Тепловой насос

 
    
 
 

История возникновения теплового  насоса      

Концепция тепловых насосов была разработана еще в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (Лордом Кельвином) и в дальнейшем усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером. Петера Риттера фон Риттингера считают изобретателем теплового насоса, ведь именно он спроектировал и установил первый известный тепловой насос в 1855 году^[4] . Но практическое применение тепловой насос приобрел значительно позже, а точнее в 40-х годах ХХ столетия, когда изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер экспериментировал с морозильной камерой^[5] . Однажды Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе камеры и понял, что тепло просто выбрасывается наружу. Изобретатель задумался над тем, как использовать это тепло, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В результате Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть тепла от нагретой воды попадала в воздух. Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника тепла можно нагревать и воду, и воздух одновременно, поэтому Вебер усовершенствовал свое изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять тепло по дому с целью его отопления. Со временем именно у Вебера появилась идея «выкачивать» тепло из земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон, который «собирал» тепло земли. Газ конденсировался, отдавал свое тепло в доме, и снова проходил через змеевик, чтобы подобрать следующую порцию тепла. Воздух приводился в движение с помощью вентилятора и распространялся по дому. В следующем году Вебер продал свою старую угольную печь.   

 В 40-х годах тепловой насос был известен своей чрезвычайной эффективностью, но реальная потребность в нём возникла во время Арабского нефтяного эмбарго в 70-х годах, когда несмотря на низкие цены на энергоносители появился интерес к энергосбережению. Именно тогда доктор Джеймс Бозе, профессор Университета штата Оклахома, случайно наткнулся на старый инженерный текст о концепции тепловых насосов. Доктор Бозе решил помочь собственникам домов, чьи тепловые насосысбрасывали горячую воду в бассейн, и приспособил тепловой насос для циркуляции воды по трубам вместо слива в бассейн. Это положило начало новой эре в области геотермальных систем. Доктор Бозе вернулся в Университет и начал развивать свою идею. С того времени Университет штата Оклахома стал центром исследования и развития геотермальных тепловых насосов. Международная Ассоциация геотермальных тепловых насосов была основана в Оклахоме и располагается в корпусе государственного Университета штата Оклахома, в которой доктор Бозе является исполнительным директором.         

 Сегодня  именем Риттингера названа Международная  премия  по тепловым насосам (медаль с его изображением), посвящённая  достижениям в области теплонасосных и связанных с ними технологий, таких как отопление и кондиционирование воздуха. Последними владельцами этой престижной премии являются профессор Королевского Института Технологий (Стокгольм, Швеция) Эрик Гренрид, профессор Университета Иллинойс (США) Предраг Хнджак и доктор наук Джеральд Грофф, США, которые были награждены на 9-ой Конференции Международного Энергетического Агентства по тепловым насосам, которая проходила 20–22 мая 2008 года в Цюрихе (Швейцария). Следующая Международная конференция по тепловым насосам будет проводиться в июне 2011 года в Токио, Япония. 

Тепловые  насосы в системах отопления и кондиционирования 

 
    Использование геотермальных  тепловых насосов для отопления,  охлаждения и горячего водоснабжения  здания или комплекса зданий  
В соответствии с изображенным принципом действия, тепловой насос берет тепловую энергию, перекачивает ее, и отдает в другое место.   
Например, в обычном холодильнике тепло отбирается морозильной камерой из холодильника и выбрасывается в кухню, при этом задняя стенка холодильника становится горячей.  

 
   В реверсивных кондиционерах,  работающих на отопление, расположенный  снаружи здания блок забирает  тепло из воздуха и отдает  внутреннему блоку в здание. Однако, при температурах около плюс  пяти градусов, наружный блок  кондиционера начинает покрыватся инеем и льдом из конденсата воздуха, что уменьшает эффективность теплопередачи. Для удаления льда кондиционер начинает периодически отапливать наружный блок электричеством, при этом мощность отопления падает, расход электроэнергии увеличивается. При дальнейшем снижении температуры в итоге эффективность отопления на кондиционерах становится равной нулю, отопление прекращается, кондиционер останавливается. 

