В этой статье: история создания теплового насоса; как устроен и работает тепловой насос; виды тепловых насосов; тепловая энергия из воздуха, воды и грунта; в завершении — плюсы и минусы тепловых насосов.
С целью победить зимнюю стужу, домовладельцы рыщут в поисках энергоносителей и подходящих отопительных котлов, завидуя счастливцам, к домам которых подведены коммуникации, снабжающие природным газом. Каждую зиму в печах сжигаются тысячи тонн древесины, угля, нефтепродуктов, расходуются мегаватты электроэнергии на астрономические суммы, возрастающие с каждым годом, и кажется, что другого выхода просто нет. Между тем один постоянный источник тепловой энергии всегда находится рядом с нашими домами, однако заметить его в этом качестве населению Земли довольно сложно. А что, если использовать для отопления домов тепло нашей планеты? И подходящее устройство для этого имеется — геотермальный тепловой насос.
История теплового насоса
Теоретическое обоснование работы таких устройств в 1824 году привёл французский физик Сади Карно, опубликовав свою единственную работу о паровых машинах, в которой был описан термодинамический цикл, спустя 10 лет математически и графически подтверждённый физиком Бенуа Клайпероном и получивший название «цикл Карно».
Первая лабораторная модель теплового насоса была создана английским физиком Уильямом Томсоном, лордом Кельвином в 1852 году, во время проводимых им опытов по термодинамике. Кстати, своё название тепловой насос получил именно от лорда Кельвина.
Уильям Томсон, барон Кельвин
Промышленная модель теплового насоса была построена в 1856 году австрийским горным инженером Петером фон Риттингером, использовавшим это устройство для испарения рассола и осушения солончаков с целью добычи сухой соли.
Петер Риттер фон Риттингер
Однако своим применением в отоплении домов тепловой насос обязан американскому изобретателю Роберту Уэбберу, экспериментировавшему в конце 40-х годов прошлого века с морозильной камерой. Роберт обратил внимание, что выходящая из морозильной установки труба горячая и решил использовать это тепло на бытовые нужды, удлинив трубу и пропустив через бойлер с водой. Идея изобретателя оказалась успешной — с этого момента горячей воды у домочадцев было в избытке, часть тепла при этом расходовалась бесцельно, уходя в атмосферу. Уэббер не мог с этим смириться и добавил к выводу из морозильника змеевик, рядом с которым поставил вентилятор, получив в результате установку для воздушного отопления дома. Спустя некоторое время изобретательный американец догадался, что можно добывать тепло в буквальном смысле из земли под его ногами и зарыл на некоторую глубину систему медных труб, с циркулировавшим по ним фреоном. Газ собирал тепло в земле, доставлял в дом и отдавал его, а после возвращался обратно в подземный теплосборник. Тепловой насос, созданный Уэббером, оказался настолько эффективным, что тот полностью перевёл отопление дома на эту установку, отказавшись от традиционных отопительных приборов и энергоносителей.
Тепловой насос, изобретённый Робертом Уэббером, долгие годы считался, скорее, нелепицей, чем действительно эффективным источником тепловой энергии — нефтяные энергоносители были в избытке, по вполне приемлемым ценам. Рост интереса к возобновляемым источникам тепла возник в начале 70-х, благодаря нефтяному эмбарго 1973 года, в ходе которого страны Персидского залива единодушно отказались поставлять нефть в США и Европу. Дефицит нефтепродуктов вызвал резкий скачок цен на энергоносители — срочно понадобился выход из ситуации. Несмотря на последующую отмену эмбарго в 1975 году и восстановление поставок нефти, европейские и американские производители вплотную занялись разработками собственных моделей геотермальных тепловых насосов, установившийся спрос на которые с тех пор только растёт.
