Принцип действия теплового насоса

Тепло и уют, комфорт и надежность — вот ощущения, которые дает нам дом. Особенно важно для человека тепло, а оно зависит от наличия хорошей системы отопления. Климат у нас умеренно-холодный, и, чтобы дом был теплым и уютным, требуется качественное отопление. Такое, например, которое обеспечивают тепловые насосы.

Слух об этом «чуде техники» ширится в нашей стране, особенно среди тех, кто регулярно посещает строительные выставки. Однако широкого распространения идея пока не получила.

Связано это в первую очередь с дороговизной системы, но не хватает и понимания. Многим кажется, что тепловой насос — это нечто новое, громоздкое, мало для нас применимое.

Между тем принцип действия теплового насоса, который можно назвать «холодильником наоборот» и «умно жителем тепла», изобрел Кельвин еще в 1852 году. Но лишь в начале XXI века, когда цены на энергоносители резко пошли вверх, а ограниченность запасов природных ресурсов стала очевидной, такой принцип теплоснабжения оказался необходимым и эффективным решением. Сейчас тепловые насосы — это наиболее современная технология, доведенная до массового рынка.

Подобные устройства весьма популярны во всех развитых странах мира, поскольку представляют способ отопления, альтернативный сжиганию топлива, центральному отоплению и электрообогреву. Однако пока что не в нашей стране…

Тепловым насосом называется устройство, преобразующее низкотемпературное тепло источника тепла в высокотемпературное тепло, необходимое для отопления помещения (схема 1).

Схема 1. С тепловым насосом возможна передача тепла от холодного тела горячему телу

Источником тепла при этом могут быть земля, вода, воздух, причем все эти элементы являются источниками низкотемпературного тепла. Кстати, именно этот процесс осуществляет обычный домашний холодильник, отнимая тепло у охлаждаемых продуктов и выделяя его в воздух помещения.

Правда, как и холодильнику, тепловым насосам требуется электроэнергия. Однако их отличительная особенность состоит в том, что, затратив 1 кВт электроэнергии на работу компрессора и насосов, они выдают 3-5 кВт тепловой энергии. Одним из преимуществ теплового насоса является то, что он может, не только отапливать дома и готовить горя чую воду для хозяйственных нужд. При наличии реверсивного режима такой насос в летний период способен охлаждать воздух в помещении.

Успешность и эффективность применения теплового насоса зависит от ряда факторов: откуда будет браться первичное тепло (земля, вода, воздух), от способа обогрева дома (радиаторное отопление, теплый пол), от других его особенностей (утепление дома, герметичность окон и т.д.). Тепловой насос особенно эффективен при использовании низкотемпературного режима отопления (теплый пол) в хорошо утепленном здании.

Классификация. Тепловые насосы подразделяются на несколько видов в за­висимости от используемого источника тепла п среды, с помощью которой тепло передается. В обозначении вида насоса присутствует словосочетание, отражающее «источник тепла способ обогрева». Так, например, насосы вида «грунт-вода» используют тепловую энергию земли и передают ее для обогрева дома через водяное отопление. Есть также насосы видов «вода-вода», «грунт-воздух», «вода-воздух», «воздух-вода» и «воздух-воздух». У каждого из этих типов насосов есть свои преимущества и недостатки, о чем и пойдет речь ниже.

Грунт — универсальный источник тепла, поскольку он одновременно аккумулирует солнечную энергию и подогревается от земного ядра. Грунт всегда «под ногами» и может отдавать свое тепло вне зависимости от капризов погоды, поскольку на глубине ниже 10 м температура практически постоянна в течение всего года. Она составляет около +10.°С, независимо оттого, находитесь ли вы в Крыму, в Чернигове или даже в Мурманске.

Грунтовые тепловые насосы работают по принципу «грунт-вода» и в качестве источника тепла используют энергию земли.

Теплообменник такого насоса бывает двух типов: коллектор и зонд (схема 2 и схема 3). Оба они выполняются чаще всего из полиэтиленовых труб диаметром 25-40 мм. Чем больше диаметр, тем лучше осуществляется отбор тепла, однако увеличивается и стоимость системы. Есть и системы, в которых в качестве теплообменника применяются медные трубы, но в силу высокой стоимости (не оправдываемой их эффективностью) они не получили широкого распространения.

