Що таке тепловий насос і як він працює?

Теплові насоси оточують людину повсюди. Це обладнання є близьким родичем холодильників і кондиціонерів. Вже десятиліттями вони також застосовуються як альтернатива газовим і електрокотлам для опалення житла та нагріву гарячої води.

Теплові насоси в якості джерела тепла використовують відновлювані ресурси:
• повітря навколишнього середовища;
• воду в природних водоймах;
• землю;
• технологічне тепло;
• тепло стічних вод.

Класичний кондиціонер при роботі на опалення є прямим аналогом теплового насосу, який використовує повітря як джерело для видобутку тепла. Але при роботі на обігрів у нього існують температурні обмеження, що не дозволяють застосовувати його як повноцінний опалювальний прилад. Це пов'язано з тим, що при зниженні зовнішньої (вуличної) температури нижче + 5°С зовнішній теплообмінник з холодоагентом покриваються інеєм, знижуючи ефективність теплового насосу. Та й витягувати тепло з повітря стає все складніше і затратніше в процесі зниження температури на вулиці.
Для України, де характерні холодні зими з температурою навколишнього повітря до -10°С і нижче, можуть використовуватися будь-які теплові насоси, але все ж більший ефект забезпечують геотермальні моделі, які видобувають тепло з грунту або води і передають його в опалювальну систему і / або ГВП.

Як це працює?
Здавалося б, як може обігрівати холодна земля або крижана вода? В цьому немає нічого дивного, адже, згідно із законами фізики, будь-який фізичний об'єкт, температура якого вище абсолютного нуля (-273°С), здатний віддавати теплову енергію більш холодним предметам. Наприклад, якщо температура повітря +5°С, а фреону в системі -10°С, то повітря віддасть частину своєї енергії холодоагенту.

Изображение 1.1.jpg

Малюнок 1.1

Більш стабільними джерелами тепла в порівнянні з повітрям є водойми, грунтові водні пласти і земні надра - їх температура практично незмінна протягом року, тому їх енергію і використовують для функціонування геотермальних теплових насосів.

Принцип, за яким функціонує тепловий насос, ілюструється в циклі Карно, відкритому ще в 1824 році, а перший прототип обладнання зібрав Кельвін в 1852 р.
Як це працює сьогодні для забезпечення обігріву або ГВС:
• В землю (в свердловину, або горизонтально в товщу грунту) або воду поруч з будівлею поміщається тепловий контур (набір труб), попросту кажучи, (глибина повинна становити не менше глибини промерзання). Завдяки тому, що температура навколишнього середовища змінюється незначно, ККД залишається високим і стабільним.
• По трубопроводу циркулює незамерзаюча рідина, яка при проходженні через грунт або воду підвищує свою температуру приблизно на 5°С, одночасно нагріваючи через тепловий насос систему опалення або ГВП.
• Після цього охоловший теплоносій, віддавши тепло, знову повертається по трубах до джерела тепла.

Деякі теплові насоси здатні працювати і на охолодження, що актуально влітку. Для цього робота відбувається в зворотному напрямку: з приміщень забирається тепло і віддається в воду або грунт.

Орієнтовно 1 м свердловинного геотермального зонда може збирати 30-50 Вт енергії, тому для отримання 10 кВт потрібно сформувати геотермальне поле з сумарною довжиною близько 200-300 м. При цьому 1 кВт електричної потужності насоса еквівалентний 3-5 кВт теплової енергії.

Види теплових насосів
При класифікації цього обладнання використовують позначення, в якому вказується, звідки виходить тепло і якому теплоносію воно передається. Залежно від цього виділяють моделі таких типів:
• «Повітря-повітря». За цим принципом діють побутові кондиціонери, які забирають тепло з атмосфери (повітря), передаючи його повітрю в приміщенні.
• «Вода-вода». Теплова енергія водойм передається в водяний контур опалення або ГВП.
• «Повітря-вода». У цьому випадку температура атмосфери використовується для нагріву опалювальної гідросистеми.
• «Грунт-вода». По розташованим в землі трубах циркулює теплоносій, який і забирає тепло у землі і передає опалювальної воді будинку.

Вибір виду теплового насосу залежить від багатьох факторів, серед яких кліматичні особливості регіону, наявність відповідних ресурсів (наприклад, водойма, розташована в безпосередній близькості від будівлі, або можливість формування свердловин в грунті) і ін.

Изображение 1.2.jpg
Малюнок 1.2


Переваги насосів, які беруть енергію від відновлюваних джерел.

До недавнього часу теплові насоси були поширені в основному в Європейських країнах, але поступово їх також стали застосовувати і за межами, де ведеться систематична робота в сфері енергонезалежності та застосування відновлюваних природних ресурсів. Планується, що до 75% європейських домогосподарств встановлять теплові насоси для опалення приміщень, ГВП (нагрівання води здійснюється до температури 40-65°С) та/чи кондиціювання.

  Така впевненість заснована на основних перевагах такого обладнання:
• Економічність. Щоб віддати 1 кВт•год тепла, необхідно затратити всього 0,20-0,35 кВт електрики.
• Високий рівень безпеки. Вся система являє собою замкнутий контур. З цієї причини вона не вимагає стороннього втручання, є практично безвідмовною. Для її функціонування застосовується теплова енергія землі, повітря або води, що створює оптимальну безпеку.
• Багаторежимна. За допомогою одного теплового насосу забезпечується опалення в зимовий час, охолодження - в літній, а також нагрівання води для гарячого водопостачання в будь-який час року.
• Надійність і простота експлуатації. В процесі роботи система практично не вимагає обслуговування, а для її застосування не обов'язково володіти спеціальними навичками і знаннями. При цьому використовуються якісні матеріали та комплектуючі, які забезпечують тривалий термін безперебійної роботи.
• Компактність. Габарити теплового насосу залежать від його потужності і призначення (побутові, промислові), але в більшості випадків обладнання займе приблизно стільки ж місця, як побутовий холодильник.
• Універсальність. Використовувати теплові насоси можна для побутових і промислових потреб, монтуються вони практично в будь-якій місцевості.

До відносних недоліків можна віднести високу вартість обладнання та необхідність проведення складних робіт з укладання трубопроводу в свердловинах або на дні водойми. Але при розгляді проекту з точки зору тривалої перспективи, можна сказати, що такі інвестиції цілком виправдані, адже будинок, опалювальний за допомогою теплового насоса, не потребує подачі газу (вартість якого неухильно зростає).