- Історія теплового насоса
- Пристрій і принцип дії теплового насоса
- Типи теплосборник для теплових насосів
- на завершення
У цій статті: історія створення теплового насоса; як влаштований і працює тепловий насос; види теплових насосів; теплова енергія з повітря, води і грунту; на завершення - плюси і мінуси теплових насосів.
З метою перемогти зимову холоднечу, домовласники нишпорять в пошуках енергоносіїв і відповідних опалювальних котлів, заздрячи щасливцям, до будинків яких підведені комунікації, що забезпечують природним газом. Щозими в печах спалюються тисячі тонн деревини, вугілля, нафтопродуктів, витрачаються мегавати електроенергії на астрономічні суми, що зростають із кожним роком, і здається, що іншого виходу просто немає. Тим часом один постійний джерело теплової енергії завжди знаходиться поряд з нашими будинками, проте помітити його в цій якості населенню Землі досить складно. А що, якщо використовувати для опалення будинків тепло нашої планети? І відповідне пристрій для цього є - геотермальний тепловий насос.
Історія теплового насоса
Теоретичне обґрунтування роботи таких пристроїв в 1824 році привів французький фізик Саді Карно, опублікувавши свою єдину роботу про парових машинах, в якій був описаний термодинамічний цикл, через 10 років математично і графічно підтверджений фізиком Бенуа Клайперона і отримав назву «цикл Карно».
Перша лабораторна модель теплового насоса була створена англійським фізиком Вільямом Томсоном, лордом Кельвіном в 1852 році, під час проведених ним дослідів з термодинаміки. До речі, свою назву тепловий насос отримав саме від лорда Кельвіна.
Вільям Томсон, барон Кельвін
Промислова модель теплового насоса була побудована в 1856 році австрійським гірським інженером Петером фон Ріттінгером, що використав цей пристрій для випаровування розсолу і осушення солончаків з метою видобутку сухої солі.
Петер Ріттер фон Ріттінгер
Однак своїм застосуванням в опаленні будинків тепловий насос зобов'язаний американському винахіднику Роберту Уебберу, експериментувати в кінці 40-х років минулого століття з морозильною камерою. Роберт звернув увагу, що виходить з морозильної установки труба гаряча і вирішив використовувати це тепло на побутові потреби, подовживши трубу і пропустивши через бойлер з водою. Ідея винахідника виявилася успішною - з цього моменту гарячої води у домочадців було в надлишку, частина тепла при цьому витрачалася безцільно, йдучи в атмосферу. Уеббер не міг з цим змиритися і додав до висновку з морозильника змійовик, поруч з яким поставив вентилятор, отримавши в результаті установку для повітряного опалення будинку. Через деякий час винахідливий американець здогадався, що можна добувати тепло в буквальному сенсі з землі під його ногами і зарив на деяку глибину систему мідних труб, з циркулювали по них фреоном. Газ збирав тепло в землі, доставляв в будинок і віддавав його, а після повертався назад в підземний теплосборник. Тепловий насос, створений Уеббером, виявився настільки ефективним, що той повністю перевів опалення будинку на цю установку, відмовившись від традиційних опалювальних приладів і енергоносіїв.
Тепловий насос, винайдений Робертом Уеббером, довгі роки вважався, скоріше, безглуздістю, ніж дійсно ефективним джерелом теплової енергії - нафтові енергоносії були в надлишку, за цілком прийнятними цінами. Зростання інтересу до поновлюваних джерел тепла виник на початку 70-х, завдяки нафтовому ембарго 1973 року, в ході якого країни Перської затоки одностайно відмовилися постачати нафту в США і Європу. Дефіцит нафтопродуктів викликав різкий стрибок цін на енергоносії - терміново знадобився вихід із ситуації. Незважаючи на подальшу скасування ембарго в 1975 році і відновлення поставок нафти, європейські та американські виробники впритул зайнялися розробками власних моделей геотермальних теплових насосів, сталий попит на які з тих пір тільки зростає.
Пристрій і принцип дії теплового насоса
У міру занурення в земну кору, на поверхні якої ми живемо і чия товщина складає на суші близько 50-80 км, підвищується її температура - це пов'язано з близькістю верхнього шару магми, температура якого приблизно дорівнює 1300 ° С. На глибині від 3 метрів температура грунту в будь-який час року позитивна, з кожним кілометром глибини вона підвищується в середньому на 3-10 ° С. Зростання температури грунту з його глибиною залежить не тільки від кліматичної зони, але і від геології грунтів, а також ендогенної активності в даному районі Землі. Наприклад, в південній частині африканського континенту зростання температури на кілометр глибини грунту становить 8 ° С, а в штаті Орегон (США), на території якого відзначена досить висока ендогенна активність - 150 ° С на кожен кілометр глибини. Однак для ефективної роботи теплового насоса, що підводить до нього тепло зовнішній контур зовсім не потрібно заривати на сотні метрів під землю - джерелом теплової енергії може бути будь-яке середовище, що має температуру більше 0 ° С.
Тепловий насос здійснює перенесення теплової енергії з повітря, води або ґрунту, підвищуючи в процесі перенесення температуру до необхідної за рахунок компресії (стиснення) холодоагенту. Існує два основних типи теплових насосів - компресійні і сорбційні.
Принципове пристрій компресійного теплового насоса: 1 - земля; 2 - циркуляція розсолу; 3 - циркуляційний насос; 4 - випарник; 5 - компресор; 6 - конденсатор; 7 - система опалення; 8 - холодоагент; 9 - дросель
Незважаючи на збиває з пантелику назва, компресійні теплові насоси відносяться не до опалювальних, а до холодильних пристроїв, оскільки працюють за тим же принципом, що і будь-які холодильники або кондиціонери . Відмінність теплового насоса від добре відомих нам холодильних установок в тому, що для його роботи потрібно, як правило, два контури - внутрішній, в якому циркулює холодоагент, і зовнішній, з циркуляцією теплоносія.
В процесі роботи цього пристрою холодоагент внутрішнього контуру проходить наступні етапи:
- охолоджений холодоагент в рідкому стані надходить по контуру через отвір капіляра в випарник. Під впливом швидкого зниження тиску холодоагент випаровується і переходить в газоподібний стан. Рухаючись по вигнутих трубках випарника і контактуючи в процесі руху з газоподібним або рідким теплоносієм, холодоагент отримує від нього низькотемпературну теплову енергію, після чого надходить в компресор;
- в камері холодильника, холодильний агент стискається, при цьому різко зростає його тиск, що викликає підвищення температури холодоагенту;
- з компресора гарячий холодоагент слід по контуру в змійовик конденсатора, який виступає в ролі теплообмінника - тут холодоагент віддає тепло (близько 80-130 ° С) теплоносія, циркулюючому в системі опалення будинку. Втративши більшу частину теплової енергії, холодоагент повертається в рідкий стан;
- при проходженні через розширювальний клапан (капіляр) - він розташований у внутрішньому контурі теплового насоса, наступним після теплообмінника - залишковий тиск в холодоагенті знижується, після чого той поступає у випарник. З цього моменту робочий цикл повторюється знову.
Принцип роботи повітряного теплового насоса
Таким чином, внутрішній устрій теплового насоса складається з капіляра (розширювального клапана), випарника, компресора і конденсатора. Роботою компресора управляє електронний терморегулятор, який припиняє подачу електроживлення до компресора і зупиняє тим самим процес вироблення тепла при досягненні заданої температури повітря в будинку. При зниженні температури нижче певного рівня, терморегулятор в автоматичному режимі включає компресор.
В якості холодоагенту у внутрішньому контурі теплового насоса циркулюють фреони R-134а або R-600А - перший на основі тетрафторетан, другий на основі ізобутану. Обидва даних холодоагенту - безпечні для озонового шару Землі та екологічно чисті. Компресійні теплові насоси можуть мати привід від електромотора або від двигуна внутрішнього згоряння.
В сорбційних теплових насосах використовується абсорбція - фізико-хімічний процес, в ході якого газ або рідина збільшуються в обсязі за рахунок іншої рідини під впливом температури і тиску.