Устройство и принцип действия теплового насоса
По мере погружения в земную кору, на поверхности которой мы живём и чья толщина составляет на суше около 50–80 км, повышается её температура — это связано с близостью верхнего слоя магмы, температура которого примерно равна 1300 °С. На глубине от 3 метров температура грунта в любое время года положительная, с каждым километром глубины она повышается в среднем на 3–10 °С. Рост температуры грунта с его глубиной зависит не только от климатической зоны, но и от геологии грунтов, а также эндогенной активности в данном районе Земли. К примеру, в южной части африканского континента рост температуры на километр глубины грунта составляет 8 °С, а в штате Орегон (США), на территории которого отмечена достаточно высокая эндогенная активность — 150 °С на каждый километр глубины. Однако для эффективной работы теплового насоса подводящий к нему тепло внешний контур вовсе не нужно зарывать на сотни метров под землю — источником тепловой энергии может быть любая среда, имеющая температуру больше 0 °С.
Тепловой насос осуществляет перенос тепловой энергии из воздуха, воды или грунта, повышая в процессе переноса температуру до необходимой за счёт компрессии (сжатия) хладагента. Существует два основных типа тепловых насосов — компрессионные и сорбционные.
Принципиальное устройство компрессионного теплового насоса: 1 — земля; 2 — циркуляция рассола; 3 — циркуляционный насос; 4 — испаритель; 5 — компрессор; 6 — конденсатор; 7 — система отопления; 8 — хладагент; 9 — дроссель
Несмотря на сбивающее с толку название, компрессионные тепловые насосы относятся не к отопительным, а к холодильным устройствам, поскольку работают по тому же принципу, что и любые холодильники или кондиционеры. Отличие теплового насоса от хорошо известных нам холодильных установок в том, что для его работы требуется, как правило, два контура — внутренний, в котором циркулирует хладагент, и внешний, с циркуляцией теплоносителя.
В процессе работы этого устройства хладагент внутреннего контура проходит следующие этапы:
- охлаждённый хладагент в жидком состоянии поступает по контуру через отверстие капилляра в испаритель. Под влиянием быстрого понижения давления хладагент испаряется и переходит в газообразное состояние. Двигаясь по изогнутым трубкам испарителя и контактируя в процессе движения с газообразным или жидким теплоносителем, хладагент получает от него низкотемпературную тепловую энергию, после чего поступает в компрессор;
- в камере компрессора хладагент сжимается, при этом резко возрастает его давление, что вызывает повышение температуры хладагента;
- из компрессора горячий хладагент следует по контуру в змеевик конденсатора, выступающий в роли теплообменника — здесь хладагент отдаёт тепло (порядка 80–130 °С) теплоносителю, циркулирующему в отопительном контуре дома. Утратив большую часть тепловой энергии, хладагент возвращается в жидкое состояние;
- при прохождении через расширительный клапан (капилляр) — он расположен во внутреннем контуре теплового насоса, следующим после теплообменника — остаточное давление в хладагенте снижается, после чего тот поступает в испаритель. С этого момента рабочий цикл повторяется вновь.
Принцип работы воздушного теплового насоса
Таким образом, внутреннее устройство теплового насоса состоит из капилляра (расширительного клапана), испарителя, компрессора и конденсатора. Работой компрессора управляет электронный терморегулятор, прекращающий подачу электропитания к компрессору и останавливающий тем самым процесс выработки тепла при достижении заданной температуры воздуха в доме. При снижении температуры ниже определённого уровня, терморегулятор в автоматическом режиме включает компрессор.
В качестве хладагента во внутреннем контуре теплового насоса циркулируют фреоны R-134а или R-600а — первый на основе тетрафторэтана, второй на основе изобутана. Оба данных хладагента — безопасны для озонового слоя Земли и экологически чисты. Компрессионные тепловые насосы могут иметь привод от электромотора или от двигателя внутреннего сгорания.
В сорбционных тепловых насосах используется абсорбция — физико-химический процесс, в ходе которого газ или жидкость увеличиваются в объёме за счёт другой жидкости под воздействием температуры и давления.
