Сучасні теплові насоси для опалення будинку

Сучасні теплові насоси для опалення будинку

Сучасні теплові насоси для опалення будинку

Щорічно в камерах згоряння різного роду печей спалюються тисячі тонн усіляких видів палива тільки для того, щоб забезпечити житло теплом. Астрономічні суми грошей йдуть на оплату палива, і з кожним роком ці суми зростають. Ось чому споживачі весь час знаходяться в пошуку того, як скоротити споживання енергоносіїв. Готове рішення лежить на поверхні, а точніше, в глибині планети, де розміщена величезна кількість теплової енергії. Але як її звідти дістати? Серйозне питання, на яке вчені вже давно дали відповідь. Звертаємо вашу увагу на новий вид обладнання, яке представлене у вигляді теплових насосів для опалення будинку.

Історія появи теплових насосів

Щоб тепловий насос з’явився як окремий вид обладнання, довелося потрудитися великій кількості вчених з різних країн. Почнемо з француза Сади Карно, який першим створив теоретичну модель нової на той час парової машини, що працює за принципом термодинамічної циклу. Це було в 1824 році. Потім Бенуа Клайперон придумав математичну і графічну модель приладу. А потім два англійці – Вільям Томсон і лорд Кельвін – через 30 років створюють лабораторну модель, яку назвали тепловим насосом. Через 2 роки австрієць Петер фон Ріттінгер стає автором уже промислової моделі. Бачите, скільки людей взяло участь у розробці цього агрегату!

Але на цьому все закінчилося, і теплові насоси більше ніде не застосовувалися. Тільки через 100 років у середині двадцятого століття американець Роберт Веббер, займаючись холодильними установками, зауважив, що можна використовувати гарячий трубопровід, який відводить холодоагент з холодильної камери, для обігріву води. Він просто простягнув цю трубу всередині бойлера. Після чого його родина не знала бід з гарячим водопостачанням будинку.

Але на цьому інженер не зупинився. Він розумів, що велика кількість тепла все одно йде «на вітер». Він вступив просто, додавши в систему трубопроводу змійовик, який обдувався побутовим вентилятором. Це виявилося відмінною ідеєю, тому що вирішувалося питання часткового опалення. Американець отримав відразу дві інженерні комунікації – опалення та гаряче водопостачання. Але на роботу холодильної установки потрібна електрична енергія, а інженер хотів обійтися без оплати енергоносіїв, тому він пішов далі. У той час вже було відомо, що під землею температура завжди позитивна, от її і хотів використовувати Веббер.

Так і вийшло. Він створив під землею зациклену систему мідних труб, в яку закачав фреон. Газ надходив вниз, де забирав тепло і піднімався нагору, йдучи в теплообмінник і нагріваючи тим самим теплоносій у системі опалення будинку. До речі, американський інженер повністю відмовився від традиційних енергоносіїв, які раніше використовував для опалення та гарячого водопостачання свого будинку. Але, на жаль, в ті часи ця розробка у американських вчених і бізнесменів викликала лише посмішку. Адже проблем з енергоносіями не було, і паливо, особливо нафтопродукти, було дуже дешевим.

Все змінилося відразу, коли країни Близького Сходу перестали продавати нафту США. Виникла криза, під час якого і згадали про альтернативу. І хоча ембарго через пару років відмінили, американці все одно не перестали користуватися альтернативними джерелами енергії. І сьогодні опалення тепловими насосами набирає популярність.

Будова і принцип дії

Чим глибше від поверхні землі, тим вище температура. Це пов’язано з тим, що скорочується відстань до магми, температура якої – 1300С. У будь-якій точці планети на глибині більше трьох метрів температура завжди позитивна. Вона не скрізь рівномірна, тому що залежить від ряду факторів. Приміром, від кліматичного

Схема опалювальної системи

Схема опалювальної системи

регіону, складу грунту та ендогенної активності землі.

Але для теплового насоса важливі не високі температури, а сам позитивний показник. Справа в тому, що тепловий насос, забираючи тепло з будь-якого середовища – грунту, води, повітря – передає його холодоагенту, який при русі по теплопроводу починає стискатися. Такий процес називається компресією. Подібні установки діляться на два типи – компресійні і сорбційні.

Компресійні теплові насоси

Перший варіант логічно віднести не до опалювальним установкам, а до холодильних. У всякому разі, принцип їх роботи ідентичний. Правда, тут використовуються два контури – внутрішній для руху холодоагенту і зовнішній для руху теплоносія.

У процесі роботи такого теплового насоса холодоагент проходить наступні етапи:

  • По-перше, холодоагент – це рідка речовина, яке необхідно перевести в газоподібний. Для цього використовується спеціальний пристрій – випарник. У ньому відбувається швидке зниження тиску речовини. Випарник складається з двох контурів, розташованих один в іншому. У зовнішньому – теплоносій, а у внутрішньому – холодоагент. Саме тут теплоносій передає холодоагенту свою низькотемпературну теплову енергію.
  • Після цього холодоагент переміщається в компресор, де стискається до високого тиску. Від цього піднімається його температура.
  • Далі рух йде в напрямку конденсатора у вигляді змійовика, де холодоагент передає свою високу температуру теплоносія. Тут же він знову переходить в рідкий стан.
  • Щоб знизити тиск до мінімуму, на шляху холодоагенту варто розширювальний клапан. Тепер холодоагент рухається у випарник, і цикл починається знову.

Увага! Роботу теплового насоса контролюють термодатчик і терморегулятор. Якщо температура в приміщенні досягає необхідного показника, компресор просто відключається. І навпаки.

