Удорожание энергоресурсов приводит к росту интереса со стороны населения ко всякого рода нетрадиционным способам обогрева.
Наверняка многие слышали о тепловых насосах, которые позволяют снабдить жилище чуть ли не бесплатным теплом. Каков же принцип работы теплового насоса для отопления дома, и нет ли тут подвоха?
Тепловые насосы: классификация
Тепловой насос (ТН) — это устройство, позволяющее осуществлять теплообмен в противоестественном направлении, то есть от холодной среды к теплой. Холодная среда в данном случае называется низкопотенциальным источником тепла.
В зависимости от того, откуда ТН черпает тепло для обогрева дома, он может относиться к одному из следующих типов:
- Грунтовые ТН. Извлекают тепло из грунта ниже глубины промерзания, где его температура лежит в пределах 7 – 10 градусов.
- Водяные ТН. Источником тепла служит вода в естественном водоеме, если только он не промерзает зимой до дна.
- Воздушные ТН. Как ясно из названия, обогрев дома осуществляется за счет извлечения тепла из уличного воздуха, который может иметь даже отрицательную температуру.
Кроме того, ТН делятся еще на два вида:
- Открытые: тепловая энергия поставляется непосредственно средой, которая является ее источником.
- Закрытые: в среду-источник помещается теплообменник, по которому циркулирует теплоноситель.
Во втором случае тепло в ТН доставляет не среда, а теплообменник.
Принципы устройства и работы
Работа теплового насоса основана на чрезвычайно полезном свойстве газов менять свою температуру при расширении и сжатии. В первом случае температура газа понижается, во втором — повышается.
Схематично работу ТН можно изобразить следующим образом. Представим, что у нас есть колба с подвижным поршнем, заполненная газом. Вот что мы делаем:
- Выходим на улицу и выдвигаем поршень так, чтобы объем газа в колбе увеличился. При этом он будет охлаждаться и если мы увеличим объем в достаточной степени, температура газа окажется ниже температуры окружающего воздуха.
- Остывший газ начнет нагреваться от окружающего воздуха, каким бы холодным тот ни был.
- Когда температура газа сравняется с температурой воздуха, зайдем с нашей колбой в теплое помещение и сильно сожмем газ. Если приложить достаточное усилие, газ станет горячим и воздух в помещении будет от него нагреваться.
- Действуя подобным образом снова и снова, мы будем перекачивать тепло из холодного наружного воздуха в теплый внутренний.
Конечно, в ТН никакой колбы с поршнем нет. Вместо этого имеется замкнутый контур, одна часть которого находится, условно говоря, в среде-источнике, другая — в нагреваемой среде. Обе части выполнены в виде радиаторов и связаны трубками.
Газ, которым заполняется контур ТН, называется хладагентом. В этом качестве пока чаще всего используется фреон.
В контур врезан компрессор, благодаря которому осуществляется циркуляция хладагента. Сразу после внутреннего теплообменника, расположенного в нагреваемой среде, имеется узкое место — капилляр или особый вентиль. Из-за него газ в теплообменник закачивается компрессором под значительным давлением. Температура хладагента возрастает и начинается теплообмен между ним и нагреваемой средой.
Принцип работы теплового насоса
Степень сжатия подобрана таким образом, чтобы газ при остывании конденсировался. Дело в том, что изменение агрегатного состояния — испарение или конденсация — представляет собой гораздо более энергоемкий процесс, чем просто нагрев или остывание.
Из-за конденсации газа внутренний теплообменник называют конденсатором.
Конденсатор может обдуваться вентилятором, и тогда в помещение будет поступать теплый воздух. А может омываться в специальном теплообменнике теплоносителем системы отопления — тогда ТН будет работать как обычный котел.
Через капилляр жидкий хладагент просачивается в наружный теплообменник, где испаряется и расширяется, вследствие чего его температура значительно понижается. Теперь уже газ нагревается от среды-источника.
Наружный теплообменник, где происходит испарение, называют испарителем.
«Круговорот» газа в ТП теплотехники называют «циклом Карно». Он же применяется в холодильниках и кондиционерах.
