Самый древний и традиционный способ получения тепла – сжигание топлива – был известен еще древнему человеку с момента, как он открыл для себя огонь. Этот метод и поныне является, чуть ли не единственным вариантом отопления. Причем за всю историю человеческой цивилизации он не претерпел существенных изменений. Расширился лишь ассортимент сжигаемого топлива, а сам процесс стал более совершенным, основанным на новейших разработках в этой области. В последнее время наука закономерно занялась вопросом, как получить отопление без топлива,и какие альтернативные источники обогрева можно использовать.
Связано это с тем, что данный тип получения тепла влечет за собой ряд проблем, которые отодвигаются на второй план на фоне неуклонного подорожания существующих источников тепловой энергии. В первую очередь, это разрушительное воздействие на экологию и, как следствие, на здоровье человека. А также возрастание потенциальной опасности экологической катастрофы мирового масштаба, когда существование людей на планете станет невозможным.
Второй момент заключается в том, что запасы используемого топлива рано или поздно закончатся. Эти две причины и вынудили ученых искать альтернативные варианты обогрева. Одним из результатов подобных изысканий, получившим уже мировое практическое применение, стало появление тепловых насосов.
Устройство и принцип действия
Работа любого устройства основана на использовании законов физики. Так и принцип действия теплового насоса базируется на свойствах газов и жидкостей, а также на принципах термодинамики этих сред. При испарении – переходе жидкости в газообразное состояние – энергия, или тепло поглощается. При конденсации – переходе газообразных веществ в жидкое состояние – наоборот, выделяется. Наиболее интенсивно процесс испарения происходит при температуре кипения и близкой к этой отметке. В нормальных условиях вода закипает при 1000С.
Однако есть вещества, закипающие при гораздо более низких температурах. Например, небезызвестный фреон начинает кипеть при +30С, что значительно ниже комнатной температуры. Это значит, что при +30С он превращается из жидкости в газ, который легко подвергнуть сжатию (проще, чем жидкость) – то есть увеличить его давление в замкнутой системе, что, согласно законам термодинамики, приведет к росту температуры.
Сжать газообразный фреон теоретически можно до получения любой высокой температуры. На практике же больший интерес представляет нагрев до значений традиционных систем отопления, например до +800С, что вполне возможно. На использовании этих важных процессов и свойств построена работа тепловых насосов.
В земной толще на определенной глубине температура всегда постоянна, независимо от времени года и других обстоятельств, и равна +80С. Проложенные в этих слоях коллекторы из труб с циркулирующей по ним незамерзающей жидкостью забирают тепло земли. Через теплообменник эта жидкость нагревает фреон, перемещающийся по контуру теплового насоса.
При температуре +80С фреон, естественно, трансформируется в газообразное состояние. Этот газ сжимают компрессором для нагревания до температуры 800С. Он отдает это тепло системе отопления через другой теплообменник и с гораздо меньшей температурой, но с прежним высоким давлением поступает в дроссель, где его давление резко снижают. Вследствие этого температура также быстро понижается до значений перехода фреона обратно в жидкое состояние. Он снова отправляется в теплообменник для получения тепла земли, замыкая тем самым цикл.
В данном случае земля является так называемым источником температуры низкого уровня. К ним также относятся вода водоемов, подземные воды и даже воздух, так как у всех них своя определенная температура. Общеизвестно, что примерно 70% поверхности земли занято водой, что означает наличие у человека колоссальных запасов тепловой энергии, подаренных природой. Назначение насоса — преобразование теплоты этих источников в тепло высокого уровня — 70–800С.
Теорию применяемого в тепловом насосе процесса впервые описал французский ученый Карно в 1824 г. Процесс назвали «цикл Карно». В 1852 г. британец Уильям Томсон, основываясь на этой теории, разработал первый тепловой насос, получивший известность как «умножитель тепла». А в 1855 г. австрийский инженер Петер Риттер фон Риттингер спроектировал первый тепловой насос и испытал его.
С этой технологией мы ежедневно сталкиваемся в повседневной жизни, так как она используется в ставших обычными для нас холодильниках. В испарителе – холодильной камере этого устройства — забирается тепло продуктов, и они охлаждаются. Хладагент (фреон) переносит и рассеивает полученное тепло через радиатор в атмосферу. Потребляемая холодильником электроэнергия расходуется только на перемещение фреона по системе с помощью компрессора.
Типы тепловых насосов
Источниками низкоуровневого тепла могут быть:
- вода любых наземных водоемов
- подземные воды
- земля
- воздух
Исходя из этого, а также учитывая вид теплоносителя в системе отопления помещений, определяют тип насоса. Когда источником является земля, а обогрев производится водяной отопительной системой, то тип насоса классифицируют как «грунт-вода».
Аналогично выделяют типы тепловых насосов «вода-вода», «воздух-вода», «грунт-воздух», «воздух-воздух» и «вода-воздух». Насосы, использующие земное тепло, называют также геотермальными, а тепло воздуха — воздушными.