 
   При отоплении геотермальными теплонасосами, попросту говоря, наружный блок вкапывается в землю или погружается в озеро рядом со зданием. При этом, независимо от температуры воздуха во дворе, внешний блок остается свободным от льда, эффективность теплопередачи остается высокой. 

 
   Принцип действия отопления  геотермальными тепловыми насосами  основан на сборе тепла из  почвы или воды, и передаче  собранного тепла отоплению здания. Для сбора тепла незамерзающая  жидкость течет по трубе, расположенной  в почве или водоеме, к тепловому  насосу. Тепловой насос, подобно  холодильнику, отбирает около 8 °С у незамерзающей жидкости, при этом жидкость охлаждается. Жидкость снова течет по трубе, восстанавливает свою температуру и поступает к тепловому насосу. Отобранные тепловым насосом градусы передаются системе отопления и/или на подогрев горячей воды.   
Возможно отбирать тепло у подземной воды - подземная вода с температурой около 10 °С подается из скважины к тепловому насосу, который охлаждает воду до +1...+2°С, и возвращает воду под землю.   
Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус двести семьдесят три градуса Цельсия - так называемый "абсолютный ноль". То есть тепловой насос может отобрать тепло у любого предмета - земли, водоема, льда, подземной скалы, плывуна и т.д. 

 
   В климатических условиях  Украины для отопления здания  энергия забирается из грунта (или водоема) и отдается в  систему отопления здания. Если  же здание, например летом, нужно охлаждать (кондиционировать), то происходит обратный процесс - тепло забирается из здания и сбрасывается в землю (водоем). Тот же тепловой насос может работать зимой на отопление, а летом на охлаждение здания. Очевидно, что теплонасос одновременно может выполнять вытекающие функции - греть воду для горячего бытового водоснабжения, кондиционировать через фанкойлы,греть бассейн, охлаждать например ледовый каток, подогревать крыши и дорожки от льда... Тоесть одно оборудование может взять на себя все функции по тепло-холодоснабжению здания.   
  
   

Обмен теплом с окружающей средой геотермальные      тепловые насосы осуществляют такими основными                  способами:  
  
    - насос с открытым циклом - из подземного потока (плывуна) забирается подземная вода, подается в размещенный внутри здания тепловой насос, вода отдает/забирает тепло у теплового насоса, и возвращается в подземный поток на расстоянии от места забора. Плюсом такого способа является возможность одновременно получить воду для водоснабжения дома. Открытые системы являются очень эффективными, поскольку температура подземной воды является относительно высокой и круглогодично стабильной. Использование воды из скважины не наносит ущерба грунтовым водам, не изменяет уровень грунтовых вод в водном горизонте, поскольку открытую систему можно рассматривать как соединённые сосуды, где вода, забираемая из одного колодца, направляется обратно под землю через второй колодец, не изменяя общий уровень воды. Корректно, в соответствии с нормативами сооружённые скважины обеспечивают безопасную для окружающей природы стабильную работу системы отопления.  

- насос с  закрытым циклом и водоразмещенным теплообменником - специальная жидкость (теплоноситель) прокачивается по коллекторам (трубкам), находящимся в водоеме, и отдает/забирает тепло у воды. Здания целесообразно отапливать тепловой энергией открытого водоёма в том случае, если здание находится от водоёма ближе 100 метров, и глубина водоёма, а также береговая линия соответствуют условиям, требуемым для прокладки коллектора. Плюсом такого способа является его относительная дешевизна.  
Распределенные по поверхности озера коллекторы (трубки) перед заполнением теплоносителем и погружением их на дно.  

