Современные тепловые насосы для отопления дома — берем энергию у планеты

Принципиальная схема

Схема отопительной системы

Ежегодно в камерах сгорания различного рода печей сжигаются тысячи тонн всевозможных видов топлива только для того, чтобы обеспечить жилье теплом. Астрономические суммы денег уходят на оплату топлива, и с каждым годом эти суммы растут. Вот почему потребители все время находятся в поиске того, как сократить потребление энергоносителей. Готовое решение лежит на поверхности, а точнее, в глубине планеты, где размещено огромное количество тепловой энергии. Но как ее оттуда достать? Серьезный вопрос, на который ученые уже давно дали ответ. Обращаем ваше внимание на новый вид оборудования, которое представлено в виде тепловых насосов для отопления дома.

История появления тепловых насосов

Чтобы тепловой насос появился как отдельный вид оборудования, пришлось потрудиться большому количеству ученых из разных стран. Начнем с француза Сади Карно, который первым создал теоретическую модель новой по тем временам паровой машины, работающей по принципу термодинамического цикла. Это было в 1824 году. Затем Бенуа Клайперон придумал математическую и графическую модель прибора. А затем два англичанина — Уильям Томсон и лорд Кельвин — через 30 лет создают лабораторную модель, которую назвали тепловым насосом. Через 2 года австриец Петер фон Риттингер становится автором уже промышленной модели. Видите, сколько людей приняло участие в разработке этого агрегата!

Но на этом все закончилось, и тепловые насосы больше нигде не применялись. Только через 100 лет в середине двадцатого века американец Роберт Уэббер, занимаясь холодильными установками, заметил, что можно использовать горячий трубопровод, который отводит хладагент из холодильной камеры, для обогрева воды. Он просто протянул эту трубу внутри бойлера. После чего его семья не знала бед с горячим водоснабжением дома.

Но на этом инженер не остановился. Он понимал, что большое количество тепла все равно уходит «на ветер». Он поступил просто, добавив в систему трубопровода змеевик, который обдувался бытовым вентилятором. Это оказалось отличной идеей, потому что решался вопрос частичного отопления. Американец получил сразу две инженерные коммуникации — отопление и горячее водоснабжение. Но на работу холодильной установки требовалась электрическая энергия, а инженер хотел обойтись без оплаты энергоносителей, поэтому он пошел дальше. В то время уже было известно, что под землей температура всегда положительная, вот ее-то и хотел использовать Уэббер.

Принцип укладки труб

Эко система

Так и получилось. Он создал под землей зацикленную систему медных труб, в которую закачал фреон. Газ поступал вниз, где забирал тепло и поднимался наверх, идя в теплообменник и нагревая тем самым теплоноситель в системе отопления дома. Кстати, американский инженер полностью отказался от традиционных энергоносителей, которые раньше использовал для отопления и горячего водоснабжения своего дома. Но, к сожалению, в те времена эта разработка у американских ученых и бизнесменов вызвала только улыбку. Ведь проблем с энергоносителями не было, и топливо, особенно нефтепродукты, было очень дешевым.

Все изменилось в одночасье, когда страны Ближнего Востока перестали продавать нефть США. Возник кризис, во время которого и вспомнили об альтернативе. И хотя эмбарго через пару лет отменили, американцы все равно не перестали пользоваться альтернативными источниками энергии. И сегодня отопление тепловыми насосами набирает популярность.

Устройство и принцип действия

Простой механизм

Способ работы

Чем глубже от поверхности земли, тем выше температура. Это связано с тем, что сокращается расстояние до магмы, температура которой — 1300С. В любой точке планеты на глубине более трех метров температура всегда положительная. Она не везде равномерная, потому что зависит от ряда факторов. К примеру, от климатического региона, состава грунта и эндогенной активности земли.

Но для теплового насоса важны не высокие температуры, а сам положительный показатель. Дело в том, что тепловой насос, забирая тепло из любой среды — грунта, воды, воздуха — передает его хладагенту, который при движении по теплопроводу начинает сжиматься. Такой процесс называется компрессией. Подобные установки делятся на два типа — компрессионные и сорбционные.

Компрессионные тепловые насосы

Из чего состоит устройство

Устройство компрессионного насоса

Первый вариант логично отнести не к отопительным установкам, а к холодильным. Во всяком случае, принцип их работы идентичен. Правда, здесь используются два контура — внутренний для движения хладагента и внешний для движения теплоносителя.

В процессе работы такого теплового насоса хладагент проходит следующие этапы:

  • Во-первых, хладагент — это жидкое вещество, которое необходимо перевести в газообразное. Для этого используется специальное устройство — испаритель. В нем происходит быстрое снижение давления вещества. Испаритель состоит из двух контуров, расположенных один в другом. Во внешнем — теплоноситель, а во внутреннем — хладагент. Именно здесь теплоноситель передает хладагенту свою низкотемпературную тепловую энергию.
  • После этого хладагент перемещается в компрессор, где сжимается до высокого давления. От этого поднимается его температура.
  • Далее движение идет в направлении конденсатора в виде змеевика, где хладагент передает свою высокую температуру теплоносителю. Здесь же он снова переходит в жидкое состояние.
  • Чтобы понизить давление до минимума, на пути хладагента стоит расширительный клапан. Теперь хладагент движется в испаритель, и цикл начинается снова.

Внимание! Работу теплового насоса контролируют термодатчик и терморегулятор. Если температура в помещении достигает необходимого показателя, компрессор просто отключается. И наоборот.