Преимущества и недостатки
Достоинства тепловых насосов:
- Главное преимущество состоит в том, что не требуется никакого топлива. Мало того, при установке не нужно получать ТУ и другие разрешения.
- Первичные затраты на систему с тепловым насосом и установку традиционного отопления часто сопоставимы. А эксплуатационные затраты при отоплении этим устройством ниже, чем у всех традиционных систем, кроме магистрального газа. Но рост его стоимости, скорее всего, в ближайшие годы приведет к тому, что и магистральный газ по экономичности будет уступать тепловым насосам.
- Эффективность — система быстро выходит на проектный режим эксплуатации (максимум полчаса) и прогревает дом. При этом технология получения тепла отличается экологической чистотой, не взрывоопасна и не пожароопасна.
- Высокая надежность и длительный срок эксплуатации без капитальных ремонтов — до 25 лет. Раз в год необходим лишь недорогой текущий осмотр.
- Вентиляция для работы насоса не нужна. Система малошумна и малогабаритна, поэтому в случае отсутствия котельной возможна установка на кухне или в другом помещении.
- Автономность — для работы насосов необходимо только электричество. А при перебоях в электроснабжении возможна работа по запасной схеме — от дизель-генератора. Кроме того,насосы могут использоваться в комплексе с солнечными коллекторами.
- Летом насос может работать в режиме кондиционера. Он прост в использовании и требует минимум внимания — запрограммированный агрегат работает и поддерживает нужную температуру автоматически.
Недостатки насосов
К недостаткам устройства следует отнести:
- Высокую стоимость оборудования по сравнению с иными известными видами отопления.
- Необходимость индивидуальных сложных расчетов для каждого отдельного случая применения.
- Невозможность использования теплового насоса в отдельно взятой квартире многоквартирного дома.
Цена
На сегодняшний день цена насосов такова, что является главным фактором, сдерживающим их широкое применение. В нее входит много составляющих, и она различна для каждого отдельного случая.
Для максимальной эффективности отопления необходим тщательный расчет самого насоса. Также требуется исследование источников низкоуровневого тепла — это тоже приличные затраты. Стоимость монтажа значительно увеличивает бурение скважин или закладка коллекторов в землю на большую глубину. Поэтому самые доступные по цене устройства — воздушные, установка которых не требует подобных работ.
Средняя стоимость использования тепловых насосов, по данным разных компаний, находится в пределах от 600 до 1200 евро из расчета на 1кВт необходимой для отопления мощности. По различным производителям стоимость также имеет достаточно широкий диапазон и зависит от конструкции, применяемых материалов, степени автоматизации и ряда других факторов.
Перспективы
У тепловых насосов, несомненно, большое будущее. Мировая практика подтверждает это показателями неуклонного роста количества устанавливаемых ежегодно устройств. Высокая стоимость все же окупается по прошествии нескольких лет эксплуатации, а некоторые европейские страны датируют установку насосов, которые являются источником очень дешевого тепла на десятилетия. В среднем, потребляя 1 кВт электроэнергии для работы, насос вырабатывает 4—5 кВт тепловой энергии.
На сегодняшний день:
- В Швеции 70% тепла генерируется этими устройствами, и ежегодно устанавливается до 150 тыс. новых. Правительством страны поставлена задача — до 2020 года исключить полностью зависимость государства от газа и нефти и потреблять энергию только возобновляемых источников. Тепловым насосам отведена ведущая роль в этих планах.
- В Финляндии и Норвегии в год устанавливают до 100 тыс. устройств. В Австрии, Испании, Германии и Англии выделяются государственные дотации на установку насосов — до 3000 евро на одно частное домовладение.
- В Швейцарии приходится один насос на 2 кв.км территории, а по количеству устройств на 1000 населения страна занимает одно из лидирующих мест в Европе.
- В США производят ежегодно до 1 млн. устройств (в основном, воздушных, исходя из климата), которые заменяют старую систему отопления или устанавливаются в новых постройках. При возведении новых общественных сооружений используют исключительно тепловые насосы, и это положение закреплено Федеральным законодательством страны.
- Мировой Энергетический Комитет составил прогноз, согласно которому к 2020 году в наиболее развитых странах снабжение теплом от насосов составит 75%.
Эти цифры показывают, что сегодня на Западе тепловой насос является рядовым прибором быта — как микроволновка или телевизор.
В России внедрение этих устройств сдерживается повсеместным использованием относительно недорогого и доступного газа. Тем не менее, отмечается тенденция роста количества применяемых тепловых насосов. Ведь возобновляемые энергетические источники — это тот потенциал, к которому человеческая цивилизация придет обязательно.
Заключение
Использование возобновляемых источников энергии обеспечивает не только отопление без применения топлива, но и возможность в перспективе получать электроэнергию, основываясь на тех же принципах преобразования. Запасы этих источников на земле не просто огромны — они бесконечны, потому и названы возобновляемыми. Все они вполне доступны, а их широкое применение сдерживается пока еще высокой стоимостью оборудования для преобразования из-за не достаточного совершенства существующих технологий.