Принцип работы теплового насоса, статья, устройство и как работает схема и внешний контур.

Принцип работы теплового насоса
Любой школьник знает, что чем ближе к ядру Земли, тем теплее. На глубине 1000 м температура земной коры достигает 50 градусов и с каждым километром увеличивается на 20-30 градусов. Чтобы обернуть себе на пользу дармовое тепло, исходящее из недр, не нужно копать так глубоко — достаточно расположить трубы ниже уровня промерзания почвы — а это 1-1,5 м. Ведь на глубинах от 1,5 м и до 150 м температура земли постоянна и составляет около +8°С. Разумеется, этой температуры слишком мало, чтобы нагреть дом, но никто и не говорит, что он отапливается напрямую от скважины. К счастью, система отопления с помощью теплового насоса устроена так, что тепло земли передается в несколько этапов: от земли — к жидкому теплоносителю, от него эстафету принимает вспомогательное вещество — хладагент (фреон), а он, в свою очередь, нагревает воду, которая и подается в батареи для отопления и в систему горячего водоснабжения. Второй секрет системы — замечательные свойства хладагента, благодаря которым можно получать горячую воду. Этот инертный газ закипает уже при +3°С, так что наших +8°С вполне достаточно, чтобы перевести хладагент в состояние пара. Зачем нам нужен этот пар? Да затем, что он обладает одним полезным качеством — если его сжать, например, компрессором, его температура резко возрастает до +75°С. Вот теперь с его помощью можно нагревать воду и подавать ее в систему отопления.
Кстати, несмотря на название, тепловой насос может работать и как кондиционер (с использованием отдельных узлов), охлаждая помещение летом.

Как работает тепловой насос?
Тепловой насос — такая же холодильная машина, как и привычный холодильник, в основу работы обоих устройств положен один и тот же принцип: испаряющееся вещество имеет свойство поглощать тепло, а вещество, которое конденсируется — отдавать его. В качестве такого вещества — хладагента — в холодильниках используется фреон. Нагревание фреона в холодильнике производится теплом продуктов, находящихся в морозильной камере. Если же после сжатия снизить давление фреона, то его температура будет резко падать, и он перейдет из газообразного в жидкое состояние. Повторяя этот процесс, получаем возможность замораживать продукты. А теперь представьте себе хоподильник, морозильную камеру которого «закопали» в землю, а радиатор как отопительный агрегат внесли 8 дом. Включив подобное устройство, мы начнем отбирать тепло не у продуктов, а у земли. Но при этом холодильник отключается, когда продукты заморожены до нужной температуры и не могут больше «отдавать» тепло. Охладить же землю невозможно, поэтому мы получаем неограниченный запас тепла.
Эффективность применения холодильной машины как «теплового насоса» (т.е. для получения тепла) была обоснована достаточно давно: публикации об этом встречаются с 1930-1940-х гг. В советских учебниках по холодильной технике еще в 1970-х гг. описывалась возможность такого инженерного решения, но экономически оно не было востребовано: затраты на энергоносители были минимальны. Сегодня же, когда большую часть нефти и природного газа нашей стране приходится закупать за рубежом, причем каждый год по новой цене, вопрос экономии (в том числе за счет использования альтернативных источников энергии — солнца, ветра и земли) выходит на первый план.

Схема работы теплового насоса
1 — Контур с теплоносителем и земляной зонд
2 — Теплообменник передачи тепла земли внутреннему контуру
3 — Компрессор
4 — Теплообменник передачи тепла внутреннего контура системе отопления
5 — Контур отопления и горячего водоснабжения
6 — Дроссельное устройство для понижения давления
Система теплового насоса состоит из трех замкнутых контуров
1. Внешний контур теплового насоса (Морозилка)
В качестве морозильной камеры в тепловом насосе, например, компании В.Д.Е.-Украина используются и-образные трубы из полиэтилена ПЭ-80 (диаметр 32 мм), по которым циркулирует незамерзающая жидкость (В.Д.Е.-Украина использует экологически безвредный теплоноситель украинского производителя, имеющий соответствующие сертификаты. Это новаторское решение позволяет уйти от традиционных этилен- и пропиленгликоля (первый токсичен, второй дорог и опасен в больших объемах) и снизить стоимость.). Для отбора достаточного количества тепла трубопровод опускают на глубину 40-100 м. Теплоноситель, опускаясь на глубину и поднимаясь наверх, нагревается до +8°С.
2. Устройство, обеспечивающее циркуляцию хладагента
Во втором контуре циркулирует фреон. При нагревании выше +3°С он переходит из жидкого состояния в газообразное (а у нас — +8°С). Далее газообразный фреон поступает в компрессор, который сжимает его с 4 до 26 атмосфер. При таком сжатии фреон нагревается с+8° до+75°С.
Это самый важный этап. Именно здесь происходит преобразование энергии большого объема газа с температурой +8°С в малый объем газа с температурой +75°С.
3. Контур отопления и горячего водоснабжения
Тепло газа, разогретого до +75°С, передается в третий контур — систему отопления и горячего водоснабжения дома.
В процессе теплопередачи теряется около 10-15 градусов, и отопительный контур нагревается до температуры +60…+65°С.
Фреон, отдав свою энергию отопительному контуру, остывает до +30..+40°С. При этом он по-прежнему находится под давлением 26 атм. Затем происходит снижение давления до 4 атм. (эффект дросселирования). В результате происходит значительное охлаждение газа — до 0…+3°С, и он снова переходит в жидкое состояние.
Температура фреона 0…+3°С передается теплоносителю первого контура, который уносит ее в глубь земли. Проходя по скважине, теплоноситель опять нагревается до температуры +8°С и снова подается на второй контур.
Процесс повторяется.

