Другий закон термодинаміки говорить: «Теплота мимоволі переходить від тіл більш нагрітих до тіл менш нагрітих». А чи можна змусити тепло рухатися в зворотному напрямку? Так, але в цьому випадку будуть потрібні додаткові витрати енергії (робота). Системи, які переносять тепло в зворотному напрямку, часто називають тепловими насосами.
Систему опалення, що включає тепловий насос, можна вважати класичним «помножувачем тепла», який вивчається у шкільному курсі фізики. Насос грає роль пристрою, що перекачує теплову енергію з одного місця (джерела) в інше – опалення будинку при цьому відбувається за рахунок різниці температур навколишнього середовища і теплоносія.

Принцип дії системи:

  1. Тепловий насос витягує тепло з навколишнього середовища – землі, повітря або води (на глибині понад 30 м.). Достатня температура для роботи теплового
    насоса – 0 … 7 ˚С.
  2. Усередині насоса встановлений випарник з холодоагентом. Це особлива рідина, яка закипає при температурі близькій до 0 ˚С.
  3. За рахунок тепла, отриманого з навколишнього середовища, холодоагент закипає і приймає газоподібну форму.
  4. У вигляді газу холодоагент надходить у компресор. Тут він стискається, в результаті чого збільшується його тиск і зростає температура.
  5. Далі вже нагрітий газ надходить у конденсатор, де віддає тепло системі опалення. Після чого він охолоджується і знову приймає рідкий стан. Цей процес називається конденсацією – перетворення з пари в рідину, яке відбувається при температурі +55 ˚С.
  6. Рідкий холодоагент надходить в розширювальний клапан, де його тиск знижується до початкового низького значення.
  7. Після цього холодоагент повертається у випарник. Контур замикається. Процес повторюється безперервно.

Типи теплових насосів

Для опалення будинку найчастіше використовують один з трьох типів теплових насосів:
Геотермальний тепловий насос (тепловий насос «грунт-вода») витягує теплову енергію з грунту (землі) за допомогою системи колекторів, які покладені в свердловинах або розподілені по ділянці. Даний тип обладнання найбільш ефективний, так як в будь-який час року на глибині 1,5-2 м температура грунту не опускається нижче 5-8 ° С. Недоліком такого насоса є складність монтажних робіт і висока вартість.
Водяний тепловий насос (тепловий насос «вода-вода») звичайно, вимагає присутність джерела води, так як колектор розміщують в свердловинах на глибині близько двохсот метрів або ж в озері, річці, ставку. Даний вид теплового насоса є найефективнішим при обігріві приміщень. Шланг або рукав фіксують на дні водойми або ж в донному грунті, щоб він не піднімався на поверхню води. Крім того, температура на дні вище ніж температура самої води, тобто тепловіддача від встановленого таким чином насоса буде вище. Даному насосу притаманні ті ж недоліки, що і у геотермального насоса: складність монтажних робіт і висока вартість.
Повітряний тепловий насос (тепловий насос «повітря-повітря») витягує тепло з зовнішнього повітря і транспортує його в будинок. Насоси такого типу відрізняються простотою установки – не потрібно бурити свердловини, немає необхідності в масштабних ґрунтових роботах, а підключення нічим не відрізняється від підключення звичайного газового котла. За відсутності витрат на додаткові роботи повітряний тепловий насос виходить дешевше (сумарно по об’єкту), але у нього є один істотний недолік: повітряний насос ефективно працює до температури -20 ° С. При подальшому зниженні температури коефіцієнт ефективності повітряного насоса знижується.

Коефіцієнт ефективності

Коефіцієнт ефективності (COP) – це основний критерій оцінки теплових насосів, який вказує відношення отриманої теплової енергії до спожитої електричної. Для водяного теплового насоса (в будь-який час року) величина даного коефіцієнта складає близько 5. Це означає, що при споживанні 1 кВт / год електричної енергії установка виробляє 5 кВт / год теплової енергії. Для грунтових теплових насосів (в будь-який час року) ця величина лежить в діапазоні від 4 до 4,5. Коефіцієнт ефективності повітряних теплових насосів знижується зі зниженням температури на вулиці, і якщо при температурі повітря 0 ° С ефективність системи «повітря-повітря» приблизно така ж, як у ґрунтових систем (близько 4), то при -20 ° С значення цього коефіцієнта НЕ перевищить 1,5. Простіше кажучи, в цьому режимі тепловий насос на кожен витрачений кіловат електроенергії видає 1,5 кВт теплової енергії. В цьому випадку набагато дешевше придбати електричний котел. Повітряний тепловий насос, при постійно низькому коефіцієнті ефективності, просто не окупиться.

Підводні камені теплового насоса

Якщо розглядати практичне застосування кожного з видів теплового насоса, то можна сказати, що у них у всіх є свої підводні камені. Давайте більш детально розглянемо це питання:
Повітряний тепловий насос. Як випливає з законів термодинаміки, при низьких температурах, COP буде невисоким, тобто, якщо на вулиці -20 ° С, то значення нашого коефіцієнта не перевищить 1,5. Насправді це так, але багато замовчують те, що при -20 ° С тепловий насос для опалення середньостатистичного будинку (100-150 кв.м.) повинен виробляти близько 10 квт / ч теплової енергії, а виходить, що при такій температурі він здатний видавати лише 3,5 квт / ч теплової енергії. Решта 6,5 квт / ч тепла він буде змушений підживлювати від другого додаткового теплового агрегату. Саме тому наявність другого теплового джерела обов’язкова. В іншому випадку даний тепловий насос буде ефективний тільки при температурах вище -10 ° С.
Геотермальний тепловий насос. Існує 2 способи укладання труби в землю: горизонтальна і вертикальна.