Принципиальная схема абсорбционного теплового насоса: 1 — нагреваемая вода; 2 — охлаждаемая вода; 3 — греющий пар; 4 — нагретая вода; 5 — испаритель; 6 — генератор; 7 — конденсатор; 8 — неконденсирующиеся газы; 9 — вакуумный насос; 10 — конденсат греющего пара; 11 — растворный теплообменник; 12 — газоотделитель; 13 — абсорбер; 14 — растворный насос; 15 — насос хладагента
Абсорбционные тепловые насосы оборудованы термическим компрессором, работающим на природном газе. В их контуре находится хладагент (обычно аммиак), испаряющийся при низкой температуре и давлении, поглощая при этом тепловую энергию из среды, окружающей циркуляционный контур. В парообразном состоянии хладагент поступает в теплообменник-абсорбер, где, в присутствии растворителя (как правило, воды), подвергается абсорбции и передаче теплоты растворителю. Подача растворителя производится при помощи термосифона, обеспечивающего циркуляцию за счёт разницы давлений между хладагентом и растворителем, или насоса с низким энергопотреблением в установках большой мощности.
В результате соединения хладагента и растворителя, температура кипения которых различна, тепло, доставленное хладагентом, вызывает испарение их обоих. Хладагент в парообразном состоянии, имеющий высокую температуру и давление, поступает по контуру в конденсатор, переходит в жидкое состояние и отдаёт тепло теплообменнику отопительной сети. После прохождения через расширительный клапан хладагент переходит в исходное термодинамическое состояние, аналогичным образом возвращается в исходное состояние растворитель.
Преимущества абсорбционных тепловых насосов — в возможности работы от любого источника тепловой энергии и полном отсутствии движущихся элементов, т. е. бесшумности. Недостатки — меньшая мощность, по сравнению с компрессионными агрегатами, высокая стоимость, объясняющаяся сложностью конструкции и потребностью в использовании устойчивых к коррозии материалов, сложно поддающихся обработке.
Абсорбционная теплонасосная установка
В адсорбционных тепловых насосах используются твёрдые материалы, как силикагель, активированный уголь или цеолит. В ходе первого рабочего этапа, называемого фазой десорбции, к камере теплообменника, покрытой изнутри сорбентом, подводится тепловая энергия, к примеру, от газовой горелки. Нагрев вызывает парообразование хладагента (воды), полученный пар доставляется ко второму теплообменнику, в первой фазе отдающему полученное при конденсации пара тепло в отопительную систему. Полное осушение сорбента и завершение конденсации воды во втором теплообменнике завершает первый этап работы — подача тепловой энергии в камеру первого теплообменника прекращается. На втором этапе теплообменник с конденсированной водой становится испарителем, доставляя хладагенту тепловую энергию из внешней среды. В результате соотношения давлений, достигающего 0,6 кПа, при контакте тепла из внешней среды хладагент выпаривается — водяной пар поступает обратно в первый теплообменник, где адсорбируется в сорбент. Тепло, которое отдаёт пар в процессе адсорбции, передаётся системе отопления, после чего цикл повторяется. Следует отметить, что адсорбционные тепловые насосы для использования в бытовых целях не подходят — предназначены лишь для зданий большой площади (от 400 м2), менее мощные модели находятся всё ещё в стадии разработки.
Типы теплосборников для тепловых насосов
Источники тепловой энергии для тепловых насосов могут быть различными — геотермальными (замкнутого и открытого типа), воздушными, использующими вторичное тепло. Рассмотрим каждый из этих источников подробнее.
Геотермальные тепловые насосы потребляют тепловую энергию грунта либо грунтовых вод и подразделяются на два типа — замкнутый и открытый. Замкнутые тепловые источники подразделяются на:
- Горизонтальные, при этом собирающий тепло коллектор располагается кольцами или зигзагами в траншеях глубиной от 1,3 метра и более (ниже глубины промерзания). Данный метод размещения контура теплосборника эффективен при малой площади земельного участка.
