Тепловые насосы. Виды и устройство. Работа и применение

Комфорт и тепло в наших квартирах и домах обеспечивается с помощью источников энергии, независимо от погоды и времени года. Мало кто задумывается о том, что запасы топлива в виде угля, нефти и газа не бесконечны. Чтобы не расходовать богатые ресурсы недр земли, и оставить некоторый запас для будущего поколения, ученые создали устройства, позволяющие использовать альтернативные источники энергии, возобновляемые с течением времени, одними из подобных разработок стали тепловые насосы.

Они работают на основе применения тепла, выделяемого поверхностью Земли, а также атмосферой. В Европе тепловые насосы уже давно используются для отопления жилья, как, например, стиральная машина, или кондиционер.

В нашей стране такое устройство еще не приобрело широкую популярность. Но постепенно такой вид тепла начинает практиковаться и в российских жилых помещениях, хотя цены на такое оборудование пока еще довольно высоки, и многим людям недоступны.

Виды

Тепловые насосы классифицируются в зависимости от применяемой в работе среды для получения энергии, и метода ее передачи.

Имеется несколько видов тепловых насосов:

Воздух – вода.
Воздух – воздух.
Вода – вода.
Вода – воздух.
Грунт – вода.

Тепловые насосы являются геотермальными, так как для их работы требуется энергия тепла земли или подземных вод. Такие насосы производят обмен тепла, действуя с закрытым или открытым циклом работы.

Устройство и принцип работы

В окружающей среде имеется множество источников тепла, работающих в постоянном режиме круглый год. Например, зимой в морозы температура воды в реке подо льдом имеет положительную температуру. Такое же явление можно наблюдать и в глубине земли. Там температура всегда поддерживается на одном уровне, и равна средней величине за год данного района местности. Воздух также имеет большой запас тепла.

График температуры в земле

Teplovye nasosy grafik

Температура воздуха, земли и воды невысокая, но имеет определенную стабильность. Такие источники тепла можно назвать низкопотенциальными. С помощью современных высоких технологий и законов теплофизики можно преобразовать небольшую разницу температур в нагревание теплоносителя. Если зимой мороз 20 градусов, то в глубине земли температура 7 градусов тепла. Это уже значительный температурный перепад, которым можно воспользоваться для получения тепла.

Такие свойства стабильности температуры в окружающей среде заложены в принципе действия теплового насоса. Он перекачивает тепло из постоянного источника и концентрирует его. Эту работу можно сравнить с действием холодильника. Продукты, которые мы кладем в морозильную камеру, имеют невысокую температуру. Однако, если потрогать решетку теплообменника сзади холодильника, то она окажется горячей.

Холодильник не является удачным примером, так как в нем нет стабильного источника тепловой энергии. Для теплового насоса такой источник можно легко найти, или сделать искусственно. Тогда такое устройство будет работать по принципу, обратному работе холодильника. Он будет работать не для охлаждения, а для получения тепла.

Тепловые насосы состоят из системы с тремя контурами, по которым циркулирует теплоноситель.

В корпусе насоса (1) расположены 2 теплообменника (4, 8), компрессор (7), контур циркуляции (5), регулирующие приборы и управление. 1-й контур в корпусе (1) с насосом (2) размещен в источник тепла. При получении тепла от внешнего постоянного источника, и нагреваясь на несколько градусов, теплоноситель доходит до теплообменного устройства на основе испарителя (4), в котором осуществляется первый этап отдачи тепла, полученного из внешнего источника.

Teplovye nasosy ustroistvo

Вещество, применяемое в качестве хладагента для внутреннего контура, обладает очень малой температурой кипения. Чаще всего таким веществом является двуокись углерода, либо фреон.

Хладагент поступает в испаритель в жидком виде и низкого давления, что обеспечивается регулируемым дросселем (10). Входное отверстие выполнено в виде капилляров, что позволяет хладагенту перейти из жидкого состояния в газообразное. В этом способствует также и форма испарителя.

По физическим законам испарение сопровождается значительным охлаждением и поглощением тепла из внешней среды. Так как рассматриваемая часть внутреннего контура находится в одном теплообменнике с 1-м контуром, то хладагент отбирает тепло от теплоносителя, при этом охлаждая его. Охлажденный теплоноситель дальше циркулирует и набирает тепло из наружного источника.

Фреон, находясь в газообразном состоянии, попадает в компрессор (7), в котором сжимается и сильно нагревается. Дальше он поступает в другой теплообменник (8), в котором находятся трубы 3-го контура насоса (11) и конденсатор.