Абсорбційні теплові насоси

Цей вид опалювального обладнання працює від термічних компресорів, паливом до яких виступає природний газ. Абсорбція – це фізико-хімічний процес, в основі якого лежить здатність газів або рідин змінювати свій об’єм за рахунок інших газів або рідин, що відрізняються від перших температурою і тиском. Для цих установок зазвичай використовується аміак, який швидко випаровується при низькій температурі і тиску. При цьому він забирає тепло у середовища, де розташований.

У пароподібному стані аміак надходить в абсорбер (теплообмінник), де змішується з водою. Тут і відбувається передача теплової енергії. Але у води й аміаку температура кипіння різна, тому тепла холодоагенту вистачає, щоб довести воду до кипіння. Відбувається випаровування. Насичений таким чином пар надходить з великою тепловою енергією в конденсатор, де віддає тепло теплоносію і перетворюється в рідину. Тут же відбувається і поділ розчину на дві складові – воду та аміак.

Достоїнствами абсорбційних теплових насосів є відсутність рухомих і обертових вузлів і деталей. А значить, агрегат безшумний і довговічний. Але такі насоси коштують дуже дорого через складної конструкції. До того ж вони відносяться до категорії малопотужних, та й вимоги до обробки внутрішніх поверхонь найжорсткіші, оскільки аміак швидко роз’їдає будь-який матеріал.

Типи теплосборників

Джерелами для роботи теплових насосів можуть виступати різні матеріали і середовища. В даний час використовуються три основних. Це геотермальні джерела, повітряні і вторинне тепло. Давайте розглянемо кожен вид окремо.

Геотермальне джерело

Геотермальні насоси використовують теплову енергію ґрунту або ґрунтових вод. Їх ділять на два типи – відкриті і замкнуті. У свою чергу замкнуті системи поділяються за типами:

  1. Горизонтальні. У цьому випадку контур трубопроводу являє собою циліндричний змійовик, який заглиблюють нижче рівня промерзання грунту.
  2. Вертикальні. Такий контур завантажується в свердловину або колодязь. Зазвичай цей метод установки використовується, якщо мала територія ділянки, або потрібно не зіпсувати вже готовий ландшафт.
  3. Водні. Це те ж саме, що і горизонтальні, але контур укладається на дно водойми нижче рівня промерзання води. На сьогодні це найдешевший спосіб. Звичайно як контуру застосовуються пластикові труби, які укладаються по дну водойми за певною схемою. Трубопровід обов’язково притискається до дна вантажем з розрахунку 5 кг на один погонний метр. Таким чином, з кожного метра довжини вилучається близько 30 ват теплової енергії. Значить, для теплового насоса потужністю 10 кіловат потрібно укласти контур довжиною 300 метрів.

У теплових насосах відкритого типу використовується звичайна вода як середовище для теплообміну. Але, проходячи через цей тип обладнання, вона обов’язково скидається назад в грунт, тому її якості приділяється особлива увага.

Повітряне джерело

Принцип роботи теплових насосів

Принцип роботи теплових насосів

Назва говорить сама за себе – теплова енергія забирається з повітря. Такі установки краще використовувати в регіонах, де середня температура повітря взимку буває не нижче нуля градусів. А так як в нашій батьківщині таких районів немає, то і повітряні теплові насоси у нас неприйнятні.

Вторинні джерела

Цей вид опалювального обладнання найчастіше використовується на промислових об’єктах, де технологія виробництва пов’язана з виробленням паразитарної теплової енергії. Вона в технологічних процесах не використовується, і таке тепло зазвичай утилізують. Так от його можна застосовувати як джерело тепла.

Нюанси укладання контуру

  • Встановлювати в відритий котлован потрібно пластикові труби. Глибина свердловини або котловану повинна бути мінімум на півметра більше рівня промерзання грунту. А відстань між трубами має становити близько півтора метрів.
  • В якості теплоносія можна використовувати антифриз або звичайний водний розсіл.
  • Якщо грунт піщаний і не може утримувати вологу, то в такому місці необхідно контур подовжити вдвічі.
  • Якщо буриться свердловина в скельній породі, то рекомендується використовувати бур діаметром 168-324 міліметра – це оптимальний варіант. Але глибина такої свердловини не повинна бути менше 100 метрів. Якщо цього зробити не вдається, доведеться бурити кілька свердловин меншої глибини, але при цьому в кожну опускати 2 труби, з’єднані внизу U-подібною трубкою.
  • Бурити свердловину нижче 200 метрів не має сенсу. Краще зробити кілька неглибоких, при цьому зберегти відстань між ними в межах 15-20 метрів. Чим ширше свердловина, тим менше повинна бути її глибина.
  • Зазвичай з кожного погонного метра контуру витягується теплова енергія, рівна 30-60 ват.
  • Горизонтальний спосіб забору теплової енергії є найефективнішим, бо практично не залежить ні від клімату, ні від якості ґрунту. Єдиний і великий його недолік – це складність і дорожнеча бурильних і монтажних робіт.

Висновок по темі

Що не кажи, а тепловий насос для опалення будинку має ряд переваг. І перше – це економічність. Будь-які насоси теплового типу є енергозалежними установками, оскільки в них працює компресор і циркуляційний насос. Але серед усіх енергозалежних установок вони самі економічні. Наприклад, для вироблення теплової енергії, рівної 1 кіловату на годину, потрібно всього лише 350 ват електричної енергії. Додамо невеликі габаритні розміри – на вигляд такі установки схожі на побутові холодильники. І ще один плюс – автоматичний режим роботи. А ось основний недолік – це дуже висока вартість обладнання, яка середньостатистичному споживачеві не по кишені.

Але всі вчені і фахівці говорять про те, що ці установки для опалення мають прекрасне майбутнє. А із зростанням цін на енергоносії зростає і ймовірність, що ними буде користуватися все більша кількість простих обивателів.

Залишити коментар