Что такое - тепловой насос?

Тепловые насосы - это компактные экономичные и экологически чистые системы отопления, позволяющие получать тепло для горячего водоснабжения и отопления коттеджей за счет аккумулирования тепла от низкопотенциальных источников (это грунтовые и артезианские воды, озера, моря, грунтовое тепло, тепло земных недр) и переноса его к теплоносителю с более высокой температурой.

По сути тепловой насос - это холодильник наоборот, подобно тому, как электродвигатель потребляет ток, а генератор (его антипод) вырабатывает.


Используя тепло, рассеянное в окружающей среде (в земле, воде, воздухе), тепловой насос обладает поразительной эффективностью: затратив 1 кВт электроэнергии в приводе насоса, можно получить 3-4, а часто и до 5-6 кВт тепловой энергии, срок службы до капремонта - 15-20 лет.

С ростом цен на энергию и большими требованиями к окружающей среде увеличилось использование тепловых насосов в качестве отопительных систем в домах: до 60% отопительной энергии можно получить бесплатно из природы.

В принципе низкопотенциальным источником тепла (НИТ) для теплового насоса может быть скалистая порода, земля, вода в водоеме или скважине, воздух.

Охлажденный теплоноситель, проходя по трубопроводу в земле или воде, нагревается на несколько градусов. Теплоноситель, проходя через теплообменник, отдает аккумулированное тепло во внутренний контур теплового насоса, заполненый хладоагентом.

Хладоагент (с низкой температурой кипения) в расширителе при низком давлении и температуре -5°С переходит из жидкого состояния в газообразное.

Компрессор сжимает хладоагент до высокой температуры, уже горячий газ поступает во второй теплообменник, где происходит передача тепла в систему отопления.

Охладившись при этом, хладоагент становится вновь жидкостью, а нагретый теплоноситель внутреннего контура подает тепло потребителю. Так в тепловом насосе происходит отбор тепла от низкопотенциального источника и его утилизация.

* “Умножитель тепла”

Принципы действия такого термодинамический цикла представлены в работах Карно (т.н. "цикл Карно", хорошо известный из школьного курса физики) в начале позапрошлого века, в 1852 г. лорд Келвин (Уильям Томсон) предложил практическое применение этого феномена, назвав его “умножителем тепла”.

Тогда еще Келвин считал, что в силу ограниченности невосстанавливаемых ресурсов у его изобретения большое будущее, а затраты на отопление должны составлять всего 3% от существующих.

В его "умножителе тепла", или как сейчас называют, тепловом насосе (Heat Pump), в качестве теплоносителя использовался воздух: он расширялся (охлаждаясь при этом) в специальной емкости, затем подавался в теплообменник, где нагревался наружным воздухом.

При последующем сжатии до атмосферного давления воздух нагревался до температуры выше окружающей и после этого подавался в обогреваемое помещение, вызывая немалое удивление окружающих.

* Оптимизация затрат на отопление

В современных отопительных системах для оптимизации затрат на отопление (т.е. для снижения номинальной мощности теплового насоса, которая не будет использоваться полностью практически в течение всего года) параллельно с тепловым насосом (бивалентный режим) устанавливается дополнительно электрообогрев, который включается только при пиковой тепловой нагрузке - при резком понижении температуры зимой.

* Электроэнергия, потребляемая тепловым насосом

Диаграмма
распределения энергии,
используемой на обогрев,
в зависимости от отопительного сезона.

Электроэнергия, потребляемая тепловым насосом, составляет треть от вырабатываемого тепла.

Необходимо отметить, что тепловые насосы оправдывают себя только в зданиях с теплопотерями не более 60 Вт/м2. И вообще, прежде, чем заниматься отоплением, надо хорошо проработать утепление.

* Экономичность тепловых насосов

Первоначальные затраты на тепловой насос и монтаж системы составляют от 200$ до 600$ на 1 кВт мощности отопления, при этом срок окупаемости капиталовложений 5–9 лет. По экономичности тепловые насосы уступают только газовым котлам, но заметно выигрывают у жидкотопливных и электрических - применение их вместо электроотопления дает четырехкратную экономию затрат. По экологической чистоте тепловым насосам нет равных среди отопительных систем.

Для расчета тепловой потребности для отопления коттеджа (загородного дома) следует исходить из того, как утеплен дом. В среднем потребность в отопительной мощности составляет:

* Хорошо утепленное здание 50 Вт/м2
* Плохо утепленное здание 80-100 Вт/м2

* Тепловой насос на примере

Ниже приведен пример использования теплового насоса из зарубежной практики.

Проект предусматривал полное отопление центрального здания виллы в течение зимы и кондиционирование 1-го и 2-го этажей в летние месяцы с помощью теплового насоса.

Три существующие бойлера, работающие на органическом сырье (два - на газойле и один газовый) были заменены на реверсивные электрические тепловые насосы. Потребляемая мощность теплового насоса в отопительный период составила 140 кВт. Вода из озера ипользуется в качестве источника тепла с помощью тепловых насосов и заборно-сбрасывающей трубопроводной системой. Эта система вкопана в землю, чтобы не нарушать красоты сада, окружающего здание. С тепловым насосом были пременены новые вентиляторы-конвекторы, способные функционировать на низкотемпературных режимах с учетом архитектурных особенностей здания.

Каждый киловатт-час электричества для летнего кондиционирования устранял 5 киловатт-часов тепла из помещения, предназначенного для кондиционирования (примерно вдвое эффективнее обычной воздушно-охлаждающей системы), поскольку температура воды в озере на глубине не превышает 21°C даже в самые жаркие дни.

Тепловой насос позволил сэкономить 35% по сравнению с традиционной отопительной системой с периодом окупаемости 5 лет.

* Применение теплового насоса при низких температурах

Такой проект может быть осуществлен везде, где рядом есть вода (подпочвенные воды, река, море, дренажная вода).

Преимущество воды перед воздухом в качестве источника тепла для теплового насоса в постоянстве высокой температуры - она всегда на несколько градусов выше нуля независимо от температуры окружающего воздуха, что позволяет применять этот способ не только в Италии, но и в наших суровых условиях, для повышения эффективности теплового насоса его следует использовать в т.н. бивалентном режиме, т.е. в паре с дополнительным отопительным источником (электрокотел, котел на жидком или твердом топливе), который будет включаться при пиковых нагрузках при особо низких температурах окружающего воздуха.