К вопросу о том, является ли извлекаемое из окружающей среды тепло бесплатным. Не совсем, конечно, ведь приходится затрачивать электричество на работу компрессора и вентиляторов/насосов. Но соотношение затрат и прибыли получается более чем выгодным: на 1 кВт потраченной электроэнергии ТН дает 3 – 5 кВт тепла. Для сравнения: обычные электрообогреватели трансформируют электроэнергию в тепло в соотношении лишь 1:1.
Особенности различных ТП для отопления
Рассмотрим существующие отопительные ТН:
Насос геотермального типа (грунтовой)
Для передачи тепла от грунта хладагенту ТП используется промежуточный теплоноситель с низкой температурой замерзания — так называемый рассол. Он циркулирует по контуру, уложенному в грунт, и омывает испаритель ТН. Контур может быть размещен двояко:
- горизонтально,
- вертикально.
Устройство геотермальных систем
Горизонтальное расположение
Контур укладывается змейкой на глубине ниже промерзания. Траншеи можно выкопать самостоятельно, но потребуется значительная площадь. Дело в том, что контуры отопительных ТН имеют очень большую длину.
Такое решение имеет ряд недостатков:
- если на участке сформирован ландшафтный дизайн, им придется пожертвовать,
- в дальнейшем нужно будет избегать затененности участка,
- выращивание сельхозпродукции на нем не допускается — только травяной газончик.
Вертикальное положение
Трубы контура помещаются в скважины, для бурения которых придется приглашать специалистов. Зато рабочая площадка будет иметь совсем небольшие размеры.
Если в скважине имеется вода, можно подавать на испаритель прямо ее, не используя промежуточный теплоноситель. Такие ТН называются открытыми и стоят они дороже закрытых. Помимо заборной скважины необходимо будет построить еще одну — для сброса охлажденной воды.
Расположение отопительной системы
Можно применить и компромиссный вариант: разместить трубы контура в виде цилиндрических пружин в колодцах. Такой колодец, как и траншею, можно вырыть самостоятельно, при этом площадь отведенного под контур участка значительно сократится.
Водяные
Имеют абсолютно то же устройство, что и геотермальные, только контур с промежуточным теплоносителем погружается в естественный водоем.
Сделать это гораздо проще, чем закапывать трубы в землю, поэтому данный вариант ТН при наличии поблизости водоема является более предпочтительным.
Воздушные
Этому ТН промежуточный теплоноситель не нужен — испаритель омывается непосредственно воздухом. По сути, это кондиционер, работающий в реверсном режиме, то есть на отопление. Испаритель находится на улице в так называемом наружном блоке и обдувается вентилятором.
Воздушный тепловой насос при модернизации старой системы отопления
Устанавливать воздушный ТН проще всего, так как не приходится возиться с огромными контурами. Но у него есть важный недостаток: зимой температура воздуха, в отличие от глубинных грунта и воды, опускается очень низко, так что ТН будет эффективен далеко не весь отопительный сезон.
На испаритель можно подать теплый воздух из вытяжного канала вентиляции, в результате чего воздушный ТП попутно будет играть роль рекуператора.
Ограничения по применению грунтовых отопительных ТН
Слишком интенсивное использование грунтового ТН для отопления приводит к перемерзанию грунта, что очень вредно сказывается на местной геологической обстановке, особенно если контур размещен в скважине.
Обычно проектировщики, изучив особенности грунта, указывают, сколько часов в течение отопительного сезона может эксплуатироваться устройство.
Чтобы продлить это время, грунт следует отогревать летом, эксплуатируя ТН в режиме кондиционирования.
Для этого в его конструкции должен быть предусмотрен реверсный режим, при активации которого конденсатор становится испарителем и наоборот.
Если водоем не является проточным, вода в нем при чрезмерном отборе тепла также может промерзнуть до дна, что приведет к гибели фауны.
Заключение
Идея использовать тепловой насос для отопления выглядит весьма завлекательной, ведь КПД этого устройства составляет 300% – 500%. Но только вот стоят пока отопительные ТН довольно дорого, что препятствует их повсеместному распространению.