Тепловой насос: принцип работы

86

Тепловые насосы прекрасно зарекомендовали себя во многих странах мира. Однако российские домовладельцы пока нечасто отдают предпочтение этому способу отопления. И совершенно напрасно!

Тепловой насос—термодинамический агрегат, с помощью которого тепло от источника с низкой температурой (от низкопотенциального источника) передаётся потребителю c более высокой температурой. При этом для поддержания процесса теплопередачи затрачивается некоторая механическая энергия. Источниками низкопотенциальной энергии могут быть наружный воздух, грунтовое тепло, тепло водоёмов и подземных вод. С помощью тепловых насосов легко осуществляется рекуперация тепла из удаляемого вентиляционного воздуха, канализационных стоков, промышленных сбросов и от технологических процессов, выделяющих тепло, что существенно сберегает тепловую энергию. Следовательно, тепловые насосы можно использовать не только для отопления и горячего водоснабжения, но и в интегрированной системе — для регенерации тепла из бытовых стоков и вентиляции.

СХЕМА КОМПОНОВКИ СИСТЕМЫ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Познакомимся с устройством теплового насоса (ТН), извлекающего тепло из среды с невысокой положительной температурой и отдающего его в систему отопления жилища и на подогрев воды. В агрегат входят: 1—трубопроводный контур с насосом, заполненный жидкостью с низкой температурой замерзания и обеспечивающий забор низкопотенциальной теплоты воды (грунтовой или из водоёма), земли или воздуха; 2—испаритель; 3—компрессор с механическим приводом; 4—конденсатор; 5—дроссельный клапан; 6—тепловой аккумулятор; 7—отопительный контур. Четыре основных узла конструкции ТН (2, 3, 4, 5) соединены герметичными трубопроводами, в которых циркулирует рабочая жидкость (вещество) с очень низкой температурой кипения при нормальном атмосферном давлении. При циркуляции рабочее вещество (его аналог в холодильнике называют хладагентом), находясь в испарителе 2, при низком давлении закипает и, испаряясь, поглощает низкопотенциальное тепло, принесённое из окружающей среды внешним контуром 1. Затем при затрате механической энергии (в нашем случае— путем сжатия в компрессоре 3) давление рабочего вещества, находящегося в газообразном состоянии, принудительно повышают, в результате чего оно разогревается до высокой температуры. В конденсаторе (который служит теплообменником) теплота этого сжатого горячего теплоносителя нагревает воду в тепловом аккумуляторе 6, которую используют для системы отопления 7 и горячего водоразбора. Отдав тепло, рабочее вещество компрессорного контура конденсируется и переходит из газообразного в жидкое состояние. Конденсат рабочего вещества, проходя через дроссельный клапан малого сечения, попадает в объём испарителя с меньшим давлением и вскипает при имеющейся в нём температуре. При этом температура ещё понижается, да так сильно, что в испарителе рабочее вещество опять может поглощать тепло окружающей среды, приносимое первичным контуром из земли или других источников—воды, воздуха, устройств регенерации тепла бытовых или промышленных сбросов.

Таким образом реализуется непрерывный круговой процесс переноса теплоты с низкого температурного уровня на высокий. Для этого требуются энергетические затраты, но они в несколько раз меньше получаемой энергии и расходуются с пользой вместе с привнесённым теплом. Для оценки эффективности ТН служит коэффициент преобразования m, равный отношению отдаваемой насосом энергии к энергии, потребляемой компрессором для функционирования всей установки. В современных теплонасосных системах этот коэффициент имеет значение 3 и более. Не углубляясь в тонкости термо- динамических процессов, необходимо отметить, что существует зависимость коэффициента преобразования от разности температуры во входном и выходном контурах теплового насоса. Чем меньше перепад этих температур, тем выше экономия расходуемой компрессором электроэнергии. Вот почему выгоднее обогревать дом тёплыми полами с температурой +25…+35°C, чем стандартными радиаторами, нагретыми до +70…+90°C. В этом случае коэффициент m может достигать значения 4,5 и более. Окружающая нас среда буквально насыщена теплом. Если температуру на поверхности Земли сравнить с температурой в космическом пространстве, то станет понятно, насколько тепло на нашей планете. Причём это тепло в обозримом будущем остаётся неисчерпаемым. Солнце нагревает земную поверхность, но и недра тоже отдают тепло верхним слоям грунта. Благодаря этому температура в грунте на глубине 4–5 м и более практически постоянна. В средней полосе России она составляет +4…+8°C. А мы только и знаем, что жалуемся на недостаток энергоресурсов! Низкопотенциальное тепло грунта—это надежный, постоянно пополняемый кладезь энергии.

Исследования показали, что при максимальном отборе тепла скважиной ТН температура вокруг неё понижается на величину, которой практически можно пренебречь, так как она быстро восстанавливается при уменьшении отбора и годами остаётся на одном уровне. Перспективно и использование тепла подземных вод и водоёмов. Подробнее остановимся на грунтовых ТН. Их можно разделить на несколько различающихся между собой систем. Прежде всего это насосы с открытым циклом, когда вода, имеющая положительную температуру, забирается непосредственно из водоносного горизонта и после охлаждения при отборе тепла возвращается обратно.

Более распространены системы с закрытым циклом, при котором теплоноситель прокачивается через замкнутый трубопроводный контур, который размещён в грунте или уложен по дну открытого водоёма. Контур съёма тепла можно положить горизонтально в глубокой траншее или установить вертикально в скважине. При выборе между вертикальным зондом или горизонтальным коллектором следует учитывать, что в первом случае каждый погонный метр скважины отдаёт 50 Вт тепловой энергии, а коллектор — всего лишь 20 Вт. Кроме того, коллектор за отопительный сезон сильно выхолаживает грунт, что приводит к падению эффективности теплонасосной установки. Однако бурение скважины обходится значительно дороже.

Использовать системы ТН, несмотря на пока ещё высокую стоимость их сооружения (60 тыс. руб. за 1 кВт тепловой мощности), выгодно — ввиду полного отсутствия необходимости в транспортировке и хранении топлива. На участке освобождается территория от склада с топливом и подъездного пути к нему. Сама же установка весьма компактна и может быть размещена в полуподвальном помещении. Вложенные в систему ТН средства окупаются за счёт сбережения электроэнергии и отказа от закупок топлива. Важно и то, что установки не наносят вреда окружающей среде. Система управления ТН автоматически поддерживает режим работы, сохраняющий параметры обеспечения теплом жилого дома.

 

Может показаться, что разговоры о тепловых насосах — это пропаганда сравнительно нового направления в энергетике. Между тем технология получения тепла из земли не нова и применяется по всему миру с 80-х годов прошлого века. Только за 2010 год тепловые насосы, например, в США выработали 3 млн кВт, а в настоящее время эта цифра приближается к 5 млн. То ли еще будет!

Статья из специального выпуска “Автономный дом”

Последние статьи

Оставить комментарий

Заполните обязательные поля(*), либо авторизуйтесь через соц. сети: