Что такое тепловой насос?

Отопление и кондиционирование деревянного дома, или небо без труб.

Начиная строительство деревянного дома, мы мечтаем убежать из шумных перенаселенных городов, кишащих автотранспортом и предприятиями всевозможного размера, гордо устремившими свои трубы в небо, цвет которого из-за дыма различных оттенков определить порой невозможно. О чем думаем мы, когда приходит время озадачиться способом отопления своего жилища? Парадокс – мы задумываемся о том, какую трубу надо воткнуть в небо нам, чтобы в новом доме было тепло и уютно. Какого цвета должен быть дым, чтобы нам согреться? Черным от угля, или белым от газа или сгораемых в печи дров? А может, трубы над домом не будет? Может, отопление будет электрическим? Значит, «экологически чистым»? Нет, даже в этом случае коптящая труба будет. Пусть не над нашим домом, но где-то неподалеку – на ближайшей электростанции. Каждый потраченный нами на отопление киловатт- час, так или иначе, но «аукнется» природе.

Решение есть. Причем, настолько простое и старое, что его уже можно назвать древним.

Принцип работы теплового насоса.

В начале 19-го столетия французский ученый Карно в своей диссертации описывает принцип работы холодильника. Спустя почти тридцать лет англичанин Уильям Томсон, опираясь на изложенных в работе Карно принципах, разрабатывает т.н. «умножитель тепла», или холодильник наоборот. Именно Томсона, ставшего впоследствии лордом Англии, и можно назвать изобретателем теплового насоса.

У вас есть под рукой холодильник? Потрогайте рукой его заднюю стенку. Теплая? А «морозилка» холодная! Это происходит потому, что газ, циркулирующий по трубкам холодильника, в морозильной камере испаряется, отбирая тепло у окружающего воздуха, а в решетке, расположенной, как правило, на задней стенке – конденсируется (переходит в жидкое состояние). Именно этот принцип и был описан в работе Карно. Т.е. при испарении вещество отбирает тепло у окружающей среды и нагревается. Температура кипения зависит от давления – чем выше давление, тем выше температура кипения, и наоборот. Помните, как проводя опыт на уроке физики, мы изумленно трогали холодную воду, которая мгновение назад кипела на наших глазах под колбой, в которой создавалось низкое давление? А есть вещества, которые способны кипеть даже при низких температурах, например, фреон, который используется в бытовых холодильниках. Такие вещества называют хладагентами.

Давление можно подобрать таким образом, чтобы хладагент испарялся даже при невысокой температуре внутри т.н. «источника низко потенциального тепла». Соответственно, у такого источника будет отбираться тепловая энергия. Где же взять этот «источник низко потенциального тепла»? Все гениальное просто: в качестве источника может служить все что угодно: окружающий воздух, земля возле дома, вода в близлежащем водоеме.

А работает это так. Хладагент, проходя через задвижку-дроссель, теряет давление до такой величины, что достаточно температуры низко потенциального источника тепла, чтобы он начал испаряться. При этом хладагент нагревается и превращается в пар. После этого он попадает в компрессор, который этот пар сжимает, в результате чего тот нагревается еще больше. Затем уже горячее парообразное вещество поступает в теплообменник-конденсатор, где отдает тепло в систему отопления дома (например, воде внутри радиаторов). Хладагент теряет температуру и переходит в жидкое состояние, в котором и попадает вновь в дроссель. Цикл повторяется.

Именно такая схема впервые была реализована еще в 1938 г. в Цюрихе. В качестве низко потенциального источника служили речные воды.

Обратите внимание на компрессор. Да, он нуждается в электродвигателе, но на каждый затраченный киловатт электроэнергии можно получить от трех до семи киловатт тепловой энергии! Выгодно? Несомненно! Затраты на тепловые насосы окупаются в течение нескольких лет. При этом следует учитывать, что такие системы нуждаются в текущем ремонте только раз в 25 лет.

А теперь представьте, что будет, если движение хладагента направить в обратную сторону. Получится так, что хладагент в источнике низко потенциального тепла будет отдавать тепло и конденсироваться, в то время как радиаторах помещения испаряться, отбирая тепло у окружающего воздуха. Т.е. получится холодильник, или система кондиционирования. Только нужно заменить радиаторы специальными устройства – фанкойлами.

В зависимости от среды получения тепла и способа передачи, различают несколько видов тепловых насосов.

В схемах «грунт-вода» и «грунт-воздух» источником тепла служит земля. По способу прокладки в ней труб теплонасосы делят на насосы с вертикальным зондом и с горизонтальным коллектором. В последнем случае снимается слой земли до расчетной глубины, и в образовавшийся котлован укладываются трубы коллектора. В вертикальных установках в качестве теплообменников-испарителей выступают трубы, опущенные вглубь земли (50-150 м). В вариантах с коллектором и с зондом имеются свои достоинства и недостатки: при вертикальной прокладке не требуется большой площади, как это необходимо для коллектора, но возникает необходимость производства дорогостоящих бурильных работ. В схеме «грунт-вода» полученная от земли плюс выработанная компрессором тепловая энергия передается вначале воде в трубах отопительной системы, а затем – воздуху внутри здания. В варианте «грунт-воздух» вода как промежуточный теплоноситель отсутствует – тепловая энергия передается от хладагента воздуху.

В некоторых регионах, где грунт прогревается медленнее, целесообразнее использовать тепловую энергию либо поверхностных (рек, озер), либо почвенных вод. Способ прокладки труб теплообменников-испарителей не отличается от описанных выше. Схемы, в которых применяют воду в качестве промежуточного теплоносителя, называют «вода-вода», если же тепло передается напрямую воздуху отапливаемого помещения – «вода-воздух». Варианты, в которых используется тепло воды, наиболее универсальны, быстро окупаемы, и более дешевы при установке. Кроме того, в последнее время широко внедряются разработки, в которых роль источника низко потенциального тепла используется сточная, или нагретая в ходе технологических процессов вода, что позволяет значительно увеличить КПД.

Даже воздух можно использовать в качестве источника тепла. К сожалению, такие насосы не всегда можно применить в российских климатических зонах; они более пригодны для южных широт. Тепловые насосы «воздух-воздух» выполняются в двух вариациях: «сплит» и «моно». Установка сплит состоит из двух соединенных блоков, один из которых (испаритель) располагается неподалеку от дома, а второй (конденсатор), с блоком автоматики, внутри отапливаемого помещения. При таком варианте допускается монтаж компрессора вне помещений, что благоприятно сказывается на шумовом уровне. Моноблоки устанавливаются в непосредственной близости от отапливаемого здания, чаще прямо на стенах. Иногда тепло отбирают из отработанного (отточного) воздуха в вентиляционных системах.

На сегодняшний день теплонасосы остаются дорогим удовольствием и не могут составить конкуренции газовым системам обогрева. Их стоимость и время окупаемости напрямую зависит от климатических условий, в которых расположен объект. Осложняет внедрение и необходимость проведения точных расчетов при выборе насоса и его мощности для каждого индивидуального объекта и высокая стоимость таких установок. Однако, в некоторых регионах, где не предвидится прокладка газовых коммуникаций, тепловые насосы являются альтернативой установкам на твердом топливе, электрокотлам, и прочим «традиционным» способам обогрева.

Только нам решать, как нам жить, и чем дышать. С каждым годом человечество видит все больше результатов своей деятельности, выражающихся в изменении климата, стихийных бедствиях и природных катаклизмах. Давайте стремиться к тому, чтобы рядом с нашими домами пели настоящие, а не электронные птицы, а наши дети и внуки играли на газонах из травы, которая не будет пластмассовой.