Геотермальное отопление с горизонтальным теплосборником
- Вертикальные, т. е. коллектор теплосборника размещается в вертикальные скважины, погружённые в грунт на глубину до 200 м. К этому методу размещения коллектора прибегают в случаях, если нет возможности уложить контур горизонтально или имеется угроза нарушения ландшафта.
Геотермальное отопление с вертикальным теплосборником
- Водные, при этом коллектор контура располагается зигзагообразно либо кольцевидно на дне водоёма, ниже уровня его промерзания. По сравнению с бурением скважин данный метод наиболее дёшев, однако зависит от глубины и общего объёма воды в водоёме, в зависимости от региона.
В тепловых насосах открытого типа для теплообмена используется вода, которая по прохождении через тепловой насос сбрасывается обратно в грунт. Использовать данный метод возможно лишь при условии химической чистоты воды и при допустимости использования грунтовых вод в этой роли с точки зрения закона.
Геотермальное отопление открытого типа
В воздушных контурах, соответственно, в качестве источника тепловой энергии используется воздух.
Отопление воздушным тепловым насосом
Вторичные (производные) источники тепла используются, как правило, на предприятиях, рабочий цикл которых связан с выработкой сторонней (паразитарной) тепловой энергией, требующей дополнительной утилизации.
Первые модели тепловых насосов были полностью схожи с описанной выше конструкцией, изобретённой Робертом Уэббером — медные трубы контура, выступавшего одновременно в роли внешнего и внутреннего, с циркулирующим в них хладагентом погружались в грунт. Испаритель в такой конструкции размещался под землёй на глубине, превышающей глубину промерзания или в пробуренные под углом либо вертикальные скважины (диаметр от 40 до 60 мм) на глубину от 15 до 30 м. Контур прямого обмена (он получил такое название) позволяет разместить его на небольшой площади и при использовании труб малого диаметра обойтись без промежуточного теплообменника. Прямой обмен не требует принудительной прокачки теплоносителя, раз нет необходимости в циркуляционном насосе, то и электроэнергии тратится меньше. Кроме того, тепловой насос с контуром прямого обмена можно эффективно использовать даже в условиях низких температур — любой объект излучает тепло, если его температура выше абсолютного нуля (-273,15 °С), а хладагент способен испаряться при температуре до -40 °С. Недостатки такого контура: большие потребности в хладагенте; высокая стоимость медных труб; надёжное соединение медных секций возможно лишь методом пайки, иначе утечки хладагента не избежать; потребность в катодной защите в условиях кислых почв.
Забор тепла от воздушной среды более всего подходит для жаркого климата, поскольку при минусовой температуре его эффективность серьёзно понизится, что потребует дополнительных источников отопления. Преимущество воздушных тепловых насосов — в отсутствии необходимости дорогостоящего бурения скважин, поскольку внешний контур с испарителем и вентилятором размещается на участке неподалёку от дома. Кстати, представителем воздушного одноконтурного теплового насоса является любая моноблочная или сплит-система кондиционирования воздуха. Стоимость воздушного теплового насоса мощностью, к примеру, 24 кВт составляет порядка 163000 руб.
Воздушный тепловой насос
Тепловая энергия из водоёма извлекается путём укладки контура, выполненного из пластиковых труб, на дно реки или озера. Глубина укладки от 2-х метров, трубы прижимаются ко дну грузом из расчета 5 кг на метр длины. С каждого погонного метра такого контура извлекается порядка 30 Вт тепловой энергии, т. е. для теплового насоса мощностью 10 кВт понадобится контур общей протяжённостью 300 м. Достоинства такого контура в относительно невысокой стоимости и простоте монтажа, недостатки — при сильных заморозках получение тепловой энергии невозможно.
