Теплові насоси

Переваги теплових насосів
Особливості теплових насосів

Що таке тепловий насос?

По суті, тепловий насос - це злегка перетворений холодильник. В обох є випарник, компресор, конденсатор і дроселюючий пристрій. Цикл роботи в холодильника та насоса абсолютно однаковий, відрізняються тільки параметри настроювання. Навіть зовні, по розмірах і формі, вони схожі один на одного.

Холодильник працює, викачуючи тепло назовні, тепловий насос працює за таким же принципом тільки навпаки - він нагнітає тепло з вулиці або із ґрунту у Вашу вітальню. У холодильнику майже не відчувається тепло продуктів, яке, в остаточному підсумку, виділяється у вигляді досить гарячого потоку повітря, що відходить від трубчастої панелі конденсатора ("радіатор" на задній стінці). Тому, якщо з холодильника витягти випарну камеру (із трубами) і закопати в землю, ми й одержимо тепловий насос, що буде обігрівати кімнату теплим повітрям. А якщо конденсатор холодильника обмивати водою, то її, нагріту, можна використати в радіаторах опалення або у теплій підлозі.

Принцип дії теплового насосу заснований на циклі Карно, добре відомому зі шкільного курсу фізики: 

                                               (картинка, що рухається - тут)

Основними складовими частинами внутрішнього контуру теплових насосів  є:

1. Конденсатор
2. Капіляр
3. Випарник
4. Компресор, що одержує енергію від електричної мережі

Крім того, у внутрішньому контурі є:
- терморегулятор, що є керує тепловим насосом
- холодоагент, що циркулює в системі (газ із певними фізичними характеристиками)

Холодоагент під тиском через капілярний отвір надходить у випарник, де за рахунок різкого зменшення тиску відбувається випар. При цьому холодоагент віднімає тепло у внутрішніх стінок випарника, а випарник, у свою чергу, відбирає тепло в земляного контуру, за рахунок чого відбувається його постійне охолодження. Компресор засмоктує з випарника холодоагент, стискає його, за рахунок чого температура холодоагенту підвищується й виштовхує в конденсатор. Крім того, у конденсаторі, нагрітий у результаті стиску холодоагент віддає отримане тепло (температура порядку 85-125 градусів Цельсія) в опалювальний контур й остаточно переходить у рідкий стан. Процес повторюється знову. При досягненні необхідної температури терморегулятор розмикає електричний ланцюг і компресор зупиняється. При зниженні температури в опалювальному контурі терморегулятор знову включає компресор. Холодоагент у теплових насосах робить зворотний цикл Карно.  

Таким чином, робота теплового насоса схожа із процесом холодильника. Тепловий насос перекачує низькопотенційну теплову енергію ґрунту, води або навіть повітря у відносно високопотенційне тепло для опалення об'єкта. Приблизно 2/3 опалювальної енергії можна одержати безкоштовно із природи: ґрунту, води, повітря і тільки 1/3 енергії необхідно витратити для роботи самого теплового насоса. Іншими словами, власник теплового насоса заощаджує 70% коштів, які, при опаленні свого будинку, магазина, цеху і т.ін. традиційним способом, він би регулярно витрачав на дизпаливо або електроенергію.

Попросту, тепловий насос бере теплову енергію із землі (води, повітря) і «перекачує» її  в опалювальний будинок.

Тепловий насос використовує тепло, що знаходиться у "розпорошеному" стані в навколишнім середовищі: у землі, воді, повітрі (його фахівці називають низькопотенційним теплом). Затративши 1 квт електроенергії в приводі насоса, можна одержати 3-4 квт теплової енергії. Теплові насоси застосовують, щоб опалювати будинку, готовити гарячу воду, прохолоджувати або осушувати повітря в кімнатах, вентилювати приміщення.

Переваги

Основні переваги теплових насосів:

1) Економічність. Тепловий насос використовує введену в нього енергію на голову ефективніше будь-яких котлів, що спалюють паливо. Величина КПД у нього багато більше одиниці. Між собою теплові насоси порівнюють по особливій величині - коефіцієнту перетворення тепла - Кпт (його ще називають коефіцієнт трансформації тепла, потужності, перетворення температур). Він показує відношення одержуваного тепла до витраченої енергії. Приміром, Кпт = 3,5 означає, що, підвівши до машини 1 квт, на виході ми одержимо 3,5 квт теплової потужності, тобто 2,5 квт природа пропонує нам безоплатно.