Принципова схема абсорбційного теплового насоса: 1 - вода, що нагрівається; 2 - охлаждаемая вода; 3 - гріючийпар; 4 - нагріта вода; 5 - випарник; 6 - генератор; 7 - конденсатор; 8 - неконденсірующаяся гази; 9 - вакуумний насос; 10 - конденсат пари, що гріє; 11 - розчинний теплообмінник; 12 - газоотделителя; 13 - абсорбер; 14 - розчинний насос; 15 - насос холодоагенту
Абсорбція теплові насоси обладнані термічним компресором, що працює на природному газі. В їх контурі знаходиться холодоагент (зазвичай аміак), випаровується при низькій температурі і тиску, поглинаючи при цьому теплову енергію з середовища, що оточує циркуляційний контур. У пароподібному стані холодоагент надходить у теплообмінник-абсорбер, де, в присутності розчинника (як правило, води), піддається абсорбції і передачі теплоти розчинника. Подача розчинника проводиться за допомогою термосифона, що забезпечує циркуляцію за рахунок різниці тисків між холодоагентом і розчинником, або насоса з низьким енергоспоживанням в установках великої потужності.
В результаті з'єднання холодоагенту і розчинника, температура кипіння яких різна, тепло, доставлене холодоагентом, викликає випаровування їх обох. Холодоагент в пароподібному стані, має високу температуру і тиск, надходить по контуру в конденсатор, переходить в рідкий стан і віддає тепло теплообміннику опалювальної мережі. Після проходження через розширювальний клапан холодоагент переходить в початковий термодинамічний стан, аналогічним чином повертається в початковий стан розчинник.
Переваги абсорбційних теплових насосів - в можливості роботи від будь-якого джерела теплової енергії і повній відсутності рухомих елементів, т. Е. Безшумності. Недоліки - менша потужність, в порівнянні з компресійними агрегатами, висока вартість, що порозумівається складністю конструкції і потребою у використанні стійких до корозії матеріалів, складно піддаються обробці.
Абсорбційна теплонасосная установка
В адсорбційних теплових насосах використовуються тверді матеріали, як силікагель, активоване вугілля або цеоліт. В ході першого робочого етапу, званого фазою десорбції, до камери теплообмінника, покритої зсередини сорбентом, підводиться теплова енергія, наприклад, від газового пальника. Нагрівання спричинити нагнітання тиску паром холодоагенту (води), отриманий пар доставляється до другого теплообмінника, в першій фазі віддає отримане при конденсації пари тепло в опалювальну систему . Повний осушення сорбенту і завершення конденсації води в другому теплообміннику завершує перший етап роботи - подача теплової енергії в камеру першого теплообмінника припиняється. На другому етапі теплообмінник з конденсованої водою стає випарником, доставляючи холодоагенту теплову енергію із зовнішнього середовища. В результаті співвідношення тисків, що досягає 0,6 кПа, при контакті тепла із зовнішнього середовища холодоагент випаровується - водяна пара надходить назад в перший теплообмінник, де адсорбується в сорбент. Тепло, яке віддає пар в процесі адсорбції, передається системі опалення, після чого цикл повторюється. Слід зазначити, що адсорбційні теплові насоси для використання в побутових цілях не підходять - призначені лише для будівель великої площі (від 400 м2), менш потужні моделі знаходяться все ще в стадії розробки.
Типи теплосборник для теплових насосів
Джерела теплової енергії для теплових насосів можуть бути різними - геотермальними (замкнутого і відкритого типу), повітряними, що використовують вторинне тепло. Розглянемо кожен з цих джерел докладніше.
Геотермальні теплові насоси споживають теплову енергію грунту або грунтових вод і підрозділяються на два типи - замкнутий і відкритий. Замкнені теплові джерела поділяються на:
- Горизонтальні, при цьому збирає тепло колектор розташовується кільцями або зигзагами в траншеях глибиною від 1,3 метра і більше (нижче глибини промерзання). Даний метод розміщення контуру теплосбірника ефективний при малій площі земельної ділянки.
