Теплові насоси – опалення без використання палива

Найдавніший і традиційний спосіб отримання тепла – спалювання палива – був відомий ще давній людині з моменту, як він відкрив для себе вогонь. Цей метод і понині є, мало не єдиним варіантом опалення. Причому за всю історію людської цивілізації він не зазнав істотних змін. Розширився лише асортимент палива, що спалюється, а сам процес став більш досконалим, заснованим на новітніх розробках в цій області. Останнім часом наука закономірно зайнялася питанням, як отримати опалення без палива, і які альтернативні джерела обігріву можна використовувати.

Пов’язано це з тим, що даний тип отримання тепла тягне за собою ряд проблем, які відсуваються на другий план на тлі неухильного подорожчання існуючих джерел теплової енергії. В першу чергу, це руйнівний вплив на екологію і, як наслідок, на здоров’я людини. А також зростання потенційної небезпеки екологічної катастрофи світового масштабу, коли існування людей на планеті стане неможливим.

Другий момент полягає в тому, що запаси використовуваного палива рано чи пізно закінчаться. Ці дві причини й змусили вчених шукати альтернативні варіанти обігріву. Одним з результатів подібних досліджень, що отримав уже світове практичне застосування, стала поява теплових насосів.

Будова і принцип дії

Робота будь-якого пристрою заснована на використанні законів фізики. Так і принцип дії теплового насоса базується на властивостях газів і рідин, а також на принципах термодинаміки цих середовищ. При випаровуванні – переході рідини в газоподібний стан – енергія, або тепло поглинається. При конденсації – переході газоподібних речовин в рідкий стан – навпаки, виділяється. Найбільш інтенсивно процес випаровування відбувається при температурі кипіння і близькою до цієї позначки. У нормальних умовах вода закипає при 100 град. С.

Однак є речовини, закипає при набагато нижчих температурах. Наприклад, відомий фреон починає кипіти при + 30С, що значно нижче кімнатної температури. Це означає, що при + 30С він перетворюється з рідини в газ, який легко піддати стисненню (простіше, ніж рідина) – тобто збільшити його тиск у замкнутій системі, що, згідно законам термодинаміки, призведе до зростання температури.

Стиснути газоподібний фреон теоретично можна до отримання будь високої температури. На практиці ж більший інтерес представляє нагрів до значень традиційних систем опалення, наприклад до + 80 град. С, що цілком можливо. На використанні цих важливих процесів і властивостей побудована робота теплових насосів.

У земній товщі на певній глибині температура завжди постійна, незалежно від пори року та інших обставин, і дорівнює + 8 °С. Прокладені в цих шарах колектори з труб з циркулюючої по них незамерзаючої рідиною забирають тепло землі. Через теплообмінник ця рідина нагріває фреон, що переміщається по контуру теплового насоса.

При температурі + 8 °С фреон, природно, трансформується в газоподібний стан. Цей газ стискають компресором для нагрівання до температури 80 °С. Він віддає це тепло системі опалення через інший теплообмінник і з набагато меншою температурою, але з колишнім високим тиском надходить у дросель, де його тиск різко знижують. Внаслідок цього температура також швидко знижується до значень переходу фреону назад в рідкий стан. Він знову відправляється в теплообмінник для отримання тепла землі, замикаючи тим самим цикл.

В даному випадку земля є так званим джерелом температури низького рівня. До них також належать вода

водойм, підземні води і навіть повітря, так як у всіх них своя певна температура. Загальновідомо, що приблизно 70% поверхні землі зайнято водою, що означає наявність у людини колосальних запасів теплової енергії, подарованих природою. Призначення насоса – перетворення теплоти цих джерел в тепло високого рівня – 70-800С.

Теорію застосовуваного в тепловому насосі процесу вперше описав французький вчений Карно в 1824 р Процес назвали «цикл Карно». У 1852 р британець Вільям Томсон, грунтуючись на цій теорії, розробив перший тепловий насос, який здобув популярність як «помножувач тепла». А в 1855 р австрійський інженер Петер Ріттер фон Ріттінгер спроектував перший тепловий насос і випробував його.

З цією технологією ми щодня стикаємося в повсякденному житті, так як вона використовується в стали звичайними для нас холодильниках. У випарнику – холодильній камері цього пристрою – забирається тепло продуктів, і вони охолоджуються. Холодоагент (фреон) переносить і розсіює отримане тепло через радіатор в атмосферу. Споживана холодильником електроенергія витрачається тільки на переміщення фреону за системою за допомогою компресора.

Типи теплових насосів

Джерелами низкоуровневого тепла можуть бути:

• вода будь-яких наземних водойм
• підземні води
• земля
• повітря

Виходячи з цього, а також враховуючи вид теплоносія в системі опалення приміщень, визначають тип насоса. Коли джерелом є земля, а обігрів проводиться водяній опалювальною системою, то тип насоса класифікують як «грунт-вода».

Аналогічно виділяють типи теплових насосів «вода-вода», «повітря-вода», «грунт-повітря», «повітря-повітря» і «вода-повітря». Насоси, що використовують земне тепло, називають також геотермальними, а тепло повітря – повітряними.