Укладка контура теплового насоса в водоём
Для извлечения тепла из грунта контур из труб ПВХ помещается в котлован, отрытый на глубину, превышающую глубину промерзания не менее чем на полметра. Дистанция между трубами должна составить около 1,5 м, теплоноситель, циркулирующий в них — антифриз (обычно водный рассол). Эффективная работа грунтового контура напрямую связана с влажностью грунта в точке его размещения — если грунт песчаный, т. е. не способный удерживать воду, то длину контура необходимо увеличить примерно вдвое. С погонного метра грунтового контура тепловой насос может извлечь в среднем от 30 до 60 Вт тепловой энергии, в зависимости от климатической зоны и типа грунта. 10 кВт тепловому насосу потребуется 400 метровый контур, уложенный на участке площадью 400 м2. Стоимость теплового насоса с грунтовым контуром составляет порядка 500000 руб.
Укладка горизонтального контура в грунт
Получение тепла из скальной породы потребует либо прокладки скважин диаметром от 168 до 324 мм на глубину от 100 метров, либо выполнение нескольких скважин меньшей глубины. В каждую скважину опускается контур, состоящий из двух пластиковых труб, соединённых в нижней точке металлической U-образной трубой, выступающей в роли груза. По трубам циркулирует антифриз — только 30% раствор спирта этилового, поскольку в случае утечки он не нанесёт вреда экологии. Скважина с установленным в ней контуром со временем заполнится грунтовыми водами, которые будут подводить тепло к теплоносителю. Каждый метр такой скважины даст около 50 Вт тепловой энергии, т. е. для теплового насоса мощностью 10 кВт потребуется пробурить 170 м скважины. Для получения большей тепловой энергии бурить скважину глубже 200 м не выгодно — лучше проделать несколько более мелких скважин на дистанции 15–20 м между ними. Чем больше диаметр скважины, тем на меньшую глубину её необходимо бурить, при этом достигается больший забор тепловой энергии — порядка 600 Вт с погонного метра.
Монтаж геотермального зонда
По сравнению с контурами, размещёнными в грунте или водоёме, контур в скважине занимает минимум места на участке, саму скважину можно выполнить в любом типе грунта, в т. ч. по скальной породе. Теплоотдача скважинного контура будет стабильной в любое время года и при любой погоде. Однако окупаемость такого теплового насоса займёт несколько десятилетий, поскольку его установка обойдётся домовладельцу более чем в миллион рублей.
В завершении
Преимущество тепловых насосов — в высокой экономичности, поскольку для получения в час одного киловатта тепловой энергии эти установки затрачивают не более 350 ватт электроэнергии в час. Для сравнения — КПД электростанций, вырабатывающих электроэнергию путём сжигания топлива, не превышает 50%. Система теплового насоса работает в автоматическом режиме, эксплуатационные затраты в период её использования крайне низкие — необходима лишь электроэнергия для работы компрессора и насосов. Габаритные размеры установки теплового насоса примерно равны размерам бытового холодильника, уровень шумности при работе также совпадает с аналогичным параметром бытовой холодильной установки.
Тепловой насос «солевой раствор — вода»
Использовать тепловой насос можно как для получения тепловой энергии, так и для её удаления — переключением работы контуров на охлаждение, при этом тепловая энергия из помещений дома будет удаляться через внешний контур в грунт, воду или воздух.
Единственный недостаток системы отопления, основанной на тепловом насосе — её высокая стоимость. В странах Европы, а также в США и Японии, теплонасосные установки достаточно распространены — в Швеции их более полумиллиона, а в Японии и США (в особенности в штате Орегон) — несколько миллионов. Популярность тепловых насосов в этих странах объясняется их поддержкой государственными программами в виде субсидий и компенсаций домовладельцам, установившим такие установки.
Вне всякого сомнения, что в ближайшем будущем тепловые насосы перестанут быть чем-то диковинным и в России, если учитывать ежегодный рост расценок на природный газ, сегодня являющийся единственным конкурентом для тепловых насосов в отношении финансовых затрат на получение тепловой энергии.