2) Повсюдність застосування. Джерело розсіяного тепла можна виявити в будь-якому куточку планети. Земля та повітря найдуться на самій занедбаній ділянці, удалині від газових магістралей і ліній електропередач - скрізь цей агрегат роздобуде для себе "їжу", щоб безперебійно опалювати ваш будинок, не залежачи від капризів погоди, постачальників дизельного палива або падіння тиску газу в мережі. Навіть відсутність потрібних 2-3 квт електричної потужності не перешкода. Для привода компресора в деяких моделях використають дизельні або бензинові движки.

3) Екологічність. Тепловий насос не тільки заощадить гроші, але й збереже здоров'я мешканцям будинку і їхнім спадкоємцям. Агрегат не спалює паливо, а отже, не утворяться шкідливі окисли типу CO, СO2, NOх, SO2 , Pb2. Тому навколо будинку на ґрунті немає слідів сірчаних, азотистих, фосфорної кислот і бензольних з'єднань. Та й для планети застосування теплових насосів - благо. Адже, за великим рахунком, на ТЕЦ скорочується витрата палива на виробництво електрики. Застосовувані ж у теплових насосах фреони не містять хлорвуглецю та озонобезпечні.

4) Універсальність. Теплові насоси мають властивість оборотності (реверсивності). Вони вміють відбирати тепло з повітря будинку, прохолоджуючи його. Улітку надлишкову енергію іноді відводять на підігрів басейну.

5) Безпека. Ці агрегати практично вибухо- та пожежебезпечні. Немає палива, немає відкритого вогню, небезпечних газів або сумішей. Вибухати тут просто нема чому, не можна також учадіти або отруїтися. Жодна деталь не нагрівається до температур, здатних викликати запалення горючих матеріалів. Зупинки агрегату не призводять до його поломок або замерзання рідин. По суті, тепловий насос небезпечний не більш, ніж холодильник.

Особливості

При застосуванні теплових насосів необхідно пам'ятати, що для всіх типів теплових насосів характерний ряд особливостей.

1. По-перше, тепловий насос виправдує себе тільки в добре утепленому будинку, тобто з тепловтратами не більше 100 Вт/м2. Чим тепліше будинок, тим більше вигода. Як ви розумієте, опалювати вулицю, збираючи на ній же крохи тепла, - заняття дурне.

2. По-друге, чим більше різниця температур теплоносіїв у вхідному й вихідному контурах, тим менше коефіцієнт перетворення тепла (Кпт), тобто менше економія електроенергії.  Тому більш вигідне підключення агрегату до низькотемпературних систем опалення. Насамперед, мається на увазі обігрів від водяних підлог або теплим повітрям, тому що в цих випадках температура теплоносія має бути не вище 35°С.

3. По-третє, для досягнення більшої вигоди практикується експлуатація теплових насосів у парі з додатковим генератором тепла (у таких випадках говорять про використання бівалентної схеми опалення). У будинку з великими тепловтратами ставити насос великої потужності (більше 30 квт) невигідно. Він громіздкий, а буде працювати на повну силу всього лише біля місяця. Адже кількість дійсно холодних днів не перевищує 10-15% від тривалості опалювального сезону. Тому часто потужність теплового насоса призначають рівної 70-80% від розрахункової опалювальної. Вона буде покривати всі потреби будинку в теплі доти, поки вулична температура не опуститься нижче певного розрахункового рівня (температури бівалентності), наприклад, мінус 5-10°С. Із цього моменту в роботу включається другий генератор тепла. Є різні варіанти його використання. Найчастіше таким помічником служить невеликий електронагрівник, але можна поставити й рідкопаливний котел. Можливі й більш складні теплові бівалентні схеми, наприклад включення сонячного колектора. Для цього, у деяких серійних системах теплових насосів і сонячних колекторів така можливість передбачена в конструкції. У цьому випадку, змішування тепла, що йде від теплового насоса  (це досить інерційна система) і від сонячного колектора (малоінерційна система) робиться в бойлері.