вызвать в нём гидравлический удар и, как результат, серьёзную поломку агрегата. Причиной такой ситуации может быть как износ аппаратуры, так и слишком низкая температура конденсатора - поступающий в испаритель хладагент слишком холодный и испаряется слишком вяло. Для обычного холодильника такая ситуация может возникнуть, если пытаться его включить в очень холодном помещении (например, при температуре около 0°С и ниже) либо если он только что внесён в нормальное помещение с мороза. Для работающего на обогрев компрессионного теплового насоса это может случится, если пытаться отогреть им промороженное помещение при том, что на улице тоже холодно. Не очень сложные технические решения устраняют эту опасность, но они удорожают конструкцию, а при штатной эксплуатации массовой бытовой техники в них нет нужды - такие ситуации не возникают.

Использование компрессионных тепловых насосов

В силу своей высокой эффективности именно этот тип тепловых насосов получил практически повсеместное распространение, вытеснив все остальные в различные экзотические области применения. И даже относительная сложность конструкции и её чувствительность к повреждениям не могут ограничить их широкое использование - почти на каждой кухне стоит компрессионный холодильник или морозильник, а то и не один!

Испарительные абсорбционные (диффузионные) тепловые насосы

Рабочий цикл испарительных абсорбционных тепловых насосов весьма схож с рабочим циклом испарительных компрессионных установок, рассмотренных чуть выше. Главное различие заключается в том, что если в предыдущем случае разрежение, необходимое для испарения хладагента, создаётся при механическом отсосе паров компрессором, то в абсорбционных агрегатах испарившийся хладагент поступает из испарителя в блок абсорбера, где поглощается (абсорбируется) другим веществом - абсорбентом. Тем самым пар удаляется из объёма испарителя и там восстанавливается разрежение, обеспечивающее испарение новых порций хладагента. Необходимым условием является такое «сродство» хладагента и абсорбента, чтобы силы их связывания при поглощении смогли создать существенное разрежение в объёме испарителя. Исторически первой и до сих широко используемой парой веществ является аммиак NH3 (хладагент) и вода (абсорбент). При поглощении пары аммиака растворяются в воде, проникая (диффундируя) в её толщу. От этого процесса произошли альтернативные названия таких тепловых насосов - диффузионные или абсорбционно-диффузионные.
Для того чтобы вновь разделить хладагент (аммиак) и абсорбент (воду), отработавшую и богатую аммиаком водо-аммиачную смесь нагревают в десорбере внешним источником тепловой энергии вплоть до кипения, затем несколько охлаждают. Первой конденсируется вода, но при высокой температуре сразу после конденсации она способна удержать очень мало аммиака, поэтому основная часть аммиака остаётся в виде пара. Здесь находящиеся под давлением жидкую фракцию (воду) и газообразную (аммиак) разделяют и по отдельности охлаждают до температуры окружающей среды. Остывшая вода с малым содержанием аммиака направляется в абсорбер, а аммиак при охлаждении в конденсаторе становится жидким и поступает в испаритель. Там давление падает, и аммиак испаряется, снова охлаждая испаритель и забирая извне тепло. Затем вновь соединяют пары аммиака с водой, удаляя из испарителя излишки аммиачных паров и поддерживая там низкое давление. Обогащённый аммиаком раствор опять направляется в десорбер на разделение. В принципе, для десорбции аммиака кипятить раствор не обязательно, достаточно просто нагреть его близко к температуре кипения, и «лишний» аммиак улетучится из воды. Но кипячение позволяет провести разделение наиболее быстро и эффективно. Качество такого разделения является главным условием, определяющим разрежение в испарителе, а стало быть, эффективность работы абсорбционного агрегата, и многие ухищрения в конструкции направлены именно на это. В результате, по организации и количеству стадий рабочего цикла абсорбционно-диффузионные тепловые насосы, пожалуй, являются наиболее сложными из всех распространённых типов подобного оборудования.

