Теплові насоси. Види і пристрій. Робота і застосування

Комфорт і тепло в наших квартирах і будинках забезпечується за допомогою джерел енергії, незалежно від погоди і пори року. Мало хто замислюється про те, що запаси палива в вигляді вугілля, нафти і газу не нескінченні. Щоб не витрачати багаті ресурси надр землі, і залишити деякий запас для майбутнього покоління, вчені створили пристрій, що дозволяють використовувати альтернативні джерела енергії, поновлювані з плином часу, одними з подібних розробок стали теплові насоси.

Вони працюють на основі застосування тепла, що виділяється поверхнею Землі, а також атмосферою. В Європі теплові насоси вже давно використовуються для опалення житла, як, наприклад, пральна машина, або кондиціонер.

У нашій країні такий пристрій ще не набуло широкої популярності. Але поступово такий вид тепла починає практикуватися і в російських житлових приміщеннях, хоча ціни на таке обладнання поки що досить високі, і багатьом людям недоступні.

види

Теплові насоси класифікуються залежно від вживаної в роботі середовища для отримання енергії, і методу її передачі.

Є кілька видів теплових насосів:

  • Повітря – вода.
  • Повітря – повітря.
  • Вода – вода.
  • Вода – повітря.
  • Грунт – вода.

Теплові насоси є геотермальними, так як для їх роботи потрібна енергія тепла землі або підземних вод. Такі насоси виробляють обмін тепла, діючи з закритим або відкритим циклом роботи.

Пристрій і принцип роботи

В навколишньому середовищу є безліч джерел тепла, які працюють в постійному режимі круглий рік. Наприклад, взимку в морози температура води в річці під льодом має позитивну температуру. Таке ж явище можна спостерігати і в глибині землі. Там температура завжди підтримується на одному рівні, і дорівнює середній величині за рік даного району місцевості. Повітря також має великий запас тепла.

Графік температури в землі

Температура повітря, землі і води невисока, але має певну стабільність. Такі джерела тепла можна назвати низько потенційного. За допомогою сучасних високих технологій і законів теплофізики можна перетворити невелику різницю температур в нагрівання теплоносія. Якщо взимку мороз 20 градусів, то в глибині землі температура 7 градусів тепла. Це вже значний температурний перепад, яким можна скористатися для отримання тепла.

Такі властивості стабільності температури в навколишньому середовищі закладені в принципі дії теплового насоса. Він перекачує тепло з постійного джерела і концентрує його. Цю роботу можна порівняти з дією холодильника. Продукти, які ми кладемо в морозильну камеру, мають невисоку температуру. Однак, якщо доторкнутися грати теплообмінника ззаду холодильника, то вона виявиться гарячої.

Холодильник не є вдалим прикладом, так як в ньому немає стабільного джерела теплової енергії. Для теплового насоса таке джерело можна легко знайти, або зробити штучно. Тоді такий пристрій буде працювати за принципом, зворотному роботі холодильника. Він буде працювати не для охолодження, а для отримання тепла.

Теплові насоси складаються з системи з трьома контурами, по яких циркулює теплоносій.

У корпусі насоса (1) розташовані 2 теплообмінника (4, 8), компресор (7), контур циркуляції (5), регулюючі прилади і управління. 1-й контур в корпусі (1) з насосом (2) розміщений в джерело тепла. При отриманні тепла від зовнішнього постійного джерела, і нагріваючись на кілька градусів, теплоносій доходить до теплообмінного пристрою на основі випарника (4), в якому здійснюється перший етап віддачі тепла, отриманого з зовнішнього джерела.

Речовина, яка застосовується в якості холодоагенту для внутрішнього контуру, має дуже малою температурою кипіння. Найчастіше такою речовиною є двоокис вуглецю, або фреон.

Холодоагент надходить у випарник в рідкому вигляді і низького тиску, що забезпечується регульованим дроселем (10). Вхідний отвір виконано у вигляді капілярів, що дозволяє холодоагенту перейти з рідкого стану в газоподібний. У цьому сприяє також і форма випарника.

За фізичним законам випаровування супроводжується значним охолодженням і поглинанням тепла із зовнішнього середовища. Оскільки розглянута частина внутрішнього контуру знаходиться в одному теплообміннику з 1-м контуром, то холодоагент відбирає тепло від теплоносія, при цьому охолоджуючи його. Охолоджений теплоносій далі циркулює і набирає тепло з зовнішнього джерела.

Фреон, перебуваючи в газоподібному стані, потрапляє в компресор (7), в якому стискається і сильно нагрівається. Далі він надходить в інший теплообмінник (8), в якому знаходяться труби 3-го контуру насоса (11) і конденсатор.

