С термином «тепловой насос» (ТН) значительной части белорусских граждан сталкиваться не приходилось. В то же время, многие из нас регулярно эксплуатируют тепловые насосы в повседневной жизни, ведь они являют собой неотъемлемую конструктивную часть холодильников и систем кондиционирования. Мы настолько привыкли к этим бытовым агрегатам, что даже не замечаем их. В этой статье мы объясним, как работает тепловой насос для отопления дома.
Для швейцарцев, отопительные системы зданий на основе геотермальных теплонасосных установок, являются такой же обыденной вещью как для нас холодильники. Правила работы этого устройства схожи с кондиционером реверсного типа. Это означает, что тепловой насос способен не только отапливать помещение, но и давать холод в жаркие дни.
Главное отличие устройства от систем кондиционирования — адаптация изделия для эксплуатации при отрицательных температурах. Если кондиционер при минусе за окном существенно снижает производительность тепла, вплоть до остановки, то геотермальный насос продолжает с должным эффектом выполнять свои функции в любой обстановке. Даже в самые сильные морозы отопление тепловым насосом высокоэффективно обеспечивает комфортный уровень температуры внутри всех помещений.
Основные правила функционирования теплового насоса отражены в цикле Карно. Принципы функционирования базового устройства французский ученый описал в далеком 1824 г. в своей диссертации. Теплонасосная система, которая пригодна для практического использования, была разработана и представлена общественности лордом Кельвином в 1852 году. Свое детище лорд назвал «умножителем тепла». Изобретение позволило делать забор тепловой энергии в одной или нескольких точках и переносить ее в другую посредством системы коллекторов. К примеру, морозильная камера в бытовом холодильнике поглощает тепло из продуктов и в последующем выбрасывает его в пространство кухни. В камере морозилки происходит охлаждение продуктов, а задняя решетка холодильника накапливает тепло.
В основу функционирования геотермального теплового насоса, положено несколько базовых принципов. Любое вещество, имеющее температуру превышающую абсолютный ноль (минус 273C) - обладает тепловой энергией, наша задача преобразовать ее и перевести в пригодный для обогрева температурный интервал (+35…+65С). Поэтому принцип действия теплового насоса основан на аккумулировании природного низкопотенциального тепла из естественных источников (земля, водоем или воздух), окружающих строение, и передаче сконцентрированной энергии системе отопления здания. Тепловая энергия может также передаваться системе водоснабжения (ГВС), оборудованной в здании. Используя насос мы, грубо говоря, вкапываем «морозильную камеру» в землю либо погружаем в озеро в непосредственной близости от объекта. Важно то, что вне зависимости от температуры окружающей среды морозилка пребывает в незамерзающем состоянии, не покрывается льдом. Это позволяет сохранять высокий уровень эффективности сбора тепловой энергии. При этом устройство теплового насоса позволяет агрегату производить отбор тепла у источников различного типа – почвы, озера, реки, воздуха, канализационных стоков и т.д.
Коллекторы для сбора рассеянного тепла размещают в грунте или водоеме рядом с зданием, для которого нужно наладить отопление. Жидкость (незамерзающая смесь на основе гликоля) перемещается по трубкам коллектора, собирает тепловую энергию и возвращается к тепловому насосу. Насос, как и холодильник, производит отбор тепла, понижая температуру гликолевой смеси примерно на 4-6 градусов по Цельсию. Энергия, которую изъяло устройство, переходит отопительной системе здания. Далее цикл повторяется: жидкость начинает двигаться по трубам в почве либо водной среде, восстанавливая нужный уровень температуры, после чего снова подается на насосный агрегат. В условиях климата Беларуси, для круглогодичного использования, применяют коллекторы, изымающие энергию из почв и водоемов, так как в этих средах зимой температуры меняется не так сильно. «Воздушные» тепловые насосы используются для подогрева бассейнов в летний период, или как дополнительный источник тепла к существующим твердо- и жидко-топливным системам отопления (снижение расхода топлива на 70-80%). При необходимости охлаждения (кондиционирования) дома в жаркий летний период запускается реверсивный процесс. В этом случае происходит забор тепловой энергии внутри здания и сброс ее в грунт или воду. Один и тот же агрегат способен в зимние месяцы давать зданию тепло, а летом охлаждать его.
Тепловые насосы способны в один момент времени выполнять сразу несколько попутных функций:
Получается, что одна установка геотермального отопления способна справляться сразу со всеми функциями по отоплению или охлаждению здания в зависимости от потребностей в конкретный момент времени.
Внешний контур (коллектор) для сбора тепловой энергии может работать в открытом и закрытом цикле. Выбор цикла влияет на способ обмена тепла с природной средой.
Из озера, реки либо скважины с грунтовой водой осуществляется забор воды. Затем происходит ее подача к тепловому насосу. Жидкость передает (отбирает) тепло у насосного агрегата и отводится обратно в водоем, либо в приемную грунтовую скважину на некотором удалении от точки, где был выполнен забор. Главное преимущество открытого цикла является относительная дешевизна его устройства и возможности одновременного получения воды для бытового использования. Из недостатков можно отметить необходимость в частом обслуживании (чистке) теплообменника.
Использует в работе особый состав, выполняющий роль теплоносителя. Функционирование системы в этом случае основано на прокачке этого теплоносителя сквозь коллекторы, которые располагаются на дне водоема, либо помещенные в почву. Теплоноситель изымает энергию у воды (земли), затем возвращается и передает ее насосу. Агрегат, с помощью компрессора, трансформирует низкотемпературную тепловую энергию (0-5С), в высокотемпературную (+35…+65С), и распространяет тепло по дому, а охлажденный теплоноситель отправляется на повторное прохождение цикла. Главное преимущество закрытого контура – не происходит смешения и взаимодействия сред, тепло передается через стенки коллектора. Такая система практически не требует обслуживания и рассчитана на срок эксплуатации 80-100 лет.
Если углубиться внутрь земли 1,5 метров, то там сохраняется температура около 10-12C вне зависимости от времени года.Увеличивая глубину, мы можем добиться повышения температуры. Данный способ является лучшим в плане эффективности работы теплового насоса. Мы получаем низкий расход электричества и самую дешевую тепловую энергию. Так, затратив 1кВт электроэнергии, мы получаем до 5кВт энергии тепла. Минус системы – значительные капиталовложения на первом этапе.
На сегодняшний день в таких странах как Швеция и Япония более 90% всех вновь возводимых частных домов используют для отопления геотермальные источники энергии. В нашей стране, при наличии в населенном пункте газопровода, срок окупаемости теплового насоса довольно высок. Но судя по последним государственным программам, стоимость возмещению расходов на отопление будет постепенно приближаться к 100%, что уже является поводом задуматься о перспективах отопления газом через 5-10 лет. В том случае, если для газификации участка необходимо разрабатывать проект, прокладывать 200-300 метров трубы, строить повысительную станцию и пр. выбор в пользу теплового насоса становиться очевидным.