«Изюминкой» принципа работы является то, что для выработки холода здесь используется нагрев рабочего тела (вплоть до его кипения). При этом вид источника нагрева непринципиален, - это может быть даже открытый огонь (пламя горелки), поэтому использование электричества необязательно. Для создания необходимой разности давлений, обуславливающей движение рабочего тела, иногда могут использоваться механические насосы (обычно в мощных установках при больших объёмах рабочего тела), а иногда, в частности в бытовых холодильниках, - элементы без подвижных частей (термосифоны).

Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат (АДХА) холодильника «Морозко-ЗМ».1 - теплообменник;2 - сборник раствора;3 - аккумулятор водорода;4 - абсорбер;5 - регенеративный газовый теплообменник;6 - дефлегматор («обезжиживатель»); 7 - конденсатор;8 - испаритель; 9 - генератор;10 - термосифон; 11 - регенератор;12 - трубки слабого раствора; 13 - пароотводящая трубка;14 - электронагреватель; 15 - термоизоляция.

Первые абсорбционные холодильные машины (АБХМ) на аммиачно-водяной смеси появились во второй половине XIX века. В быту из-за ядовитости аммиака они тогда большого распространения не получили, но весьма широко использовались в промышленности, обеспечивая охлаждение вплоть до –45°С. В одноступенчатых АБХМ теоретически максимальная холодопроизводительность равна количеству затраченного на нагрев тепла (реально, конечно, заметно меньше). Именно этот факт подкреплял уверенность защитников той самой формулировки второго начала термодинамики, о которой говорилось в начале этой страницы. Однако сейчас и абсорбционные тепловые насосы преодолели это ограничение. В 1950-х годах появились более эффективные двухступенчатые (два конденсатора или два абсорбера) бромистолитиевые АБХМ (хладагент - вода, абсорбент - бромид лития LiBr). Трёхступенчатые варианты АБХМ запатентованы в 1985-1993 годах. Их образцы-прототипы по эффективности превосходят двухступенчатые на 30–50% и приближаются к массовым моделям компрессионных установок.

Достоинства абсорбционных тепловых насосов

Главное достоинство абсорбционных тепловых насосов - это возможность использовать для своей работы не только дорогое электричество, но и любой источник тепла достаточной температуры и мощности - перегретый или отработанный пар, пламя газовых, бензиновых и любых других горелок - вплоть до выхлопных газов и даровой солнечной энергии.

Второе достоинство этих агрегатов, особенно ценное в бытовых применениях, - это возможность создания конструкций, не содержащих движущихся деталей, а потому практически бесшумных (в советских моделях этого типа иногда можно было услышать тихое бульканье или лёгкое шипение, но, конечно, это не идёт ни в какое сравнение с шумом работающего компрессора).

Наконец, в бытовых моделях рабочее тело (обычно это водо-аммиачная смесь с добавлением водорода или гелия) в используемых там объёмах не представляет большой опасности для окружающих даже в случае аварийной разгерметизации рабочей части (это сопровождается весьма неприятной вонью, так что не заметить сильную утечку невозможно, и помещение с аварийным агрегатом придётся покинуть и проветрить «автоматически»; сверхмалые же концентрации аммиака естественны и абсолютно безвредны). В промышленных установках объёмы аммиака велики и концентрация аммиака при утечках может быть смертельной, но в любом случае аммиак числится экологически безопасным, - считается, что в отличии от фреонов он не разрушает озоновый слой и не вызывает парниковый эффект.

Недостатки абсорбционных тепловых насосов

Главный недостаток этого типа тепловых насосов - более низкая эффективность по сравнению с компрессионными.

Второй недостаток - сложность конструкции самого агрегата и довольно высокая коррозионная нагрузка от рабочего тела, либо требующая использования дорогих и труднообрабатываемых коррозионно-стойких материалов, либо сокращающая срок службы агрегата до 5..7 лет. В результате стоимость «железа» получается заметно выше, чем у компрессионных установок той же производительности (прежде всего это касается мощных промышленных агрегатов).