В этом теплообменнике начинается обратный процесс – фреон конденсируется, переходит в жидкость, при этом тепло отдает на теплоноситель 3-го контура. Находясь в жидком виде и при большом давлении, фреон проходит по дросселю, в котором давление уменьшается. Далее физические процессы изменения состояния фреона повторяются снова и снова.

В 3-й контур теплового насоса через теплообменник (8) поступает тепловая энергия от нагретого с помощью компрессии хладагента. Третий контур оснащен отдельным циркуляционным насосом (12), который создает перемещение теплоносителя по трубам системы отопления.

Более рациональным решением может служить аккумулятор тепла в виде изолированной емкости (13), в которой станет накапливаться тепло. Этот резерв тепловой энергии можно тратить для различных нужд: горячего водоснабжения, отопления, по мере надобности с постепенным расходом. Такая мера дает возможность защитить себя на случай аварии, а также применять ночной тариф, при котором электроэнергия стоит дешевле.

При наличии буферной аккумулирующей емкости, к ней подключается отопительный контур (14) со своим отдельным насосом циркуляции (15), который обеспечивает движение теплоносителя по отопительной системе труб (16). Также можно подключить и другой контур для снабжения горячей водой.

Тепловые насосы не могут обходиться без электричества, которое требуется для работы компрессора. Насосы циркуляции контуров также расходуют электроэнергию. По расчетам специалистов и производителей таких установок, расход электроэнергии не сопоставим с количеством полученного тепла.

При правильной установке и нормальных условиях работы тепловые насосы обеспечивают значительный эффект получения тепла. Другими словами, при расходовании 1 кВт электроэнергии с помощью насоса можно получить на выходе около 4 кВт тепловой энергии.

Здесь большое значение имеет рациональное применение электричества для преобразования и перекачки энергии, которая приходит от стабильного внешнего источника тепла.

Полученное тепло от внешних источников можно расходовать на следующие нужды:

Teplovye nasosy primenenie

1- Водяные теплые полы. Тепловые насосы поднимают температуру до 60 градусов, которых хватает для нагрева пола.
2 — Снабжение горячей водой. Чаще всего в системах горячего водоснабжения температура поддерживается 55 градусов.
3 — Радиаторы отопления. Такой температуры для радиаторов недостаточно. Можно увеличить число секций, либо применять особые низкотемпературные радиаторы.
4 — Кондиционирование воздуха. Эта функция тепловых насосов является их достоинством. В жаркое время такое устройство можно переключать на режим кондиционера. При этом тепло из помещения уходит в водоем или грунт.

Низкопотенциальные источники тепла

В роли таких источников могут использоваться: вода в водоемах, подземных источниках, колодцы, грунт, атмосферный воздух, либо теплые потоки воздуха, которые отводятся от цехов в промышленности. Рассмотрим некоторые из источников тепла.

Энергия грунта

Ниже границы промерзания грунта температура стабильна круглый год. Это явление применяется для действия тепловых насосов. Для таких систем выполняют специальные тепловые поля. На них снимается верхняя часть почвы на глубине 1,5 метра. Укладываются контуры из труб. Их эффективность зависит от климатических условий этой местности.

Энергия скважин

На небольшом участке можно пробурить скважину и забирать из нее тепло. Чем глубже скважина, тем более стабильной является в ней температура в любое время года. В нее опускается специальный трубчатый зонд с теплоносителем.

Энергия водоемов

Находящиеся рядом водоемы с достаточной глубиной, могут являться источником тепла. Зимой вода подо льдом находится в жидком виде, и имеет температуру больше нуля. Принцип действия при этом остается прежним: в водоем укладывается теплообменник в виде труб, по которым циркулирует теплоноситель.

Энергия воздуха

Для обогревания жилого помещения или для снабжения горячей водой тепло можно получать из окружающего воздуха. На этом принципе действуют насосы «воздух-воздух», и «воздух-вода». Это такой же кондиционер, переключенный в режим отопления и нагрева воды.

Достоинства и недостатки

Экономичность и рентабельность отопления.
Экономичное горячее водоснабжение.
Не требуется дымоход для отопления.
Бесшумность работы.
Экологическая безопасность системы, так как нет вредных выбросов в атмосферу и угрозы жильцам.
Взрывобезопасность и пожаробезопасность системы.
Тепловые насосы, изготовленные по современной технологии, являются универсальными устройствами, работающими как для отопления, так и для кондиционирования.
Действие системы насосов возможно под контролем автоматики, не требующей вмешательства человека.
Нет необходимости в профилактике и сложном техническом обслуживании.
Быстрая окупаемость оборудования для отопления. У разных специалистов этот вопрос является спорным.