Второе начало термодинамики гласит: «Теплота самопроизвольно переходит от тел более нагретых к телам менее нагретым». А можно ли заставить тепло двигаться в обратном направлении? Да, но в этом случае потребуются дополнительные затраты энергии (работа). Системы, которые переносят тепло в обратном направлении, часто называют тепловыми насосами .
Систему отопления, включающую тепловой насос, можно считать классическим «умножителем тепла», который изучается в школьном курсе физики. Насос играет роль устройства, перекачивающего тепловую энергию из одного места (источника) в другое — отопление дома при этом происходит за счёт разницы температур окружающей среды и теплоносителя .

Принцип действия системы:

  1. Тепловой насос извлекает тепло из окружающей среды – земли, воздуха или воды (на глубине более 30 м.). Достаточная температура для работы теплового
    насоса – 0…7 ˚С.
  2.  Внутри насоса установлен испаритель с хладагентом. Это особая жидкость, которая закипает при температуре близкой к 0 ˚С.
  3.  За счет тепла, полученного из окружающей среды, хладагент закипает и принимает газообразную форму.
  4.  В виде газа хладагент поступает в компрессор. Здесь он сжимается, в результате чего увеличивается его давление и растет температура.
  5.  Далее уже нагретый газ поступает в конденсатор, где отдает тепло системе отопления. После чего он охлаждается и снова принимает жидкое состояние. Этот процесс называется конденсацией — превращение из пара в жидкость, которое происходит при температуре +55 ˚С.
  6.  Жидкий хладагент поступает в расширительный клапан, где его давление понижается до начального низкого значения.
  7.  После этого хладагент возвращается в испаритель. Контур замыкается. Процесс повторяется непрерывно.Принцип действия теплового насоса

Типы тепловых насосов

Для отопления дома чаще всего используют один из трех типов тепловых насосов:
Геотермальный тепловой насос (тепловой насос «грунт-вода») извлекает тепловую энергию из грунта (земли) с помощью системы коллекторов, которые уложены в скважинах или распределены по участку. Данный тип оборудования наиболее эффективен, так как в любое время года на глубине 1,5-2 м. температура грунта не опускается ниже 5-8 °С. Недостатком такого насоса является сложность монтажных работ и высокая стоимость.
Водяной тепловой насос (тепловой насос «вода-вода») конечно, требует присутствие источника воды, так как коллектор размещают в скважинах на глубине около двухсот метров или же в озере, речке, пруде. Данный вид теплового насоса является самым эффективным при обогреве помещений. Шланг или рукав фиксируют на дне водоема или же в донном грунте, чтобы он не поднимался на поверхность воды. Кроме того, температура на дне выше чем температура самой воды, то есть теплоотдача от установленного таким образом насоса будет выше. Данному насосу присущи те же недостатки, что и у геотермального насоса: сложность монтажных работ и высокая стоимость.
Воздушный тепловой насос (тепловой насос «воздух-воздух») извлекает тепло из наружного воздуха и транспортирует его в дом. Насосы такого типа отличаются простотой установки — не нужно бурить скважины, нет необходимости в масштабных грунтовых работах, а подключение ничем не отличается от подключения обычного газового котла. В отсутствие затрат на дополнительные работы воздушный тепловой насос получается дешевле (суммарно по объекту), но у него есть один существенный недостаток: воздушный насос эффективно работает до температуры -20 °С. При дальнейшем понижении температуры коэффициент эффективности воздушного насоса снижается.

Коэффициент эффективности

Коэффициент эффективности (COP) — это основной критерий оценки тепловых насосов, указывающий отношение полученной тепловой энергии к потреблённой электрической. Для водяного теплового насоса (в любое время года) величина данного коэффициента составляет около 5. Это означает, что при потреблении 1 кВт/ч электрической энергии установка производит 5 кВт/ч тепловой энергии. Для грунтовых тепловых насосов (в любое время года) эта величина лежит в диапазоне от 4 до 4,5. Коэффициент эффективности воздушных тепловых насосов снижается с понижением температуры на улице, и если при температуре воздуха 0 °С эффективность системы «воздух–воздух» примерно такая же, как у грунтовых систем (около 4), то при -20 °С значение этого коэффициента не превысит 1,5. Проще говоря, в этом режиме тепловой насос на каждый затраченный киловатт электроэнергии выдаёт 1,5 кВт тепловой энергии. В этом случае намного дешевле приобрести электрический котел. Воздушный тепловой насос, при постоянно низком коэффициенте эффективности, попросту не окупится.

Подводные камни теплового насоса

Если рассматривать практическое применение каждого из видов теплового насоса, то можно сказать, что у них у всех есть свои подводные камни. Давайте более подробно рассмотрим этот вопрос:
Воздушный тепловой насос. Как следует из законов термодинамики, при низких температурах, COP будет не высоким, то есть, если на улице -20 °С, то значение нашего коэффициента не превысит 1,5. В действительности это так, но многие умалчивают то, что при -20 °С тепловой насос для отопления среднестатистического дома (100-150 кв.м.) должен вырабатывать около 10 квт/ч тепловой энергии, а выходит, что при такой температуре он способен выдавать лишь 3,5 квт/ч тепловой энергии. Остальные 6,5 квт/ч тепла он будет вынужден подпитывать от второго дополнительного теплового агрегата. Именно поэтому наличие второго теплового источника обязательно. В противном случае данный тепловой насос будет эффективен только при температурах выше -10 °С.
Геотермальный тепловой насос. Существует 2 способа укладки трубы в землю: горизонтальная и вертикальная.