В-третьих, многие конструкции весьма критичны к размещению при установке - в частности, некоторые модели бытовых холодильников требовали установки строго горизонтально, и уже при отклонении на несколько градусов отказывались работать. Использование принудительного перемещения рабочего тела с помощью помп в значительной степени снимает остроту этой проблемы, но подъём бесшумным термосифоном и слив самотёком требуют очень тщательного выравнивания агрегата.

В отличии от компрессионных машин абсорбционные не так боятся слишком низких температур - просто их эффективность снижается. Но я недаром поместил этот абзац в раздел недостатков, потому что это не значит, что они могут работать в лютую стужу - на морозе водный раствор аммиака банально замёрзнет в отличие от используемых в компрессионных машинах фреонов, температура замерзания которых обычно ниже –100°C. Правда, если лёд ничего не порвёт, то после оттаивания абсорбционный агрегат продолжит работу, даже если его всё это время не отключали из сети, - ведь механических насосов и компрессоров в нём нет, а мощность подогрева в бытовых моделях достаточно мала, чтобы кипение в районе нагревателя не стало слишком интенсивным. Впрочем, всё это уже зависит от особенностей конкретной конструкции...

Использование абсорбционных тепловых насосов

Несмотря на несколько меньшую эффективность и относительно более высокую стоимость по сравнению с компрессионными установками, применение абсорбционных тепловых машин абсолютно оправдано там, где нет электричества или где есть большие объёма бросового тепла (отработанный пар, горячие выхлопные или дымовые газы и т.п. - вплоть досолнечного нагрева). В частности, выпускаются специальные модели холодильников, работающие от газовых горелок, предназначенные для путешественников-автомобилистов и яхтсменов.

В настоящее время в Европе газовые котлы иногда заменяют абсорбционными тепловыми насосами с нагревом от газовой горелки или от солярки - они позволяют не только утилизировать теплоту сгорания топлива, но и «подкачивать» дополнительное тепло с улицы или из глубины земли!

Как показывает опыт, в быту вполне конкурентоспособны и варианты с электронагревом, прежде всего в диапазоне малых мощностей - где-то от 20 и до 100 Вт. Меньшие мощности - вотчина термоэлектрических элементов, а при бóльших пока безусловны преимущества компрессионных систем. В частности, среди советских и пост-советских марок холодильников этого типа были популярны «Морозко», «Север», «Кристалл», «Киев» с типичным объёмом холодильной камеры от 30 до 140 литров, хотя существуют и модели на 260 литров («Кристалл-12»). Кстати, оценивая потребление энергии, стоит учитывать тот факт, что компрессионные холодильники почти всегда работают в коротко-периодическом режиме, а абсорбционные обычно включаются на гораздо более длительный срок или вообще работают непрерывно. Поэтому, даже если номинальная мощность нагревателя будет гораздо меньше мощности компрессора, соотношение среднесуточного потребления энергии может быть совсем другим.

Вихревые тепловые насосы

Вихревые тепловые насосы используют для разделения теплого и холодного воздухаэффект Ранка. Суть эффекта заключается в том, что газ, тангенциально подаваемый в трубу на высокой скорости, внутри этой трубы закручивается и разделяется: из центра трубы можно отбирать охлаждённый газ, а с периферии - нагретый. Этот же эффект, хотя и в гораздо меньшей степени, действует и для жидкостей.

Достоинства вихревых тепловых насосов

Главное достоинство этого типа тепловых насосов - простота конструкции и большая производительность. Вихревая труба не содержит движущихся деталей, и это обеспечивает ей высокую надёжность и долгий срок службы. Вибрация и положение в пространстве практически не оказывают влияния на её работу.

Мощный поток воздуха хорошо предотвращает обмерзание, а эффективность вихревых труб слабо зависит от температуры входного потока. Очень важно и практическое отсутствие принципиальных температурных ограничений, связанных с переохлаждением, перегревом или замерзанием рабочего тела.

В некоторых случаях играет свою роль возможность достижения рекордно высокого температурного разделения на одной ступени: в литературе приводятся цифры охлаждения на 200° и более. Обычно одна ступень охлаждает воздух на 50..80°С.

