Тепловым насосом называется устройство, предназначенное для переноса тепловой энергии от источника, имеющего низкую температуру, к источнику, имеющему более высокую температуру.
О чем идет речь
Любое тело, нагретое до определенной температуры, имеет запас тепловой энергии, прямо пропорциональной теплоемкости этого тела, и его массе, а также значению его абсолютной температуры.
Если это тело охладить, то нетрудно догадаться, что при этом произойдет выделение тепловой энергии, подсчитать значение которого можно по формуле
Q=CM(T2-T1)
Q-количество выделенной тепловой энергии
C-теплоемкость вещества
M-его масса
T1 T2 разность температур, на которую было произведено охлаждение тела
При этом не имеет значения, охлаждали тело от температуры 100 Цельсия до температуры 80 градусов Цельсия, или от 20 градусов Цельсия до нуля градусов Цельсия. И в первом и во втором случае выделение тепла будет одинаковым.
Остается одно: использовать выделенную тепловую энергию в соответствии с существующими потребностями, одна из которых в нашей стране стоит особенно остро, это отопление жилых и производственных зданий в зимнее время года.
Где взять тепло?
Источником тепловой энергии может стать наша планета. На сегодняшний день никого не удивишь тем, что энергия солнца и ветра преобразуется в тепловую и электрическую энергию, пригодную для отопления и электрификации загородного дома. При этом далеко не все знают и помнят о том, что наша планета на определенном расстоянии от поверхности земли, имеет постоянно приблизительно одну и ту же температуру в любое время года, а значит, имеет практически постоянный запас тепловой энергии.
Нетрудно произвести небольшой расчет, на основе приведенной ранее формулы, с учетом того, что масса твердой оболочки земли составляет 5,98 х1024килограммов, и сделать вывод о том, что планета, (без учета атмосферы) имеет колоссальный запас энергии. Даже в сильный мороз ее поверхность на глубине двух-трех метров, сохраняет постоянную положительную температуру, значение которой различно в зависимости от наличия геотермальных источников и течений.
В качестве иллюстрации можно привести простой пример: зимой, даже в сильные мороз, под слоем снега, выступающем в роли теплоизоляционного материала, сохраняются все растения и живые организмы. При этом снег препятствует потере тепла земли в атмосферу. Другими словами, сохраняет все живое под слоем снега именно теплая масса земли.
Ну и что?
Итак, источник тепловой энергии установлен: это наша планета. Остается только понять, как взять тепло у того, что нагрето меньше, и передать его тому, что нагрето больше?
Для этого используются тепловые насосы. По сути, речь идет о преобразованном (перевернутом) холодильнике, знакомом сегодня каждому.
Немного забегая вперед, скажем, что и в тепловом насосе и в обычном бытовом холодильнике имеется дросселирующее устройство, компрессор, испаритель и конденсатор, что позволяет еще раз подчеркнуть сходство принципа их работы. Различие состоит только в настройках. При этом тепловой насос и бытовой холодильник имеют даже внешнее сходство.
В процессе эксплуатации холодильник выбрасывает наружу тепло, генерируя холод внутри холодильной камеры. Тепловой насос, наоборот, выбрасывает «холод», генерируя тепло внутри помещения, по сути, абсолютно аналогичного той самой холодильной камере. Если учесть, что в пищевых предприятиях холодильниками являются целые цеха, то понятно, что различия между этими двумя устройствами в принципе нет.
Немного истории
История появления на свет идеи теплового насоса уходит корнями в далекий 1852 год и принадлежит знаменитому лорду Кельвину. Но идея идей, а первый проект этого устройства разработал и предложил на суд широкой публики Петер Риттер фор Риттенгер в 1855 году.
И все же практическое применение тепловой насос получил лишь в сороковые годы прошлого столетия и то, благодаря «счастливому случаю».
Судите сами. Пожалуй, каждый человек, хотя бы однажды столкнулся с тем, что работающий бытовой холодильник выделяет в помещение, в котором он установлен, тепловую энергию. Именно по этой причине его рекомендуют устанавливать таким образом, чтобы он не прикасался к стенам и к другим предметам и имел свободное пространство
для отвода тепла.
И только Роберт Вебер, «Кулибин» из Швейцарии, решил использовать тепло, выделяемое морозильной камерой, для нагрева воды в бойлере. Полученный эффект превзошел все ожидания. Нагретой воды оказалось достаточно не только для хозяйственных нужд, но и для отопления помещения. Правда, при этом пришлось попутно придумать специальный змеевик, по которому прогонялась горячая вода, а тепловая энергия распространялась по дому с помощью небольшого вентилятора.
Позже именно Роберту Вебберу пришла идея использовать для отопления тепло земных недр, где температура всегда постоянна. Для этого он установил в скважину все тот же змеевик, по которому циркулировал фреон, отбирающий тепловую энергию у земли и доставляющий ее в дом. Здесь газ конденсировался, отдавая запас своей энергии, и вновь уходил в скважину, где получал новую порцию тепла. Следует отметить, что Веберу удалось получить отличный тепловой эффект и даже полностью отказаться от обычной системы отопления на основе угольной печи.
И все же в начале, тепловой насос рассматривался как забавное изобретение и не более. Настоящий интерес возник к нему значительно позже, в период бурного развития альтернативной энергетики.
Как работает тепловой насос
В основе принципа действия теплового насоса лежит цикл Карно, хорошо известный практически всем из курса физики средней школы.