Геотермальне опалення з горизонтальним теплосборник
- Вертикальні, т. Е. Колектор теплосбірника розміщується в вертикальні свердловини, занурені в грунт на глибину до 200 м. До цього методу розміщення колектора вдаються у випадках, якщо немає можливості укласти контур горизонтально або є загроза порушення ландшафту.
Геотермальне опалення з вертикальним теплосборник
- Водні, при цьому колектор контуру розташовується зигзагоподібно або кільцеподібно на дні водойми, нижче рівня його промерзання. У порівнянні з бурінням свердловин даний метод найбільш дешевий, проте залежить від глибини і загального обсягу води у водоймі, в залежності від регіону.
У теплових насосах відкритого типу для теплообміну використовується вода, яка після проходження через тепловий насос скидається назад в грунт. Використовувати даний метод можливо лише за умови хімічної чистоти води і при допустимості використання грунтових вод в цій ролі з точки зору закону.
Геотермальне опалення відкритого типу
У повітряних контурах, відповідно, в якості джерела теплової енергії використовується повітря.
Опалення повітряним тепловим насосом
Вторинні (похідні) джерела тепла використовуються, як правило, на підприємствах, робочий цикл яких пов'язаний з виробленням сторонньої (паразитарної) тепловою енергією, що вимагає додаткової утилізації.
Перші моделі теплових насосів були повністю схожі з описаною вище конструкцією, винайденої Робертом Уеббером - мідні труби контуру, який виступав одночасно в ролі зовнішнього і внутрішнього, з циркулюючим в них холодоагентом занурювалися в грунт. Випарник в такій конструкції розміщувався під землею на глибині, що перевищує глибину промерзання або в пробурені під кутом або вертикальні свердловини (діаметр від 40 до 60 мм) на глибину від 15 до 30 м. Контур прямого обміну (він отримав таку назву) дозволяє розмістити його на невеликій площі і при використанні труб малого діаметра обійтися без проміжного теплообмінника. Прямий обмін не вимагає примусового прокачування теплоносія, раз немає необхідності в циркуляційному насосі, то і електроенергії витрачається менше. Крім того, тепловий насос з контуром прямого обміну можна ефективно використовувати навіть в умовах низьких температур - будь-який об'єкт випромінює тепло, якщо його температура вище абсолютного нуля (-273,15 ° С), а холодоагент здатний випаровуватися при температурі до -40 ° С. Недоліки такого контуру: великі потреби в холодоагенті; висока вартість мідних труб; надійне з'єднання мідних секцій можливо лише методом пайки, інакше витоку холодоагенту не уникнути; потреба в катодного захисту в умовах кислих грунтів.
Забір тепла від повітряного середовища найбільше підходить для спекотного клімату, оскільки при мінусовій температурі його ефективність серйозно знизиться, що потребують додаткових джерел опалення. Перевага повітряних теплових насосів - у відсутності необхідності дорогого буріння свердловин, оскільки зовнішній контур з випарником і вентилятором розміщується на ділянці неподалік від будинку. До речі, представником повітряного одноконтурного теплового насоса є будь-яка моноблочна або спліт-система кондиціонування повітря. Вартість повітряного теплового насоса потужністю, наприклад, 24 кВт становить близько 163000 руб.
Повітряний тепловий насос
Теплова енергія з водойми витягується шляхом укладання контуру, виконаного з пластикових труб, на дно річки або озера. Глибина укладання від 2-х метрів, труби притискаються до дна вантажем з розрахунку 5 кг на метр довжини. З кожного погонного метра такого контуру витягується близько 30 Вт теплової енергії, т. Е. Для теплового насоса потужністю 10 кВт знадобиться контур загальною протяжністю 300 м. Переваги такого контуру у відносно невисокій вартості і простоті монтажу, недоліки - при сильних заморозках отримання теплової енергії неможливо .