Недостатки вихревых тепловых насосов

К сожалению, эффективность этих устройств в настоящее время заметно уступает эффективности испарительных компрессионных установок. Кроме того, для эффективной работы они требуют высокой скорости подачи рабочего тела. Максимальная эффективность отмечается при скорости входного потока, равной 40..50% от скорости звука - такой поток сам по себе создаёт немало шума, а кроме того, требует наличия производительного и мощного компрессора - устройства тоже отнюдь не тихого и довольно капризного.

Отсутствие общепризнанной теории этого явления, пригодной для практического инженерного использования, делает конструирование таких агрегатов занятием во многом эмпирическим, где результат сильно зависит от удачи: «угадал - не угадал». Более-менее надёжный результат даёт только воспроизведение уже созданных удачных образцов, а результаты попыток существенного изменения тех или иных параметров не всегда предсказуемы и иногда выглядят парадоксальными.

Использование вихревых тепловых насосов

Тем не менее, в настоящее время использование таких устройств расширяется. Они оправданы в первую очередь там, где уже есть газ под давлением, а также на различных пожаро- и взрывоопасных производствах - ведь подать в опасную зону поток воздуха под давлением зачастую гораздо безопаснее и дешевле, чем тянуть туда защищённую электропроводку и ставить электродвигатели в специальном исполнении.

Пределы эффективности тепловых насосов

Почему же тепловые насосы до сих пор не получили широкого распространения для обогрева (пожалуй, единственный относительно распространённый класс таких устройств - это кондиционеры с инвертором)? Причин этому несколько, и помимо субъективных, связанных с отсутствием традиций обогрева с помощью этой техники, есть и объективные, главные среди которых - обмерзание теплоотборника и относительно узкий диапазон температур для эффективной работы.

В вихревых (прежде всего газовых) установках проблем переохлаждения и обмерзания обычно нет. Они не используют изменение агрегатного состояния рабочего тела, а мощный поток воздуха выполняет функции системы «No Frost». Однако эффективность их намного меньше, чем у испарительных тепловых насосов.

Переохлаждение

В испарительных тепловых насосах высокая эффективность обеспечивается за счёт изменения агрегатного состояния рабочего тела - перехода из жидкости в газ и обратно. Соответственно, этот процесс возможен в относительно узком интервале температур. При слишком высоких температурах рабочее тело всегда останется газообразным, а при слишком низких - будет испаряться с большим трудом или вообще замёрзнет. В результате при выходе температуры за рамки оптимального диапазона наиболее энергоэффективный фазовый переход становится затруднённым или вовсе исключается из рабочего цикла, и КПД компрессионной установки существенно падает, а если хладагент останется постоянно жидким, то она вообще работать не будет.

Обмерзание

Отбор тепла из воздуха

Даже если температуры всех блоков теплового насоса остаются в нужных рамках, во время работы блок для отбора тепла - испаритель - всегда покрывается каплями влаги, конденсирующимися из окружающего воздуха. Но жидкая вода стекает с него сама по себе, не особо препятствуя теплообмену. Когда же температура испарителя становится слишком низкой, капли конденсата замерзают, а вновь конденсирующаяся влага сразу превращается в иней, который так и остаётся на испарителе, постепенно образуя толстую снеговую «шубу» - именно это происходит в морозилке обычного холодильника. В результате эффективность теплообмена существенно снижается, и тогда приходится останавливать работу и оттаивать испаритель. Как правило, в испарителе холодильника температура понижается на 25..50°С, а в кондиционерах в связи с их спецификой температурный перепад поменьше - 10..15°С.Зная это, становится понятно, почему большинство кондиционеров не удастся настроить на температуру ниже +13..+17°С - этот порог установлен их конструкторами во избежание обледенения испарителя, ведь режим его оттаивания обычно не предусматривается. Это же является одной из причин, по которой практически все кондиционеры с инверторным режимом не работают даже при не очень больших отрицательных температурах - лишь в самое последнее время стали появляться модели, рассчитанные на работу при морозах до–25°C. В большинстве случаев уже при –5..–10°C затраты энергии на оттаивание становятся сравнимы с количеством закачанной с улицы теплоты, и перекачка тепла с улицы оказывается неэффективной, особенно если влажность наружного воздуха близка к 100%, - тогда внешний теплоотборник покрывается льдом особенно быстро.