Схема 2. Горизонтальный коллектор

Солнечная энергия, накопленная в грунте, собирает ся при помощи полиэтиленовых труб

Схема 3. Грунтовый зонд

Геотермальная энергия добывается при помощи У-зонда, помещенного в глубокую скважину

Энергия собирается теплообменником, заглубленным в землю. В тепловом насосе есть испаритель, компрессор, конденсатор и сбросной клапан. Энергия от земли аккумулируется, носителем, в качестве которого чаще всего используется незамерзающая жидкость (антифриз), также называемая «рассолом». Антифриз (температура 0°С), опускаясь вниз по теплообменнику, забирает у грунта (постоянная температура +10°С) примерно 3-4 градуса тепла и передает их фреону, циркулирующему во внутреннем контуре теплового насоса. Фреон нагревается от -6°С до -3 или -2°С; при такой температуре он закипает и, проходя через каналы испарителя, начинает испаряться. Образовавшийся пар втягивается в компрессор, сжимается там, увеличивая при этом свою температуру до 60-80°С. Затем горячий сжатый пар направляется в теплообменник конденсатора, где охлаждается, передавая тепло воде. Вода используется в системе отопления и горячего водоснабжения, а фреон, пройдя через сбросной клапан (здесь его давление снижается с 26 до 4 бар), вновь переходит в жидкое состояние и возвращается за новой порцией тепла. Па этом цикл завершается, а затем повторяется снова и снова.

Летом такие тепловые насосы переда ют излишки тепла в доме через теплообменник в обратном направлении — в помещении поддерживается прохлада. В этом случае насос, но сути, работает в режиме кондиционирования.

Схема 4. Принцип работы грунтового коллектора

Грунтовый коллектор (горизонтальный) (схема 4), собирает тепло, накопленное в верхних слоях почвы в результате солнечного излучения. Он представляет собой несколько контуров полиэтиленовых труб (диаметр 32 мм, длина каждой до 200 м), горизонтально уложенных под слоем грунта. Для эффективной работы системы (исходя из особенностей грунта, его теплопроводности и геометрии участка) выбирается определенная схема раскладки трубы: петля, змейка, зигзаг, плоские и винтовые спирали разных форм.

Производительность теплосбора увеличивается на влажных грунтах и уменьшается па сухих песчаных участках, но в среднем для отопления дома площадью 150-200 м2 придется уложить порядка 400-650 м трубопровода, несколькими петлями-контурами. Для этого нужен участок площадью пример но 300-400 м2, то есть в 1,5-2 раза больше, чем отапливаемая площадь дома. Необходимость в большом пространстве, не занятом строениями, является определенным недостатком этого вида системы. Использовать такой участок можно только в качестве лужайки или цветника.

Температура слоя грунта вокруг труб постепенно снижается, причем тем сильнее, чем выше производительность теплового насоса. Потому главная задача — рассчитать и смонтировать такую систему, чтобы грунт неглубокого слоя (около 2 м) не переохлаждался.

Главным преимуществом этого метода является сравнительная простота монтажа и то, что при прочих равных условиях работа по оборудованию обойдется немного дешевле, чем бурение скважин, необходимых для оборудования системы по следующему методу.

Грунтовые зонды (схема 5) представляют собой систему длинных труб, опускаемых в скважину (или несколько скважин) глубиной 50-100 м. Здесь не требуется большого участка свободной земли, но приходится выполнять дорогостоящие бурильные работы. Зато на большой глубине температура грунта более стабильна, потому эффективность теплосъема у таких труб выше, чем у горизонтального коллектора.

Конструкции зонда бывают разные, но чаще всего применяется ГГ-образная. В этом случае трубы герметично соединяются внизу, образуя длинный ЦТ-образный канал, заполненный анти­фризом, причем в зонде может быть две и больше петель. По одной линии «рассол» подается циркуляционным насосом вниз, по другой — поднимается вверх, к испарителю. Пространство в скважине вокруг зонда заполняется бурильным раствором или цементно-бетонной смесью для защиты труб от повреждений и улучшения теплопередачи.

Кстати, вместо одной скважины глуби ной 100 м можно сделать несколько глубиной 30-50 м, расположив их в 6-7 м друг от друга и соединив сверху в одну трубу, которая по траншее подводится к дому. Для дома площадью 150-200 м понадобится 5-6 скважин глубиной порядка 50 м. Располагать скважины следует не ближе 2 м от стены дома, чтобы не повредить фундамента.

Стоит отметить, что, но соотношению цепа/эффективность вариант «грунт-вода» является наиболее целесообразным, потому и распространен у нас больше, чем остальные виды.

В тепловых насосах, работающих по принципу «грунт-воздух», тепловая энергия также берется у грунта и через компрессор напрямую передается воздуху, который используется для отопления зданий.

