Возобновляемые источники энергии

Тепловые насосы. Типы. Принцип работы.

Тепловой насос не является чем-то сверхъестественным, а его принцип работы подчиняется основным законам термодинамики.

Первая идея устройства теплового насоса принадлежит лорду Кельвину, который выдвинул ее еще в 1852 году, назвав данное устройство «умножителем тепла». В составе теплового насоса наиболее важная деталь – это компрессор, который сжимает низкопотенциальное тепло. В общем случае, происходит отбор теплоты из грунта или воды и передача его отапливаемому зданию. Кроме этого, в состав теплового насоса входят испаритель (теплообменник) и конденсатор. Отбор тепла происходит за счет специальных теплообменников, которые располагаются в земле или воде, имеющие постоянную температуру на протяжении всего года. Теплообменники представляют собой трубы, по которым течет специальная жидкость или газ. Компрессор отбирает тепло у данной жидкости и передает его конденсатору, который накапливает и передает тепло системе отопления. Охлажденная жидкость поступает обратно к испарителю, где нагревается до определенной температуры. Низкопотенциальной энергией обладает любое вещество, температура которого выше температуры абсолютного нуля (-273ºС), поэтому в качестве источников тепла для теплового насоса можно использовать любые объекты в виде грунта, водоема, скал, льда и т.п. Тепловые насосы, используемые зимой в качестве отопления, летом можно использовать для охлаждения или кондиционирования помещения, когда насос работает в обратном направлении, отбирая тепло из помещения и сбрасывая его в грунт или водоем.

Тепловые насосы обмениваются теплом с внешней средой различными способами.

Существуют такие основные способы отбора тепла из источника низкопотенциальной энергии:

• открытые системы – источником данной системы является подземная вода, которая транспортируется в тепловой насос, отдает свое тепло и возвращается обратно в недра земли на некотором расстоянии от точки сбора. При таком способе отопления помещения одновременно можно использовать данную систему для водоснабжения потребителей. Учитывая то, что подземные воды обладают постоянной относительно высокой температурой на протяжении всего года. Открытые системы не наносят вред окружающей среде, сохраняя постоянный состав грунтовых вод.
• закрытые системы с погруженными в воду теплообменниками – в таких системах теплоноситель циркулирует по размещенным в водоеме коллекторам, отдавая или забирая тепло у воды. Строительство таких систем сопряжено с некоторыми условиями, согласно которых отапливаемое здание должно находиться на расстоянии не дальше ста метров от открытого водоема, глубина и берега которого позволяют проложить коллекторы. Данные системы имеют относительно низкую цену.
• закрытые системы с горизонтальными теплообменниками, размещенные в грунте – коллекторы с теплоносителем размещаются на малой глубине горизонтально. Большим минусом таких систем является наличие большой площади для прокладки теплообменника и возможное повреждение при проведении любых земляных работ. При правильной организации данной системы, во время эксплуатации не происходит негативное влияние на ближайшую растительность и другие экологические условия.
• закрытые системы с вертикальными теплообменниками – в таком случае теплообменник имеет вертикальную ориентацию и размещается на большой глубине, которая может достигать двухсот метров. Такие системы очень эффективны и экономичны. Это объясняется тем, что под землей на глубине около двадцати метров температура не изменяется в течение всего года и достигает примерно 10ºС. Температура грунта растет с ростом глубины расположения теплообменников. В таком случае отопление помещения обеспечивается при малых затратах электроэнергии и относительно малых первоначальных капиталовложений.

  Также существуют различные типы тепловых насосов. Тип «жидкость-хладагент-жидкость» или «вода-вода» характеризуется тем, что передача рассеянного тепла происходит от грунта или водного объекта в систему водяного отопления. Такие тепловые насосы имеют возможность отапливать помещение через теплые полы или радиаторы, также охлаждение помещения через файнкойлы. Такие типы могут использоваться и для организации горячего водоснабжения объекта круглый год. Мощность таких насосов может находиться в пределах от 5 до 1290 кВт для отопления и от 4 до 1189 кВт для охлаждения. Система водяного отопления такого типа состоит из трех теплообменников, компрессора, расширительного бака и циркуляционного насоса.

  А циклами работы управляет многофункциональный контроллер. Когда же испаритель теплового насоса забирает тепло у воздуха и передает его также в систему водяного отопления, такой тип называют «воздух-хладагент-жидкость». Особенностью типа «воздух-хладагент-воздух» является то, что испаритель устанавливается снаружи здания и обдувается воздухом, а конденсатор монтируется в помещении, которое необходимо отапливать. Таким образом, конденсатор служит отопительным элементом и непосредственно нагревает воздух.

  Тепловой насос состоит из конденсатора, капилляра, испарителя, компрессора. Кроме основных устройств в составе теплового насоса еще присутствуют контроллер, управляющий устройством, и хладагент – это вещество, которое циркулирует в системе и имеет определенные физические и химические свойства.

  Таким образом, тепловые насосы являются отличным решением в организации теплоснабжения любых объектов, так как отличаются низкой стоимостью по сравнению с другими системами использования альтернативной энергии, достаточно надежны, могут использоваться в любой местности и не загрязняют окружающую среду.

  Подробный принцип работы теплового насоса можно описать следующим образом. Попадая в испаритель через капилляр, хладагент за счет уменьшения давления начинается испаряться, отбирая тепловую энергию у стенок испарителя, который забирает тепло у грунтового или водяного массива, постоянно охлаждая его. После этого компрессор втягивает хладагент из теплообменнкиков температура которого резко повышается за счет сильного сжатия компрессором. Нагретый до температуры 85-125°С хладагент поступает в конденсатор, где отдает свою энергию системе отопления, переходя в жидкое состояние. И далее все заново. При достижении в помещении необходимой температуры срабатывает терморегулятор, разрывая электрическую сеть и отключая работу компрессора. После снижения температуры, терморегулятор опять включает тепловой насос.

  Перекачивая низкопотенциальную тепловую энергию грунта или другого объекта в достаточно высокопотенциальное тепло, необходимое для отопления помещения, тепловой насос расходует четверть необходимой энергии. Другими словами, на обеспечение теплом любого объекта тратится 25% процентов энергии на работу теплового насоса, когда как остальные 75% даются бесплатно из недр Земли. Кроме отопления объекта тепловые насосы могут обеспечивать горячей водой и производить кондиционирование воздуха. Работа теплового насоса на охлаждение возможна при наличии реверсивного клапана. Именно экономичность использования является основным достоинством тепловых насосов, которые с большей эффективностью выделяют тепловую энергию, потребляя электричество. Поэтому коэффициент эффективности любого теплового насоса больше единицы. Основной характеристикой, по которой тепловые насосы можно сравнивать, является коэффициент преобразования тепла (КТП). Данный параметр определятся как отношение полученной энергии к затраченной. Например, если КТП равен 5, то при потребляемой мощности 1 кВт на выходе имеем 5кВт тепловой мощности. Из этого следует, что 4кВт теплоты поступают из природы.

  « « « Назад