Отбор тепла из грунта и воды

В связи с этим в качестве незамерзающего источника «холодного тепла» для тепловых насосов в последнее время всё шире рассматривается тепло из земных глубин. При этом имеются в виду отнюдь не разогретые слои земной коры, находящиеся на многокилометровой глубине, и даже не геотермальные водные источники (хотя, если повезёт и они окажутся рядом, было бы глупо пренебречь таким подарком судьбы). Имеется в виду «обычное» тепло слоёв грунта, расположенных на глубине от 5 до 50 метров. Как известно, в средней полосе грунт на таких глубинах имеет температуру порядка +5°С, которая очень мало меняется в течении всего года. В более южных районах эта температура может достигать +10°С и выше. Таким образом, перепад температур между комфортной +25°С и грунтом вокруг теплоотборника весьма стабилен и не превышает 20°С независимо от мороза за окном (следует отметить, что обычно температура на выходе теплового насоса составляет +50..+60°С, но и перепад температур в 50°С вполне по силам для тепловых насосов, включая современные бытовые холодильники, спокойно обеспечивающие в морозилке –18°С при температуре в комнате выше +30°С).

Тем не менее, если закопать один компактный, но мощный теплообменник, вряд ли удастся достичь желаемого эффекта. По сути теплоотборник в этом случае выступает в роли испарителя морозильной камеры, и если в месте, где он размещён, нет мощного притока тепла (геотермального источника или подземной реки), он быстро заморозит окружающий грунт, на чём вся откачка тепла и закончится. Решением может быть отбор тепла не из одной точки, а равномерно с большого подземного объёма, однако стоимость строительства теплоотборника, охватывающего на немалой глубине тысячи кубометров грунта, скорее всего сделает это решение абсолютно невыгодным экономически. Менее затратный вариант - бурение нескольких скважин с интервалом в несколько метров друг от друга, как это было сделано в экспериментальном подмосковном «активном доме», но и это недёшево - каждый, кто делал у себя скважину для воды, может самостоятельно прикинуть затраты на создание геотермального поля хотя бы из десятка 30-метровых скважин. Кроме того, постоянный отбор тепла, хоть и менее сильный, чем в случае компактного теплообменника, всё равно снизит температуру грунта вокруг теплоотборников по сравнению с исходной. Это приведёт к уменьшению эффективности работы теплового насоса при его длительной эксплуатации, причём период стабилизации температуры на новом уровне может занять несколько лет, в течение которых условия извлечения тепла будут ухудшаться. Впрочем, можно попытаться частично компенсировать зимние потери тепла его усиленной закачкой на глубину в летнюю жару. Но даже не учитывая дополнительные затраты энергии на эту процедуру, польза от неё будет не слишком большой - теплоёмкость грунтового теплоаккумулятора разумных размеров достаточно ограничена, и на всю русскую зиму её явно не хватит, хотя такой запас тепла всё же лучше, чем ничего. Кроме того, здесь очень большое значение имеет уровень, объём и скорость течения грунтовых вод - обильно увлажнённый грунт с достаточно высокой скоростью течения воды не позволит сделать «запасы на зиму» - протекающая вода унесёт закачанное тепло с собой (даже мизерное перемещение грунтовых вод на 1 метр в сутки всего за неделю снесёт запасённое тепло в сторону на 7 метров, и оно окажется вне рабочей зоны теплообменника). Правда, то же течение грунтовых вод будет снижать степень остывания грунта зимой - новые порции воды принесут новое тепло, полученное ими вдали от теплообменника. Поэтому, если рядом есть глубокое озеро, большой пруд или река, никогда не промерзающие до дна, то лучше не копать грунт, а поместить относительно компактный теплообменник в водоём - в отличие от неподвижного грунта даже в непроточном пруду или озере конвекция свободной воды способна обеспечить гораздо более эффективный подвод тепла к теплоотборнику со значительного объёма водоёма. Но здесь необходимо убедиться, что теплообменник ни при каких условиях не переохладится до точки замерзания воды и не начнёт намораживать лёд, поскольку разница между конвекционным теплообменом в воде и теплопередачей ледяной шубы огромна (в то же время теплопроводность замёрзшего и незамёрзшего грунта часто отличается не так уж сильно, и попытка использовать огромную теплоту кристаллизации воды в грунтовом теплоотборе при определённых условиях может себя оправдать).