У цьому теплообміннику починається зворотний процес – фреон конденсується, переходить в рідину, при цьому тепло віддає на теплоносій 3-го контуру. Перебуваючи в рідкому вигляді і при великому тиску, фреон проходить по дроселя, в якому тиск зменшується. Далі фізичні процеси зміни стану фреону повторюються знову і знову.

У 3-й контур теплового насоса через теплообмінник (8) надходить теплова енергія від нагрітого за допомогою компресії холодоагенту. Третій контур оснащений окремим циркуляційним насосом (12), який створює переміщення теплоносія по трубах системи опалення.

Більш раціональним рішенням може служити акумулятор тепла у вигляді ізольованої ємності (13), в якій стане накопичуватися тепло. Цей резерв теплової енергії можна витрачати для різних потреб: гарячого водопостачання, опалення, при необхідності з поступовим витратою. Такий захід дає можливість захистити себе на випадок аварії, а також застосовувати нічний тариф, при якому електроенергія коштує дешевше.

При наявності буферної акумулюючої ємності, до неї підключається опалювальний контур (14) зі своїм окремим насосом циркуляції (15), який забезпечує рух теплоносія по системі опалення труб (16). Також можна підключити і інший контур для постачання гарячою водою.

Теплові насоси не можуть обходитися без електрики, яке потрібно для роботи компресора. Насоси циркуляції контурів також витрачають електроенергію. За розрахунками фахівців і виробників таких установок, витрата електроенергії не можна порівняти з кількістю отриманого тепла.

При правильній установці і нормальних умовах роботи теплові насоси забезпечують значний ефект отримання тепла. Іншими словами, при витрачанні 1 кВт електроенергії за допомогою насоса можна отримати на виході близько 4 кВт теплової енергії.

Тут велике значення має раціональне застосування електрики для перетворення і перекачування енергії, яка приходить від стабільного зовнішнього джерела тепла.

Отримане тепло від зовнішніх джерел можна витрачати на такі потреби:

1 – Водяні теплі підлоги. Теплові насоси піднімають температуру до 60 градусів, яких вистачає для нагріву підлоги.
2 – Постачання гарячої води. Найчастіше в системах гарячого водопостачання температура підтримується 55 градусів.
3 – Радіатори опалення. Такий температури для радіаторів недостатньо. Можна збільшити число секцій, або застосовувати особливі низькотемпературні радіатори.
4 – Кондиціювання повітря. Ця функція теплових насосів є їх гідністю. У жарку пору такий пристрій можна перемикати на режим кондиціонера. При цьому тепло з приміщення йде в водойму або грунт.

Низько потенційного джерела тепла

У ролі таких джерел можуть використовуватися: вода у водоймах, підземних джерелах, колодязі, грунт, атмосферне повітря, або теплі потоки повітря, які відводяться від цехів у промисловості. Розглянемо деякі з джерел тепла.

енергія грунту

Нижче межі промерзання грунту температура стабільна цілий рік. Це явище застосовується для дії теплових насосів. Для таких систем виконують спеціальні теплові поля. На них знімається верхня частина грунту на глибині 1,5 метра. Укладаються контури з труб. Їх ефективність залежить від кліматичних умов цієї місцевості.

енергія свердловин

На невеликій ділянці можна пробурити свердловину і забирати з неї тепло. Чим глибше свердловина, тим стабільнішою є в ній температура в будь-який час року. У неї опускається спеціальний трубчастий зонд з теплоносієм.

енергія водойм

Розташовані поряд водойми з достатньою глибиною, можуть бути джерелом тепла. Взимку вода під кригою знаходиться в рідкому вигляді, і має температуру більше нуля. Принцип дії при цьому залишається тим самим: у водойму укладається теплообмінник у вигляді труб, по яких циркулює теплоносій.

енергія повітря

Для обігрівання житлового приміщення або для постачання гарячою водою тепло можна отримувати з навколишнього повітря. На цьому принципі діють насоси «повітря-повітря», і «повітря-вода». Це такий же кондиціонер, перемкнутий в режим опалення та нагрівання води.

Достоїнства і недоліки
  • Економічність і рентабельність опалення.
  • Економічне гаряче водопостачання.
  • Не потрібно димар для опалення.
  • Безшумність роботи.
  • Екологічна безпека системи, так як немає шкідливих викидів в атмосферу та загрози мешканцям.
  • Вибухобезпека і пожежна безпека системи.
  • Теплові насоси, виготовлені за сучасною технологією, є універсальними пристроями, що працюють як для опалення, так і для кондиціонування.
  • Дія системи насосів можливо під контролем автоматики, яка потребує втручання людини.
  • Немає необхідності в профілактиці і складному технічному обслуговуванні.
  • Швидка окупність обладнання для опалення. У різних фахівців це питання є спірним.
Ссылка на основную публикацию