Абсорбционные тепловые насосы

Работа абсорбционной установки

Абсорбционный насос

Этот вид отопительного оборудования работает от термических компрессоров, топливом к которым выступает природный газ. Абсорбция — это физико-химический процесс, в основе которого лежит способность газов или жидкостей изменять свой объем за счет других газов или жидкостей, отличающихся от первых температурой и давлением. Для этих установок обычно используется аммиак, который быстро испаряется при низкой температуре и давлении. При этом он забирает тепло у среды, где расположен.

В парообразном состоянии аммиак поступает в абсорбер (теплообменник), где смешивается с водой. Здесь и происходит передача тепловой энергии. Но у воды и аммиака температура кипения разная, поэтому тепла хладагента хватает, чтобы довести воду до кипения. Происходит испарение. Насыщенный таким образом пар поступает с большой тепловой энергией в конденсатор, где отдает тепло теплоносителю и превращается в жидкость. Здесь же происходит и разделение раствора на две составляющие — воду и аммиак.

Достоинствами абсорбционных тепловых насосов является отсутствие движущихся и вращающихся узлов и деталей. А значит, агрегат бесшумен и долговечен. Но такие насосы стоят очень дорого из-за сложной конструкции. К тому же они относятся к категории маломощных, да и требования к обработке внутренних поверхностей самые жесткие, поскольку аммиак быстро разъедает любой материал.

Типы теплосборников

Источниками для работы тепловых насосов могут выступать различные материалы и среды. В настоящее время используются три основных. Это геотермальные источники, воздушные и вторичное тепло. Давайте рассмотрим каждый вид отдельно.

Геотермальный источник

Глубины геотермальных механизмов

Геотермальное отопление

Геотермальные насосы используют тепловую энергию грунта или грунтовых вод. Их делят на два типа — открытые и замкнутые. В свою очередь замкнутые системы подразделяются по типам:

  • Горизонтальные. В этом случае контур трубопровода представляет собой цилиндрический змеевик, который заглубляют ниже уровня промерзания грунта.
  • Вертикальные. Такой контур загружается в скважину или колодец. Обычно этот метод установки используется, если мала территория участка, или нужно не испортить уже готовый ландшафт.
  • Водные. Это то же самое, что и горизонтальные, но контур укладывается на дно водоема ниже уровня промерзания воды. На сегодня это самый дешевый способ. Обычно в качестве контура применяются пластиковые трубы, которые укладываются по дну водоема по определенной схеме. Трубопровод обязательно прижимается ко дну грузом из расчета 5 кг на один погонный метр. Таким образом, с каждого метра длины извлекается около 30 ватт тепловой энергии. Значит, для теплового насоса мощностью 10 киловатт потребуется уложить контур длиной 300 метров.

В тепловых насосах открытого типа используется обычная вода как среда для теплообмена. Но, проходя через этот тип оборудования, она обязательно сбрасывается обратно в грунт, поэтому ее качеству уделяется особое внимание.

Воздушный источник

Название говорит само за себя — тепловая энергия забирается из воздуха. Такие установки лучше использовать в регионах, где средняя температура воздуха зимой бывает не ниже нуля градусов. А так как в нашем отечестве таких районов нет, то и воздушные тепловые насосы у нас неприемлемы.

Вторичные источники

Отопление энергией земли

Альтернативный источник энергии

Этот вид отопительного оборудования чаще всего используется на промышленных объектах, где технология производства связана с выработкой паразитарной тепловой энергии. Она в технологических процессах не используется, и такое тепло обычно утилизируют. Так вот его можно применять как источник тепла.

Нюансы укладки контура

Распределение температур по трубам

Теплообменник передачи

  1. Устанавливать в отрытый котлован нужно пластиковые трубы. Глубина скважины или котлована должна быть минимум на полметра больше уровня промерзания грунта. А расстояние между трубами должно составлять около полутора метров.
  2. В качестве теплоносителя можно использовать антифриз или обычный водный рассол.
  3. Если грунт песчаный и не может удерживать влагу, то в таком месте необходимо контур удлинить вдвое.
  4. Если бурится скважина в скальной породе, то рекомендуется использовать бур диаметром 168–324 миллиметра — это оптимальный вариант. Но глубина такой скважины не должна быть меньше 100 метров. Если этого сделать не удается, придется бурить несколько скважин меньшей глубины, но при этом в каждую опускать 2 трубы, соединенные внизу U-образной трубкой.
  5. Бурить скважину ниже 200 метров не имеет смысла. Лучше сделать несколько неглубоких, при этом сохранить расстояние между ними в пределах 15–20 метров. Чем шире скважина, тем меньше должна быть ее глубина.
  6. Обычно с каждого погонного метра контура извлекается тепловая энергия, равная 30–60 ватт.
  7. Горизонтальный способ забора тепловой энергии является самым эффективным, потому что практически не зависит ни от климата, ни от качества грунта. Единственный и большой его недостаток — это сложность и дороговизна бурильных и монтажных работ.

Заключение по теме

Насос по центру

Подключение насоса

Что ни говори, а тепловой насос для отопления дома имеет ряд преимуществ. И первое — это экономичность. Любые насосы теплового типа являются энергозависимыми установками, поскольку в них работает компрессор и циркуляционный насос. Но среди всех энергозависимых установок они самые экономичные. К примеру, для выработки тепловой энергии, равной 1 киловатту в час, потребуется всего лишь 350 ватт электрической энергии. Добавим небольшие габаритные размеры — на вид такие установки похожи на бытовые холодильники. И еще один плюс — автоматический режим работы. А вот основной недостаток — это очень высокая стоимость оборудования, которая среднестатистическому потребителю не по карману.

Но все ученые и специалисты говорят о том, что эти установки для отопления имеют прекрасное будущее. А с ростом цен на энергоносители растет и вероятность, что ими будет пользоваться все большее количество простых обывателей.

Комментарии и отзывы к материалу