  • Горизонтальний колектор

Труби укладаються паралельно землі в спеціально підготовлених траншеях нижче рівня промерзання грунту – 1,5-3 м. Відстань між траншеями має бути не менше 1,5 м., А ширина самої траншеї – 50-70 см. Це робиться з метою запобігти переохолодженню грунту . Інакше геотермальний тепловий насос не зможе отримувати достатню кількість енергії.
Для насоса потужністю 10 кВт необхідна площа відбору тепла приблизно 400 м2. Важливо врахувати, що на кожен 1 м2 площі відбору повинно бути укладено 1,4-2 погонних метра труби. Тому необхідна довжина труби дорівнює 400 × 1,4 = 560 м. Тобто, щоб отримати необхідну теплову потужність в землю потрібно закопати 560 метрів труби. Це можуть бути 6 рівних гілок довжиною близько 93 м з шириною траншеї 50 см. Для цього знадобиться ділянкя землі розміром 93х12 м і площею 1116 м2. Підводним каменем, в цьому випадку, є те, що площа, де укладено труби, повинна бути вільна. Не у всіх власників приватних будинків є велика вільна територія для укладання труби. Крім того, при інтенсивній роботі теплового насоса дуже сильно проморожується грунт, 1,5 м промерзає природним шляхом зверху. Крім цього сама труба проморожує грунт знизу. Отже до весни ми отримуємо проморожений грунт не 1,5 м, а 3-4 м. До чого це призведе? Звичайний грунт відтає до середини травня, в нашому випадку він може відтанути до середини липня, в слідстві чого, після відтавання вся ця площа буде суцільним “болотом”, з яким, на жаль, нічого зробити неможливо.

  • Вертикальний колектор

У свердловину глибиною від 10 до 100 м опускається спеціальна U-образна труба. Таке укладання забезпечує більш високий коефіцієнт ефективності грунтового теплового насоса (1: 4-1: 5) за рахунок того, що температура грунту на глибині завжди більше, ніж у поверхні.
Для установки труби вертикального грунтового колектора (зонда) потрібно набагато менше місця, ніж для горизонтального колектора. Відстань між двома сусідніми свердловинами повинна бути не менше 5-6 метрів і тому такий спосіб монтажу може використовуватися на невеликих ділянках. З іншого боку, буріння свердловини коштує дорожче риття траншеї і часто вимагає спеціальних дозволів (при бурінні понад певної глибини).
Припустимо, що потрібно встановити геотермальний тепловий насос потужністю 10 кВт. Для цього буде потрібно приблизно 200 м труби. Тобто в землю досить укласти 2 гілки труби довжиною по 100 м з відстанню між собою 5-6 метрів. З теоретичний точки зору все дійсно так, а якщо розглядати це питання з практичної точки зору, то виникають деякі труднощі: бурильники не візьмуться за буріння свердловин по 100 м, так як це дуже складний процес. Тому вони можуть запропонувати 4 свердловини по 50 м., А це дуже дороге задоволення.

Переваги теплового насоса

Системи опалення, засновані на застосуванні теплового насоса, відрізняються екологічною чистотою, так як працюють без спалювання палива і не виробляють шкідливих викидів в атмосферу. Одними з найважливіших достоїнств теплового насоса є зниження капітальних витрат за рахунок відсутності газових комунікацій, збільшення безпеки житла завдяки відсутності вибухонебезпечного газу, можливість одночасного отримання від однієї установки опалення, гарячого водопостачання та кондиціонування.
Теплові насоси здатні працювати не тільки в режимі опалення, але і в режимі охолодження. Для роботи в цьому режимі тепловий насос потребує мінімальних додаткових доопрацювань. При цьому, він продовжує працювати безшумно, а енерговитрати зростають незначно. Взимку джерела тепла (повітря, вода або грунт) приносять теплоту, а влітку служать джерелами холоду.

Тепловой насос

Принцип охолодження тепловим насосом

Існує два способи охолодження тепловим насосом, пасивне і активне.

Пасивне охолодження

Також називають системою природного охолодження. Характеризується мінімальним споживанням електричної енергії, і також є найменш ефективним. Такий спосіб охолодження має сенс використовувати тільки для геотермальних або теплових насосів. Використання пасивного охолодження в повітряних теплових насосах невиправдано, тому що застосування повітря в якості низько потенційного джерела теплоти не раціонально, оскільки температура зовнішнього повітря влітку вище ніж в приміщенні.
Для здійснення такої системи охолодження теплового насосу в контур необхідно додати блок пасивного охолодження, який включає в себе додаткові циркуляційні насоси, теплообмінник і триходовий клапан. Особливість роботи полягає в тому, що відібраний холод з низько потенційного джерела передається розсолу, який по зворотного контуру рухається не через компресор теплового насоса, а через пластинчастий теплообмінник. Далі теплоносій надходить в розподільну гребінку і поглинає зайву теплоту приміщень. У такій системі енерговитратними прилади є тільки циркуляційні насоси.

Активне охолодження

При активному охолодженні тепловий насос працює у зворотному циклі. Також цей процес називають «реверсним режимом». Для забезпечення активного кондиціонування в контур теплового насоса вбудовують чотирьохходовий клапан і додатковий дросельний клапан. В даному випадку циркуляція робочої рідини відбувається в зворотному напрямку. Конденсатор стає випарником і навпаки.