Принцип действия геотермального теплового насоса основан на сборе тепла из почвы или воды, и передаче в систему отопления здания. Для сбора тепла незамерзающая жидкость течет по трубе, расположенной в почве или водоеме возле здания, к тепловому насосу. Тепловой насос, подобно холодильнику, охлаждает жидкость (отбирает тепло), при этом жидкость охлаждается приблизительно на 5 °С. Жидкость снова течет по трубе в наружном грунте или воде, восстанавливает свою температуру, и снова поступает к тепловому насосу. Отобранное тепловым насосом тепло передается системе отопления и/или на подогрев горячей воды.

Возможно отбирать тепло у подземной воды - подземная вода с температурой около 10 °С подается из скважины к тепловому насосу, который охлаждает воду до +1...+2°С, и возвращает воду под землю. Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус двести семьдесят три градуса Цельсия - так называемый "абсолютный ноль".

То есть тепловой насос может отобрать тепло у любого предмета - земли, водоема, льда, скалы и т.д. Если же здание, например летом, нужно охлаждать (кондиционировать), то происходит обратный процесс - тепло забирается из здания и сбрасывается в землю (водоем). Тот же тепловой насос может работать зимой на отопление, а летом на охлаждение здания. Очевидно, что тепловой насос может греть воду для горячего бытового водоснабжения, кондиционировать через фанкойлы, греть бассейн, охлаждать, например ледовый каток, подогревать крыши и дорожки от льда...
Одно оборудование может выполнить все функции по тепло-холодоснабжению здания.

Все больше и больше интернет пользователей интересуются альтернативами способами отопления: тепловыми насосами .

Для большинства это абсолютно новая и неизвестная технология, поэтому и возникают вопросы типа: «Что такое ?», «Как выглядит тепловой насос?», «Как работает тепловой насос?» и пр.

Здесь мы постараемся просто и доступно дать ответы на все эти и еще много других вопросов, связанных с тепловыми насосами.

Что такое Тепловой Насос?

Тепловой насос - устройство (другими словами «тепловой котел»), которое отбирает рассеянное тепло из окружающей среды (грунт, вода или воздух) и переносит его в отопительный контур вашего дома.

Благодаря солнечным лучам, которые непрерывно поступают в атмосферу и на поверхность земли происходит постоянная отдача тепла. Именно таким образом поверхность земли круглый год получает тепловую энергию.

Воздух частично поглощает тепло от энергии солнечных лучей. Остатки солнечной тепловой энергии почти полностью поглощается землей.

Кроме того, геотермальное тепло из недр земли постоянно обеспечивает температуру грунта +8°С (начиная с глубины 1,5-2 метра и ниже). Даже холодной зимой температура на глубине водоемов остается в диапазоне +4-6°С.

Именно это низкопотенциальное тепло грунта, воды и воздуха переносит тепловой насос из окружающей среды в отопительный контур частного дома, предварительно повысив температурный уровень теплоносителя до необходимых +35-80°С.

ВИДЕО: Как работает тепловой насос Грунт-Вода?

Что делает Тепловой Насос?

Тепловые насосы - тепловые машины, которые предназначены для производства тепла с использованием обратного термодинамического цикла. переносят тепловую энергию от источника с низкой температурой в систему отопления с более высокой температурой. В процессе работы теплового насоса происходят затраты энергии, не превышающие объем произведенной энергии.