Укладання контуру теплового насоса в водойму
Для Отримання тепла з грунту контур з труб ПВХ поміщається в котлован, відрітій на глибінь, что перевіщує Глибина промерзання НЕ менше чем на півметра. ДИСТАНЦІЯ между трубами винна Скласти около 1,5 м, теплоносій , Що ціркулює в них - антифриз (зазвічай водний розсіл). Ефективна робота грунтового контуру безпосередно пов'язана з вологістю ґрунту в точці его размещения - если грунт піщаний, т. Е здати утрімуваті воду, то довжина контуру та патенти збільшити примерно вдвічі. З погонного метра грунтового контуру тепловий насос може отримати в середньому від 30 до 60 Вт теплової енергії, в залежності від кліматичної зони і типу грунту. 10 кВт теплового насосу потрібно 400 метровий контур, покладений на ділянці площею 400 м2. Вартість теплового насоса з ґрунтовим контуром складає близько 500000 руб.
Укладання горизонтального контуру в грунт
Отримання тепла зі скельної породи потребують або прокладки свердловин діаметром від 168 до 324 мм на глибину від 100 метрів, або виконання кількох свердловин меншої глибини. В кожну свердловину опускається контур, що складається з двох пластикових труб, з'єднаних в нижній точці металевої U-подібної трубою, яка виступає в ролі вантажу. По трубах циркулює антифриз - тільки 30% розчин спирту етилового, оскільки в разі витоку він не завдасть шкоди екології. Свердловина з встановленим в ній контуром згодом заповниться грунтовими водами, які будуть підводити тепло до теплоносія. Кожен метр такої свердловини дасть близько 50 Вт теплової енергії, т. Е. Для теплового насоса потужністю 10 кВт потрібно пробурити 170 м свердловини. Для отримання більшої теплової енергії бурити свердловину глибше 200 м невигідно - краще виконати кілька дрібніших свердловин на дистанції 15-20 м між ними. Чим більше діаметр свердловини, тим на меншу глибину її необхідно бурити, при цьому досягається більший паркан теплової енергії - близько 600 Вт з погонного метра.
Монтаж геотермального зонда
У порівнянні з контурами, розміщеними в грунті або водоймі, контур в свердловині займає мінімум місця на ділянці, саму свердловину можна виконати в будь-якому типі грунту, в т. Ч. По скельній породі. Тепловіддача свердловинного контуру буде стабільною в будь-який час року і при будь-якій погоді. Однак окупність такого теплового насоса займе кілька десятиліть, оскільки його установка обійдеться домовласникові більш ніж в мільйон рублів.
на завершення
Перевага теплових насосів - у високій економічності, оскільки для отримання в годину одного кіловата теплової енергії ці установки витрачають не більше 350 ват електроенергії на годину. Для порівняння - ККД електростанцій, що виробляють електроенергію шляхом спалювання палива, не перевищує 50%. Система теплового насоса працює в автоматичному режимі, експлуатаційні витрати в період її використання вкрай низькі - необхідна лише електроенергія для роботи компресора і насосів. Габаритні розміри установки теплового насоса приблизно рівні розмірам побутового холодильника, рівень гучності при роботі також збігається з аналогічним параметром побутової холодильної установки.
Тепловий насос «сольовий розчин - вода»
Використовувати тепловий насос можна як для отримання теплової енергії, так і для її видалення - перемиканням роботи контурів на охолодження, при цьому теплова енергія з приміщень будинку буде віддалятися через зовнішній контур в грунт, воду або повітря.
Єдиний недолік системи опалення, заснованої на тепловому насосі - її висока вартість. У країнах Європи, а також в США і Японії, теплонасосні установки досить поширені - в Швеції їх більше півмільйона, а в Японії і США (особливо в штаті Орегон) - кілька мільйонів. Популярність теплових насосів в цих країнах пояснюється їхньою підтримкою державними програмами у вигляді субсидій і компенсацій домовласникам, що встановив такі установки.
Поза всяким сумнівом, що в найближчому майбутньому теплові насоси перестануть бути чимось дивовижним і в Росії, якщо враховувати щорічне зростання розцінок на природний газ, сьогодні є єдиним конкурентом для теплових насосів відносно фінансових витрат на отримання теплової енергії.
рмнт.ру
05.08.18