Переваги та недоліки

Переваги теплових насосів:

• Головна перевага полягає в тому, що не потрібно ніякого палива. Мало того, при установці не потрібно отримувати ТУ та інші дозволи.
• Первинні витрати на систему з тепловим насосом і установку традиційного опалення часто порівнянні. А експлуатаційні витрати при опаленні цим пристроєм нижче, ніж у всіх традиційних систем, крім магістрального газу. Але зростання його вартості, швидше за все, в найближчі роки призведе до того, що і магістральний газ по економічності поступатиметься теплових насосів.
• Ефективність – система швидко виходить на проектний режим експлуатації (максимум півгодини) і прогріває будинок. При цьому технологія отримання тепла відрізняється екологічною чистотою, що не вибухонебезпечна і не пожежонебезпечна.
• Висока надійність і тривалий термін експлуатації без капітальних ремонтів – до 25 років. Раз на рік необхідний лише недорогий поточний огляд.
• Вентиляція для роботи насоса не потрібна. Система малошумному і малогабаритна, тому в разі відсутності котельні можлива установка на кухні або в іншому приміщенні.
• Автономність – для роботи насосів необхідно тільки електрика. А при перебоях в електропостачанні можлива робота по запасний схемою – від дизель-генератора. Крім того, насоси можуть використовуватися в комплексі з сонячними колекторами.
• Влітку насос може працювати в режимі кондиціонера. Він простий у використанні і вимагає мінімум уваги – запрограмований агрегат працює і підтримує потрібну температуру автоматично.

Недоліки насосів

• До недоліків пристрою слід віднести:
• Високу вартість устаткування в порівнянні з іншими відомими видами опалення.
• Необхідність індивідуальних складних розрахунків для кожного окремого випадку застосування.
• Неможливість використання теплового насоса в окремо взятій квартирі багатоквартирного будинку.

Ціна

На сьогоднішній день ціна насосів така, що є головним чинником, що стримує їх широке застосування. До неї входить багато складових, і вона різна для кожного окремого випадку.

Для максимальної ефективності опалення необхідний ретельний розрахунок самого насоса. Також потрібно дослідження джерел низькорівневого тепла – це теж пристойні витрати. Вартість монтажу значно збільшує буріння свердловин або закладка колекторів в землю на велику глибину. Тому найдоступніші за ціною пристрою – повітряні, встановлення яких не потребує подібних робіт.

Середня вартість використання теплових насосів, за даними різних компаній, знаходиться в межах від 600 до 1200 євро з розрахунку на 1кВт необхідної для опалення потужності. За різними виробникам вартість також має досить широкий діапазон і залежить від конструкції, застосовуваних матеріалів, ступеня автоматизації і ряду інших факторів.

Принцип роботи та переваги теплового насоса відео

 

Перспективи

У теплових насосів, безсумнівно, велике майбутнє. Світова практика підтверджує це показниками неухильного зростання кількості встановлюваних щорічно пристроїв. Висока вартість все ж окупається після декількох років експлуатації, а деякі європейські країни датують установку насосів, які є джерелом дуже дешевого тепла на десятиліття. У середньому, споживаючи 1 кВт електроенергії для роботи, насос виробляє 4-5 кВт теплової енергії.

На сьогоднішній день:

У Швеції 70% тепла генерується цими пристроями, і щорічно встановлюється до 150 тис. Нових. Урядом країни поставлено завдання – до 2020 року виключити повністю залежність держави від газу і нафти і споживати енергію тільки поновлюваних джерел. Теплових насосів відведена провідна роль у цих планах.

• У Фінляндії та Норвегії в рік встановлюють до 100 тис. Пристроїв. В Австрії, Іспанії, Німеччини та Англії виділяються державні дотації на установку насосів – до 3000 євро на одне приватне домоволодіння.
• У Швейцарії припадає один насос на 2 кв.км території, а за кількістю пристроїв на 1000 населення країна займає одне з лідируючих місць в Європі.
• У США виробляють щорічно до 1 млн. Пристроїв (в основному, повітряних, виходячи з клімату), які заміняють стару систему опалення або встановлюються в нових будівлях. При зведенні нових громадських споруд використовують виключно теплові насоси, і це положення закріплено Федеральним законодавством країни.
• Світовий Енергетичний Комітет склав прогноз, згідно з яким до 2020 року в найбільш розвинених країнах постачання тепла від насосів складе 75%.

Ці цифри показують, що сьогодні на Заході тепловий насос є рядовим приладом побуту – як мікрохвильовка або телевізор.

У Росії впровадження цих пристроїв стримується повсюдним використанням відносно недорогого і доступного газу. Тим не менш, відзначається тенденція зростання кількості вживаних теплових насосів. Адже поновлювані енергетичні джерела – це той потенціал, до якого людська цивілізація прийде обов’язково.

Висновок

Використання відновлюваних джерел енергії забезпечує не тільки опалення без застосування палива, але і можливість у перспективі отримувати електроенергію, грунтуючись на тих же принципах перетворення. Запаси цих джерел на землі не просто величезні – вони нескінченні, тому й названі поновлюваними. Всі вони цілком доступні, а їх широке застосування стримується поки ще високою вартістю устаткування для перетворення через не достатнього досконалості існуючих технологій.