В основе работы теплового насоса лежит обратный термодинамический цикл (обратный цикл Карно), состоящий из двух изотерм и двух адиабат, но в отличии от прямого термодинамического цикла (прямого цикла Карно) процесс протекает в обратном направлении: против часовой стрелки.

В обратном цикле Карно окружающая среда выступает в роли холодного источника тепла. При работе теплового насоса тепло внешней среды благодаря совершению работы передается потребителю, но с уже более высокой температурой.

Передать тепло от холодного тела (грунт, вода, воздух) возможно только при затрате работы (в случае с тепловым насосом - затраты электрической энергии на работу компрессора, циркуляционных насосов и пр.) или другого компенсационного процесса.

Еще тепловой насос можно назвать «холодильником наоборот», так как тепловой насос это та же холодильная машина, только в отличии холодильника тепловой насос забирает тепло снаружи и переносит его в помещение, то есть обогревает помещение (холодильник же охлаждает путем отбора тепла из холодильной камеры и выбрасывает его через конденсатор наружу).

Как работает Тепловой Насос?

Теперь поговори о том как работает тепловой насос. Для того, что понять принцип работы теплового насоса нам нужно разобраться в нескольких вещах.

1. Тепловой насос способен извлекать тепло даже при отрицательной температуре.

Большинство будущих домовладельцев не могут понять принцип работы (в принципе любого воздушного теплового насоса), так как не понимают каким образом может извлекаться тепло из воздуха при отрицательной температуре зимой. Вернемся к основам термодинамики и вспомни определение теплоты.

Теплота - форма движения материи, представляющая собой беспорядочное движение образующих тело частиц (атомов, молекул, электронов и др.).

Даже при температуре 0˚С (ноль градусов по Цельсию), когда замерзает вода, в воздухе все еще есть теплота. Ее значительно меньше чем, например при температуре +36˚С, но тем не менее и при нулевой и при отрицательной температуре происходит движение атомов, а значит и происходит выделение теплоты.

Движение молекул и атомов полностью прекращается при температуре -273˚С (минус двести семьдесят три градуса по Цельсию), что соответствует абсолютному нулю температуры (ноль градусов по шкале Кельвина). То есть и зимой при минусовой температуре в воздухе есть низкопотенциальное тепло, которое можно извлекать и переносить в дом.

2. Рабочая жидкость в тепловых насосах - хладагент (фреон).

Что такое холодильный агент? Хладагент - рабочее вещество в тепловом насосе, которое отбирает теплоту от охлаждаемого объекта при испарении и передает тепло рабочей среде (например, воде или воздуху) при конденсации.

Особенность хладагентов в том, что они способны закипать и при отрицательных и при относительно низких температурах. Кроме того хладагенты могут переходить из жидкого состояния в газообразное и наоборот. Именно во время перехода из жидкого состояния в газообразное (испарения) происходит поглощение теплоты, а во время перехода из газообразного в жидкое (конденсации) происходит передача теплоты (отделение тепла).

3. Работа теплового насоса возможна благодаря его четырем ключевым компонентам.

Для того, чтобы понять принцип работы теплового насоса его устройство можно разделить на 4 основные элементы:

Компрессор , который сжимает хладагент для повышения его давления и температуры.
Расширительный клапан - терморегулирующий вентиль, который резко понижает давление хладагента.
Испаритель - теплообменник, в котором хладагент с низкой температурой поглощает тепло от окружающей среды.
Конденсатор - теплообменник, в котором уже горячий хладагент после сжатия передает тепло в рабочую среду отопительного контура.

Именно эти четыре компонента позволяют холодильным машинам производить холод, а тепловым насосам - тепло. Для того, чтобы разобраться как работает каждый компонент теплового насоса и для чего он нужен предлагаем просмотреть видео о принципе работы грунтового теплового насоса.

ВИДЕО: Принцип работы теплового насоса Грунт-Вода

Принцип работы теплового насоса

Теперь попытаемся подробно описать каждый этап работы теплового насоса. Как уже говорилось ранее - в основе работы тепловых насосов лежит термодинамический цикл. Это значит, что работа теплового насоса состоит из нескольких этапов цикла, которые повторяются снова и снова в определенной последовательности.