Вода также привлекательный источник тепла, довольно стабильный и очень эффективный. Проблема лишь в том, что водоемы есть не у каждого дома. Но если рядом с вашим домом имеется река или пруд, то можно использовать тепловой насос, работающий, но схеме «вода-вода» (схема 6).

Источником тепла могут быть и грунтовые воды, но не везде их можно найти, да и тогда потребуется бурение, так что эффективнее использовать или энергию грунта, или поверхностные воды. Тепловые насосы, использующие в качестве источника тепла воду, конструктивно практически не отличаются от тех, которые работают от грунта. Петля с трубой укладывается на дно водоема и притапливается грузом. Либо устанавливается в донном грунте, температура которого чуть выше, чем температура воды.

В случае работы теплового насоса по принципу «вода-воздух» тепловая энергия передается воздуху.

В условиях нашего климата насосы вида «воздух-воздух» и «воздух-вода» схожи по принципу работы с кондиционерами. Они проигрывают другим видам насосов по универсальности — все-таки из морозного воздуха много тепла не соберешь. Поэтому наиболее эффективно их применение на юге Украины, где зимы теплее, а в целом по стране они в первую очередь подойдут для нагрева воды. 11о при температурах до -20.°С они могут использоваться и для отопления дома средней и небольшой площади. Стоят такие насосы дешевле, а за счет того, что для них не требуется прокладка труб или бурение скважин, стоимость установки существенно уменьшается.

Конструктивно устройства такого типа выполняются в двух вариантах: сплит или моно. Первый означает, что установка состоит из двух блоков, соединенных инженерными коммуникациями.

Наружный блок включает в себя мощный вентилятор и испаритель; он монтируется на участке недалеко от дома. Внутренний блок содержит конденсатор и автоматику. При этом компрессор может располагаться как во внутреннем блоке, гак и в наружном, чтобы избежать шума в помещении. В моноблоках же все элементы собираются в едином корпусе и монтируются либо в доме, соединяясь с улицей гибким воздуховодом, либо снаружи.

Кстати, дополнительным преимуществом такого типа насосов является то, что они улучшают вентиляцию здания. Это актуально в наше время в связи с широким распространением герметичных стеклопакетов для окон. Многие насосы такого типа могут также использовать тепло воздуха помещений.

Как уже отмечалось, эффективность работы теплового насоса не в последнюю очередь зависит от того, как оборудована система отопления в доме. Связано это с низкотемпературным ре жимом нагрева воды (до 60°С). Это значит, что радиаторы требуется ставить панельные и увеличенной площади. А более всего подходит для тепловых насосов напольное водяное отопление.

Отметим и вот какой момент. Установив современную и эффективную систему отопления, потребитель вправе требовать возможности регулирования температуры в различных помещениях. Делается это обычно двумя способами — либо изменением расхода горячей воды на отопление данного помещения, либо сменой входной температуры воды.

Для более плавной работы теплового насоса необходима установка в системе отопления теплоаккумулирующего бака, который помогает обеспечить бесперебойную подачу горячей воды при пиковых нагрузках.

Преимущества тепловых насосов

Во-первых, система очень долговечна — например, срок службы грунтовых зондов может достигать и 100 лет. Ну а сами тепловые насосы, вне зависимости от их вида, работают по 15-20 и более лет. Из строя в насосе может выйти только компрессор, но он легко заменяется по истечении срока эксплуатации. Поэтому тепло вой насос — это долгосрочная инвестиция в будущее, причем традиционное отопительное (в т.ч. и газовое) оборудование за такой же период времени придется заменить не один раз — то ли в связи с приходом в негодность, то ли из соображений безопасности.

В системе нет топлива, от­крытого огня или опасных га зов, ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов, потому тепловые насосы совершенно безопасны.

Удобна и возможность повсеместного применения тепловых насосов: ведь источники тепла, используемые ими, — грунт, воздух и вода, которые можно найти в любом уголке страны и даже планеты. Единственное, что требуется, — это наличие электричества, хотя есть модели, в которых для привода компрессора можно использовать двигатели внутреннего сгорания в качестве временного решения.

И, конечно же, большим преимуществом является экологическая чистота системы. Ведь тепловые насосы не образуют вредных окис лов, применяемые в них фреоны не содержат хлоруглеродов и озонобезопасны. Следовательно, тепловые насосы не только создадут комфортные климатические условия в доме, но и сберегут здоровье обитателям дома, да и потомкам.