  • Горизонтальный коллектор

Трубы укладываются параллельно земле в специально подготовленных траншеях ниже уровня промерзания грунта – 1,5-3 м. Расстояние между траншеями должно быть не менее 1,5 м., а ширина самой траншеи – 50-70 см. Это делается с целью предотвратить переохлаждение грунта. Иначе геотермальный тепловой насос не сможет получать достаточное количество энергии.
Для насоса мощностью 10 кВт требуемая площадь отбора тепла примерно 400 м2. Важно учесть, что на каждый 1 м2 площади отбора должно быть уложено 1,4-2 погонных метра трубы. Поэтому необходимая длина трубы равняется 400×1,4=560 м. То есть, чтобы получить необходимую тепловую мощность в землю нужно закопать 560 метра трубы. Это могут быть 6 равных веток длиной около 93 м с шириной траншеи 50 см. Для этого понадобится участок земли размером 93х12 м и площадью 1116 м2. Подводным камнем, в этом случае, является то, что площадь, где уложены трубы, должна быть свободна. Не у всех владельцев частных домов есть большая свободная территория для укладки трубы. Помимо всего этого, при интенсивной работе теплового насоса очень сильно промораживается грунт, 1,5 м промерзает естественным путем сверху. Кроме этого сама труба промораживает грунт снизу. Следовательно к весне мы получаем промороженный грунт не 1,5 м, а 3-4 м. К чему это приведет? Обычный грунт оттаивает к середине мая, в нашем случае он может оттаять к середине июля, в следствии чего, после оттаивания вся эта площадь будет сплошным ”болотом”, с которым, к сожалению, ничего сделать невозможно.

  • Вертикальный коллектор

В скважину глубиной от 10 до 100 м опускается специальная U-образная труба. Такая укладка обеспечивает более высокий коэффициент эффективности грунтового теплового насоса (1:4—1:5) за счет того, что температура грунта на глубине всегда больше, чем у поверхности.
Для установки трубы вертикального грунтового коллектора (зонда) требуется намного меньше места, чем для горизонтального коллектора. Расстояние между двумя соседними скважинами должно быть не менее 5-6 метров и поэтому такой способ монтажа может использоваться на небольших участках. С другой стороны, бурение скважины стоит дороже рытья траншеи и часто требует специальных разрешений (при бурении свыше определенной глубины).
Предположим, что нужно установить геотермальный тепловой насос мощностью 10 кВт. Для этого потребуется примерно 200 м трубы. То есть в землю достаточно уложить 2 ветки трубы длиной по 100 м с расстоянием между собой 5-6 метров. С теоретический точки зрения все действительно так, а если рассматривать этот вопрос с практической точки зрения, то возникают некоторые трудности: бурильщики не возьмутся за бурение скважин по 100 м, так как это очень сложный процесс. Поэтому они могут предложить 4 скважины по 50 м., а это очень дорогое удовольствие.

Преимущества теплового насоса

Системы отопления, основанные на применении теплового насоса, отличаются экологической чистотой, так как работают без сжигания топлива и не производят вредных выбросов в атмосферу. Одними из важнейших достоинств теплового насоса являются снижение капитальных затрат за счет отсутствия газовых коммуникаций, увеличение безопасности жилища благодаря отсутствию взрывоопасного газа, возможность одновременного получения от одной установки отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования.
Тепловые насосы способны работать не только в режиме отопления, но и в режиме охлаждения. Для работы в этом режиме тепловой насос нуждается в минимальных дополнительных доработках. При этом, он продолжает работать бесшумно , а энергозатраты возрастают незначительно. Зимой источники тепла (воздух, вода или грунт) приносят теплоту, а летом служат источниками холода.

Тепловой насос

Принцип охлаждения тепловым насосом

Существует два способа охлаждение тепловым насосом, пассивное и активное.

Пассивное охлаждение

Также называют системой естественного охлаждения. Характеризуется минимальным потреблением электрической энергии, и также является наименее эффективным. Такой способ охлаждения имеет смысл использовать только для геотермальных или водяных тепловых насосов. Использование пассивного охлаждения в воздушных тепловых насосах неоправданно, так как применение воздуха в качестве низкопотенциального источника теплоты не рационально, поскольку температура наружного воздуха летом выше чем в помещении.
Для осуществления такой системы охлаждения тепловому насосу в контур необходимо добавить блок пассивного охлаждения, который включает в себя дополнительные циркуляционные насосы, теплообменник и трехходовой клапан. Особенность работы заключается в том, что отобранный холод из низкопотенциального источника передается рассолу, который по обратному контуру движется не через компрессор теплового насоса, а через пластинчатый теплообменник. Далее теплоноситель поступает в распределительную гребенку и поглощает излишнюю теплоту помещений. В такой системе энергозатратными устройстами являются только циркуляционные насосы.

Активное охлаждение

При активном охлаждении тепловой насос работает в обратном цикле. Также этот процесс называют «Реверсным режимом». Для обеспечения активного кондиционирования в контур теплового насоса встраивают четырехходовой клапан и дополнительный дроссельный клапан. В данном случае циркуляция рабочей жидкости происходит в обратном направлении. Конденсатор становится испарителем и наоборот.