Рабочий цикл теплового насоса можно разделить на четыре следующие этапы:

1. Поглощение тепла из окружающей среды (кипение хладагента).

В испаритель (теплообменник) поступает хладагент, который находиться в жидком состоянии и имеет низкое давление. Как мы уже знаем при низкой температуре хладагент способен закипать и испаряться. Процесс испарения необходим для того, чтобы вещество поглотило тепло.

Согласно второму закону термодинамики тепло передается от тела с высокой температурой к телу с более низкой температурой. Именно на этом этапе работы теплового насоса хладагент с низкой температурой проходя по теплообменнику отбирает тепло от теплоносителя (рассола), который ранее поднялся из скважин, где отобрал низкопотенциальное тепло грунта (в случаи с грунтовыми тепловым насосами Грунт-Вода).

Дело в том, что температура грунта под землей в любое время года составляет +7-8°С. При использовании устанавливаются вертикальные зонды, по которым циркулирует рассол (теплоноситель). Задача теплоносителя - нагреться до максимально возмножной температуры во время циркуляции по глубинным зондам.

Когда теплоноситель отобрал тепло из грунта, он поступает в теплообменник теплового насоса (испаритель) где «встречается» с хладагентом, который имеет более низкую температуру. И согласно второму закону термодинамики происходит теплообмен: тепло от более нагретого рассола передается менее нагретому хладагенту.

Здесь очень важный момент: поглощение тепла возможно во время испарения вещества и наоборот, отдача теплоты происходит при конденсации. Во время нагрева хладагента от теплоносителя он меняет свое фазовое состояние: хладагент переходит из жидкого состояния в газообразное (происходит процесс закипания хладагента, он испаряется).

Пройдя через испаритель хладагент находиться в газообразной фазе . Это уже не жидкость, но газ, который отобрал тепло у теплоносителя (рассола).

2. Сжатие хладагента компрессором.

На следующем этапе хладагент в газообразном состоянии попадает в компрессор. Здесь компрессор сжимает фреон, который за счет резкого увеличения давления нагревается до определенной температуры.

Аналогичным образом работает и компрессор обычного бытового холодильника. Единственное существенное отличие компрессора холодильника от компрессора теплового насоса - значительно меньшая производительность.

ВИДЕО: Как работает холодильник с компрессором

3. Передача тепла в систему отопления (конденсация).

После сжатия в компрессоре хладагент, который имеет высокую температуру поступает в конденсатор. В данном случае конденсатор - это тоже теплообменник, в котором во время конденсации происходит отдача теплоты от хладагента к рабочей среде отопительного контура (например воде в системе теплых полов, или радиаторов отопления).

В конденсаторе хладагент из газовой фазы снова переходит в жидкую. Этот процесс сопровождается выделением тепла, которое используется для системы отопления в доме и горячего водоснабжения (ГВС).

4. Понижение давления хладагента (расширение).

Теперь жидкий хладагент нужно подготовить к повторению рабочего цикла. Для этого хладагент проходит через узкое отверстие термо-регулирующего вентиля (расширительного клапана). После «продавливания» через узкое отверстие дросселя хладагент расширяется, вследствие чего падает его температура и давление.

Этот процесс сравним с распылением аэрозоля из балончика. После распыления балончик на короткое время становиться холоднее. То есть произошло резкое падение давления аэрозоля вследствие продавливания наружу, температура соответственно тоже падает.

Теперь хладагент снова находиться под таким давлением, при котором он способен закипеть и испаряться, что необходимо нам для поглощения тепла от теплоносителя.

Задача ТРВ (термо-регулирующий вентиль) - снизить давление фреона путем расширения его на выходе из узкого отверстия. Теперь фреон снова готов закипать и поглощать тепло.

Цикл снова повторяется до тех пор, пока система отопления и ГВС не получит от теплового насоса необходимый объем тепла .