Чтобы понять, как именно работает тепловой насос, вначале перечислим элементы, составляющие схему этого устройства.
Компрессор, включаемый в обычную электрическую сеть
Конденсатор
Испаритель
Капилляр
Хладагент (газ, чаще всего фреон, циркулирующий в системе и обладающий требуемыми физическими свойствами)
Терморегулятор, позволяющий контролировать процесс использования тепловой энергии
В испарителе происходит расширение поступающего в него через капилляр хладагента, что приводит к уменьшению его давления и последующему испарению. При испарении газ охлаждается и активно отбирает тепло у стенок испарителя. Тот в свою очередь, забирает тепло у массы земли, постоянно охлаждая ее.
Далее происходит всасывание хладагента из испарителя компрессором, сжатие его и последующее выталкивание в конденсатор. При этом температура хладагента повышается и находится в интервале от 80 до 120 градусов Цельсия. Здесь хладагент отдает свою тепловую энергию, переходит в жидкое состояние и процесс повторяется вновь.
Компрессор работает до той поры, пока не достигнута заданная температура в системе, установленная с помощью терморегулятора. Затем электрическая цепь разрывается и процесс останавливается.
Повторное включение работы компрессора и всего теплового насоса происходит автоматически при уменьшении температуры нагрева ниже требуемого параметра. При этом используются два источника энергии: тепло контура земли и электрическая энергия, необходимая для работы компрессора. Но при распределении доли потребленной энергии выходит, что для отопления дома 70% тепловой энергии получается бесплатно, за счет энергии недр земли, а 30% приходится на затраты электрической энергии. Есть, о чем подумать.
Эффективность теплового насоса
Напомним, что в основе его действия лежит принцип, описанный циклом Карно, а это значит, что и эффективность теплового насоса можно определить, используя коэффициент трансформации энергии, применимый для описания идеального цикла Карно:
где Tout, Tin — температуры соответственно на выходе и на входе насоса.
Иными словами, Тоut характеризует запас тепловой энергии или температурный потенциал тепла, используемого для дальнейшего отопления дома
Тогда, Тіn –не что иное, как температурный потенциал самого источника тепловой энергии.
Получается, что коэффициент трансформации энергии ив тепловом насосе представляет собой отношение тепла, используемого для отопления дома (полезного тепла), к энергии, необходимой для обеспечения работы всей системы теплового насоса.
Его численное значение представляет собой то количество полезного тепла, которое удается получить при температурах Тоut и Тin, при затрате на работу теплового насоса единицы энергии. При этом речь идет об идеальном коэффициенте трансформации, который отличается от реального коэффициента, при расчете которого необходимо учитывать степень термодинамического совершенства системы, наличие тепловых потерь и гидравлического сопротивления системы.
Как видите, работа теплового насоса, (как в принципе и любого холодильного оборудования, с которым сравнивается тепловой насос), возможна лишь при подключении его к электрической сети. При этом коэффициент преобразования зависит от температуры среды, используемой в качестве источника тепловой энергии, и температуры на выходе устройства. Его значение колеблется от 2.5 до 5. Это значит, что при расходе 1кВт электрической энергии, удается получить от пяти до двух с половиной киловатт тепловой энергии.
На выходе тепловой насос обеспечивает температуру теплоносителя в диапазоне от тридцати пяти до пятидесяти градусов Цельсия, что идеально подходит при устройстве широко распространенного сегодня «деликатного» отопления, в основе которого лежит использование слабо нагретого теплоносителя в системе водяного отопления.
На сегодняшний день тепловые насосы с огромным успехом используется в Японии и в скандинавских странах, где с их помощью удается снизить затраты на обычное отопление на 70%. Следует также отметить, что сегодня промышленность развитых стран предлагает различные виды тепловых насосов, мощность которых колеблется от десятка до тысячи киловатт.
Виды тепловых насосов
На сегодняшний день существует несколько видов тепловых насосов. В частности, в зависимости от вида используемой тепловой энергии, их можно условно разделить на
Горизонтальные геотермальные
Вертикальные геотермальные
Водные
Воздушные
В зависимости от используемого принципа работы и конструктивных особенностей, на
Абсорбционные
Компрессионные
При этом следует помнить, что отбор тепла может вестись из воды, грунта, воздуха и из скальной породы.
В частности, горизонтальные геотермальные тепловые насосы устанавливаются в выработках или траншеях ниже точки промерзания грунта. При этом коллектор выполняется в виде спиралей или колец. Такой тепловой насос является самым приемлемым для отопления больших площадей, но его использование возможно лишь при наличии особых условий (достаточного количества свободной земли).
Вертикальные геотермальные насосы являются самыми эффективными, но их использование возможно только при наличии скважин.
Водные тепловые насосы предназначены для использования тепла водоемов. В этом случае коллекторы устанавливаются на глубине, на которой вода в водоеме никогда не замерзает.
Воздушные тепловые насосы особенно эффективны при использовании на производстве, где неизбежны потери тепла, связанные с технологическим процессом. Их можно устанавливать в любом месте, в том числе и в шахте теплотрассы, где имеется неиспользуемый нагретый воздух.
Заключение
Использование теплового насоса в загородном доме можно смело назвать универсальной системой отопления, позволяющей зимой поддерживать комфортные условия в доме, согревая его теплом земных недр, а летом, напротив, обеспечивать в нем прохладу, с помощью все тех же земных недр.
