Холодильник наоборот - тепловой насос

Тепловые насосы функционируют по принципу, обратному холодильникам. Эксперты предсказывают, что к 2026 году в развитых странах до 75% отопления и горячего водоснабжения будет обеспечиваться тепловыми насосами.

Уникальная особенность тепловых насосов (ТН) заключается в их способности извлекать энергию из окружающей среды, такой как почва, вода и даже воздух. Эти источники могут иметь отрицательную температуру (до -15°С), в то время как вода, нагреваемая ТН, может достигать 60-80°С.

В отличие от традиционных теплогенераторов, где выход тепловой энергии всегда меньше потребленной энергии (газа, топлива, электричества), тепловые насосы демонстрируют более высокую эффективность. КПД котла всегда ниже 100%, в то время как ТН может произвести 1 кВт тепловой энергии, затратив всего 0,25-0,4 кВт электроэнергии, получая остальную энергию из окружающей среды. Тепловой насос аналогичен холодильнику, но если холодильник отводит тепло от продуктов внутри камеры и рассеивает его в окружающую среду, то ТН извлекает тепло из окружающей среды и передает его в теплообменник. Следовательно, ТН можно рассматривать как "холодильник наоборот".

Оба устройства используют два известных свойства жидкостей:

• При изменении фазового состояния воды (из жидкости в пар при кипении или из пара в жидкость при конденсации) происходит поглощение или выделение тепла, что в термодинамике называется теплотой фазового перехода.

• При снижении давления жидкость начинает кипеть (испаряться) при более низкой температуре. В ТН и холодильниках используются специальные вещества, известные как хладагенты (фреоны или хладоны), которые кипят при температурах -20°С, -30°С. Хладагент является рабочим телом холодильной машины, чьи циклические изменения агрегатного состояния обеспечивают перенос тепла от среды с низкой температурой к среде с более высокой температурой. Среда с низкой температурой называется источником низкопотенциального тепла и может включать в себя грунт, воду или воздух.

Тепловые насосы: принцип работы

ТН, как и холодильник, состоит из четырех основных компонентов: испарителя, компрессора, конденсатора и дросселя, через которые циркулирует рабочее тело – фреон.

Тепло от низкопотенциального источника (грунта, воды, воздуха) передается в испаритель. В теплообменнике испарителя это тепло передается фреону, который находится под низким давлением и закипает при данной температуре. Образовавшийся пар поступает в компрессор и сжимается, что повышает его температуру до 90-100°С. Горячий фреон под давлением поступает в конденсатор, где циркулируют вода или воздух, выступающие в роли теплоносителя для системы отопления.

В конденсаторе пары фреона конденсируются на холодных поверхностях, передавая свою теплоту теплоносителю внешнего контура и переходя в жидкую фазу. Затем жидкий фреон проходит через дросселирующий вентиль, где его давление резко снижается, а температура становится ниже температуры источника низкопотенциального тепла.

В завершение цикла фреон возвращается в испаритель, где снова закипает, испаряется и т.д., и цикл повторяется автоматически. Так работают парокомпрессионные ТН, наиболее распространенные в бытовых установках. Существуют также абсорбционные, эжекторные и термоэлектрические тепловые насосы.

Агрегат извлекает тепловую энергию из среды с потенциально отрицательной температурой и направляет ее в теплоноситель потребителя, повышая его температуру до 60-80°С. Важно отметить, что ТН потребляет энергию только для работы компрессора, а количество тепловой энергии, передаваемой потребителю от источника низкопотенциального тепла, может значительно превышать затраты электроэнергии на привод компрессора.

Основным показателем эффективности ТН является коэффициент преобразования тепла, который отражает отношение тепловой мощности, отдаваемой потребителю, к мощности, потребляемой компрессором. На 1 кВт затраченной электроэнергии ТН может произвести от 2,5 до 4 кВт тепловой энергии.

Тепловой насос: способы извлечения низкопотенциального тепла

Важным элементом теплового насоса является устройство, извлекающее тепло из окружающей среды. Поскольку источниками низкопотенциального тепла могут быть различные среды (грунт, вода, воздух), способы извлечения тепла также различаются:

1. Грунтовые зонды. Тепло извлекается из одной или нескольких скважин глубиной 50-150 м. На такой глубине температура грунта стабильна и составляет около +10°С, что делает грунтовые зонды наиболее эффективными. Тепловая мощность глубоких зондов варьируется от 30 до 100 Вт на погонный метр скважины. Глубина и количество скважин зависят от типа грунта и необходимой тепловой мощности.

2. Грунтовые коллекторы. Тепло извлекается из неглубокого слоя земли (1-2 м) с помощью горизонтально уложенных полиэтиленовых труб с незамерзающим теплоносителем. Трубы могут быть уложены петлей, змейкой, спиралью и т.п., в зависимости от свойств грунта и геометрии участка. Тепловая мощность грунтового коллектора составляет 10-35 Вт на погонный метр трубы, что делает его более экономичным, чем грунтовые зонды. Укладка контура ниже уровня промерзания грунта не обязательна.

3. Водяные коллекторы. Трубы укладываются на дно непромерзающего водоема. Эта система более эффективна, чем грунтовый коллектор, и не требует земляных работ, однако условия для ее реализации встречаются реже.

4. Воздушные контуры. Воздушные тепловые насосы, использующие тепло наружного воздуха, становятся все более распространенными. Они эффективно работают при температуре воздуха до -10°С и даже ниже. Коэффициент преобразования тепла воздушных ТН составляет 3-3,8, а максимальная температура воды в системе отопления достигает 55°С. При температуре воздуха ниже -10°С эффективность воздушных ТН снижается, и требуется подключение резервного котла (дизельного или электрического). Некоторые модели воздушных ТН оснащены встроенными ТЭНами для этой цели.

В последнее время воздушные ТН также стали использовать теплый воздух вытяжных вентиляционных систем жилых домов. Это дополнительное тепло используется для повышения эффективности тепловых насосов или для подогрева земли вокруг грунтовых коллекторов.