 
  - насос с закрытым циклом и горизонтальным теплообменником, размещенным в земле - трубки (коллекторы), в которых прокачивается теплоноситель, размещены горизонтально на глубине не менее метра от поверхности земли. Основной опасностью является неосмотрительность при проведении землекопных работ в зоне нахождения почвенного коллектора. Для современно жилого дома с отапливаемой площадью в 200 м2 под основание коллектора требуется около 500 м2 поверхности грунта. При прокладке коллектора вблизи деревьев трубу коллектора не следует укладывать ближе, чем 1,5 метра от кроны. Правильно выбранный по размерам и правильно уложенный почвенный коллектор не влияет негативно ни на рост растений, ни на экологические условия. 

 
   - насос с закрытым циклом и вертикальным теплообменником - трубки, в которых прокачивается теплоноситель, размещены вертикально в земле и уходят в глубину земли до 200 метров.  
Как известно, на глубине 15-20 метров от поверхности земля имеет стабильную температуру 10-12 градусов Цельсия независимо от поры года. С увеличением глубины температура земли повышается. Этот способ обеспечивает самую высокую эффективность работы теплонасоса, малый расход электроэнергии и дешевое тепло - на 1 кВт электроэнергии получают до 5 кВт тепловой энергии, но требует больших первоначальных капиталовложений. 

 
   Тепловые насосы, которые забирают/отдают тепло из земли или воды, в Европейских странах обычно называют "геотермальные тепловые насосы", или по-английски «geothermal heat pumps» - «GHP». Все изображенные выше способы используют GHP. В некоторых странах, например Великобритании, к GHP относят только тепловые насосы с вертикальным теплообменником, а другие способы называют "землеразмещенными", "грунтовыми" или "солнечными" теплонасосами. Разница в названиях не меняет сути работы тепловых насосов для отопления.  
  
   Дополнительно к вышеперечисленным, геотермальный тепловой насос может забирать остаточное тепло из воздуха, удаляемого вентиляцией здания. Вентилируемый использованный воздух перед удалением из здания охлаждается, тепло возвращается (рекуперируется) тепловому насосу. 

 
   Обращаем внимание на нецелесообразность  использования в Украине систем  отопления на так называемых "воздушных  теплонасосах", по сути обычных кондиционерах, в которых тепло для отопления здания забирается из наружного воздуха. Эти системы разработаны и успешно используются в более теплых, чем Украина, странах, где не бывает значительных морозов - южных штатах США, Греции, Японии и т.д. Проблема в том, что размещенный снаружи теплообменник при температуре на улице около плюс 5 градусов Цельсия начинает покрываться льдом из-за замерзающего конденсата, резко снижается теплопередача, эффективность теплонасоса уменьшатся. При дальнейшем понижении температуры наружного воздуха эффективность теплонасоса становится близкой нулю, воздушный тепловой насос переходит на обычное электроотопление, что резко увеличивает расход электроэнергии, или полностью прекращается.  
  
  
                     

  Пассивное охлаждение/кондиционирование  

 
    Большим плюсом некоторых  систем геотермального теплонасоса является возможность прямого использования летом подземного холода для охлаждения/кондиционирования здания. Например, в системах с открытым циклом подземная вода, имеющая температуру около 10 градусов Цельсия, обычным насосом летом подается в здание и распространяется по активным конвекторам (фанкойлам), которые кондиционируют здание, после чего возвращается под землю. При этом компрессор теплонасоса не включается, электроэнергия расходуется только на прокачивание воды. На потраченный один киловатт электроэнергии можно получить до 30 киловатт холода, что в 10 раз эффективнее кондиционера. Такой способ кондиционирования называют "свободным" или "пассивным". Такое охлаждение особенно эффективно при открытом способе или способе с вертикальным теплообменником. 

 
   Если мощности пассивного  охлаждения недостаточно зданию, или если используются другие  способы обмена теплом с окружающей  средой, для охлаждения используют  компрессор теплового насоса. То  есть теплонасос начинает работать как обычный кондиционер. Такое охлаждение называют "активным".  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 

Преимущества  и недостатки

Преимущества:

1. К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с кпд до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.
2. Еще одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы.
3. Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.
4. Важной особенностью системы является ее сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.
5. Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.