Існують кілька конструкцій теплових насосів:
На фазових переходах (випаровування і конденсація холодоагенту);
На базі термоелектричних явищ в провідниках або напівпровідниках;
В області ультранизьких температур - на ефекті намагнічування-розмагнічування; та інші.
Півтора століття тому коли британський фізик Вільям Томсон придумав пристрій під назвою «умножитель тепла», засноване на наступних фізичних явищах:
речовина витрачає енергію при випаровуванні і віддає енергію при конденсації
температура кипіння речовини змінюється разом з тиском
Принцип роботи теплового насоса заснований на тому, що холодоагент випаровується в камері з низьким тиском і температурою і конденсується в камері з високим тиском і температурою, здійснюючи таким чином перенесення енергії (тепла) від холодного тіла до нагрітого, тобто в напрямку, в якому мимовільний теплообмін неможливий.
Продуктивність теплового насоса (відношення кількості теплоти, переданої теплоти, переданої тілу, до витраченої роботи) в ідеальному випадку дорівнює:
a = Tвих / (Т вих - Т вх.)
де Т вих і Т вх. - температури відповідно на виході і на вході насоса.
Пристрій теплового насоса
Основними елементами теплового насоса є з'єднані трубопроводом випарник, компресор, конденсатор і регулятор потоку- дросель, детандер або вихрова труба. Схематично тепловий насос можна представити у вигляді системи з трьох замкнутих контурів: в першому, зовнішньому, циркулює тепловіддавач (теплоносій, що збирає теплоту навколишнього середовища), у другому - речовина, яка випаровується, відбираючи теплоту теплоотдатчика, і конденсується, віддаючи теплоту теплоприймачу, в третьому - теплоприемник (вода в системах опалення та гарячого водопостачання будівлі).
Зовнішній контур (колектор) являє собою покладений в землю або у воду (напр. Поліетиленовий) трубопровід, в якому циркулює незамерзаюча рідина - антифриз. Джерелом низько потенційного тепла може служити грунт, скельна порода, озеро, річка, море і навіть вихід теплого повітря з системи вентиляції будь-якого промислового підприємства.
У другій контур, де циркулює холодоагент, як і в побутовому холодильнику, вбудовані теплообмінники - випарник і конденсатор, а також пристрої, які змінюють тиск хладагента - розпилюючи його в рідкій фазі дросель (вузьке калібрований отвір) і стискає його вже в газоподібному стані компресор.
Робочий цикл теплового насоса
Рідкий холодоагент продавлюється через дросель, його тиск падає, і він надходить у випарник, де закипає, відбираючи теплоту, що поставляється колектором з навколишнього середовища. Далі газ, в який перетворився холодоагент, всмоктується в компресор, стискається і, нагрітий, виштовхується в конденсатор. Конденсатор є тепловіддаючим вузлом теплонасоса: тут теплота приймається водою в системі опалювального контуру. При цьому газ охолоджується і конденсується, щоб знову піддатися розрядці в розширювальному вентилі і повернутися у випарник. Після цього робочий цикл починається спочатку.
Ефективність теплового насоса
В процесі роботи компресор витрачає електроенергію. На кожен витрачений кіловат-годину електроенергії тепловий насос виробляє 2,5-5 кіловат-годин теплової енергії. Співвідношення вироблюваної теплової енергії і споживаної електричної називається коефіцієнтом трансформації (або коефіцієнтом перетворення теплоти) і служить показником ефективності теплового насоса. Ця величина залежить від різниці рівня температур в випарнику і конденсаторі: чим більше різниця, тим менше ця величина.
З цієї причини тепловий насос повинен використовувати якомога більшу кількість джерела низько потенційного тепла, не прагнучи домогтися його сильного охолодження. Справді, при цьому зростає ефективність теплового насоса, оскільки при слабкому охолодженні джерела тепла не відбувається значного зростання різниці температур. З цієї причини теплові насоси роблять так, щоб маса низькотемпературного джерела тепла була значно більшою, ніж нагрівається маса.
Відмінність теплового насоса від паливних джерел тепла полягає в тому, що для роботи, крім енергії для компресора, йому потрібен також джерело низько потенційного тепла, в той час як в традиційних джерелах тепла виробляється тепло залежить виключно від теплотворної здатності палива.
Проблема прив'язки теплового насоса до джерела низько потенційного тепла, що має велику масу може бути вирішена введенням в тепловий насос системи масопереносу, наприклад, системи прокачування води. Так влаштована система центрального опалення Стокгольма.
Умовний ККД теплових насосів
Тепловий насос здатний, використовуючи високопотенціальні джерела енергії, «накачати» в приміщення (у відсотках від витраченої) від 200% до 600% низькопотенційної теплової енергії. В цьому немає порушення закону збереження енергії, так як при цьому охолоджується довкілля.
Теоретично застосування теплових насосів для обігріву приміщень ефективніше газових котлів. Сучасні парогазотурбінних установки на електростанціях мають ККД, незначно менший ККД газових котлів. В результаті при переході електроенергетики на сучасне обладнання і при застосуванні теплових насосів можна отримати економію газу до 3-5 разів у порівнянні з газовими котлами. Насправді доводиться враховувати накладні витрати по передачі, перетворення і розподілу електроенергії (тобто послуги енергомереж). В результаті відпускна ціна електрики в 3-5 разів перевищує його собівартість, що зводить нанівець застосування в загальному то прогресивної технології. У зв'язку з цим, доцільно або використовувати електрику від альтернативних джерел (хвильові, вітрові, сонячні електростанції), або комбінувати генерацію електрики з газу з використанням його тут же, на місці, для отримання тепла в тепловому насосі.
Види теплових насосів і джерела енергії
По виду теплоносія у вхідному і вихідному контурах насоси ділять на шість типів: «грунт-вода», «вода-вода», «повітря-вода», «грунт-повітря», «вода-повітря», «повітря-повітря».
Ефективність і вибір певного джерела теплової енергії залежить від кліматичних умов.
Практичні рекомендації по експлуатації теплового насоса
Спеціальної підготовки грунту не потрібно. Але бажано використовувати ділянку з вологим грунтом, якщо ж він сухий, контур треба зробити довше. Орієнтовне значення теплової потужності, що припадає на 1 м трубопроводу, 20-30 Вт. Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідний земляний контур довжиною 350-450 м, для укладання якого буде потрібно ділянку землі площею близько 400 м? (20х20 м). При правильному розрахунку контур не впливає на зелені насадження.
Якщо вільного ділянки для прокладки колектора немає або в якості джерела тепла використовується скеляста порода, трубопровід опускається в свердловину. Не обов'язково використовувати одну глибоку свердловину, можна пробурити кілька неглибоких, більш дешевих, щоб отримати загальну розрахункову глибину. Іноді в якості свердловин використовують фундаментні палі.
Орієнтовно на 1 погонний метр свердловини припадає 50-60 Вт теплової енергії. Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідна свердловина глибиною 170 м.
Холодоагент подається безпосередньо до джерела земного типу, що забезпечує високу ефективність геотермальної опалювальної системи. Випарник встановлюють в грунт горизонтально нижче глибини промерзання або в свердловини діаметром 40-60 мм пробурені вертикально або під нахилом до глибини 15-30 м. Завдяки такому інженерному рішенню пристрій теплообмінного контуру проводиться на площі всього кілька квадратних метрів, не вимагає установки проміжного теплообмінника і додаткових витрат на роботу циркуляційного насоса.
При використанні в якості джерела тепла довколишнього водойми контур укладається на дно. Цей варіант прийнято вважати ідеальним: не надто довгий зовнішній контур, «висока» температура навколишнього середовища (температура води у водоймі взимку завжди позитивна), високий коефіцієнт перетворення енергії тепловим насосом.
Орієнтовне значення теплової потужності на 1 м трубопроводу - 30 Вт. Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідно укласти в озеро контур довжиною 300 м. Щоб трубопровід не спливав, на 1 пог. м встановлюється близько 5 кг вантажу.
Для отримання тепла з теплого повітря (наприклад, з витяжки системи вентиляції) використовується спеціальна модель теплового насоса з повітряним теплообмінником. Тепло з повітря для системи опалення та гарячого водопостачання також можна збирати на виробничих підприємствах.
Якщо тепла із зовнішнього контуру все ж недостатньо для опалення в сильні морози, практикується експлуатація насоса в парі з додатковим генератором тепла (в таких випадках говорять про використання бівалентної схеми опалення). Коли вулична температура опускається нижче розрахункового рівня (температури бівалентності), в роботу включається другий генератор тепла - найчастіше невеликий електронагрівач.
Переваги та недоліки теплового насоса
До переваг теплових насосів в першу чергу слід віднести економічність: для передачі в систему опалення 1 кВт · год теплової енергії установці необхідно затратити всього 0,2-0,35 кВт · год електроенергії. Так як перетворення теплової енергії в електричну на великих електростанціях відбувається з ККД до 50%, ефективність використання палива при застосуванні теплових насосів підвищується. Спрощуються вимоги до систем вентиляції приміщень і підвищується рівень пожежної безпеки. Всі системи функціонують з використанням замкнутих контурів і практично не вимагають експлуатаційних витрат, крім вартості електроенергії, необхідної для роботи обладнання.
Ще однією перевагою теплових насосів є можливість перемикання з режиму опалення взимку на режим кондиціонування влітку: просто замість радіаторів до зовнішнього колектору підключаються фен-койли.
Тепловий насос надійний, його роботою керує автоматика. В процесі експлуатації система не потребує спеціального обслуговування, можливі маніпуляції не вимагають особливих навичок і описані в інструкції.
Важливою особливістю системи є її суто індивідуальний характер для кожного споживача, який полягає в оптимальному виборі стабільного джерела низькопотенційної енергії, розрахунку коефіцієнта перетворення, окупності та іншого.
Теплонасос компактний (його модуль за розмірами не перевищує звичайний холодильник) і практично безшумний.
Хоча ідея, висловлена лордом Кельвіном в 1852 році, була реалізована вже через чотири роки, практичне застосування теплонасоси отримали тільки в 30-х роках минулого століття. У західних країнах теплові насоси застосовуються давно - і в побуті, і в промисловості. Сьогодні в Японії, наприклад, експлуатується близько 3 мільйонів установок, в Швеції близько 500 000 будинків обігрівається тепловими насосами різних типів.
До недоліків теплових насосів, які використовуються для опалення, слід віднести велику вартість встановленого обладнання.
Перспективи застосування теплового насоса
Для організації теплового насоса необхідні високі початкові витрати: вартість насоса і монтажу системи складає $ 300-1200 на 1 кВт необхідної потужності опалення. Час окупності теплонасосів становить 4-9 років, при терміні служби по 15-20 років до капітального ремонту.
Існує і альтернативний погляд на економічну доцільність установки теплонасосів. Так якщо установка теплонасоса проводиться на кошти взяті в кредит, економія від використання теплового насосу може бути менше, ніж вартість використання кредиту. Тому масове використання теплонасосів в приватному секторі можна очікувати якщо вартість теплонасосного обладнання буде порівнянна з витратами на установку газового опалення та підключення до газової мережі.
Ще більш багатообіцяючою є система, що комбінує в єдину систему теплопостачання геотермальний джерело і тепловий насос. При цьому геотермальний джерело може бути як природного (вихід геотермальних вод), так і штучного походження (свердловина із закачуванням холодної води в глибокий шар і виходом на поверхню нагрітої води).
Іншим можливим застосуванням теплового насоса може стати його комбінування з існуючими системами централізованого теплопостачання. До споживача в цьому випадку може подаватися відносно холодна вода, тепло якої перетворюється тепловим насосом в тепло з потенціалом, достатнім для опалення. Але при цьому внаслідок меншої температури теплоносія втрати на шляху до споживача (пропорційні різниці температури теплоносія і навколишнього середовища) можуть бути значно зменшені. Також буде зменшений знос труб центрального опалення, оскільки холодна вода має меншу корозійної активністю, ніж гаряча.
Обмеження застосування теплових насосів
При занадто великій різниці між температурою на вулиці і в будинку, тепловий насос втрачає ефективність (межа застосовності в системах опалення будинків за рахунок відкачування тепла від зовнішнього повітря - близько? 15-20 ° С). Для вирішення цієї проблеми застосовуються системи відкачування тепла з грунту або грунтових вод. Для цього в грунті нижче точки промерзання укладаються труби, в яких циркулює теплоносій, або (в разі рясних грунтових вод) через теплонасосної обладнання прокачиваются грунтові води.
Ще величезне «АЛЕ» укладено в конкретних тарифах на електрику і газ. Для виробництва 1 кВт-години електроенергії необхідно затратити 1/3 кг умовного палива. В результаті вартість калорії електричної та газової різниться в 3-10 разів. Що призводить до неефективності теплонасоса по порівнянні з газовим опалювальним устаткуванням.