Чем глубже, тем теплее
В земной коре выделяются две температурные зоны — гелиотермическая и геотермическая. Температура в гелиотермической (приповерхностной) зоне — до 30 м — зависит от энергии Солнца и колеблется в зависимости от сезона. Температура в геотермической зоне зависит от энергии Земли.
С увеличением глубины температура земной коры увеличивается. Степень ее повышения описывается двумя показателями: геотермическим градиентом (количество градусов на определенную глубину) и геотермической ступенью (глубина, при опускании на которую температура возрастает на определенное количество градусов). Установлено, что средний для земной коры геотермический градиент составляет около 30°С на 1 км глубины. Соответственно, средняя геотермическая ступень составляет 33 м. Температура в низах земной коры достигает 1500°С.

Это интересно: Кольская сверхглубокая
Самая глубокая скважина на суше — Кольская, расположенная в северной оконечности Кольского полуострова (Россия). Бурение Кольской сверхглубокой началось в 1970 г., а закончилось более 20 лет спустя — в 1994 г. Глубина Кольской скважины к моменту завершения буровых работ составила 12262 м. Одним из интереснейших открытий при бурении стала неожиданно высокая скорость, с которой возрастала температура земной коры по мере углубления скважины. На отметке 7 км она достигала 120° С, а на глубине 12 км — уже 230°С, что было на треть выше ожидаемого значения: температурный градиент коры составил почти 20 градусов на 1 км, вместо ожидаемых 16-ти.

О спросе на тепловые насосы
Андреи Говоров, менеджер компании В.Д.Е.-УКРАИНА
Еще полтора-два года назад на вопрос «Что такое тепловой насос?» могли дать ответ только инженеры и техники холодильных машин. А сегодня большинство владельцев частных домов, обращаясь к нам, уже в основных чертах знают, для чего нужен тепловой насос, и задают более предметные вопросы. Такому быстрому завоеванию доверия потребителей мы обязаны широкому распространению информации об альтернативных источниках энергии и успешном их применении за рубежом. Мы также благодарны тем домовладельцам, которые одними из первых установили в доме эти агрегаты и на личном опыте ощутили реальную экономию средств — своими положительными отзывами они способствовали интересу к тепловым насосам других застройщиков, которые только собираются установить это энергосберегающее оборудование.
На сегодня иметь в доме тепловой насос — это ново, необычно, модно, даже престижно. Но главная причина возросшего спроса на это оборудование — значительная экономия средств на обеспечение жилища теплом — зимой и прохладой — летом. Мы даже шутим, что для компаний, занимающихся внедрением оборудования для получения энергии из альтернативных источников, лучшей рекламой является ежегодное повышение цен на импортный газ.
Все больше людей проявляет интерес к данному устройству. Это подтверждается растущим количеством установленных тепловых насосов. И хотя цена установки достаточно высока, у нас существует очередь на подключение теплового насоса.

В чем экономия?
Безусловно, тепловой насос стоит дороже газового котла. Однако это разовые затраты, которые позволяют отказаться от платы за газ, а это примерно 8-10 тыс. грн. в год для дома площадью 400 м² Срок окупаемости альтернативного оборудования, по вычислениям специалистов компании В.Д.Е.-Украина, если считать с начала строительства (т.е. принять во внимание все факторы при подключении газа, добавить экономию на кондиционирование) для коттеджа площадью 400 м² составит около четырех лет.

Сколько времени займет установка?
Установка теплового насоса в идеале занимает до трех недель. Первая отводится на земляные работы, вторую занимает подготовка котельной, на третьей производят установку и пуск теплового насоса.
Правда, на практике в производственный процесс «вмешиваются» следующие факторы: погода (земляные работы не ведутся в дожди и при замерзшем фунте}; дом не готов к установке теплового насоса (еще не достроен); очередь на выполнение заказа. Поэтому реальные сроки установки теплового насоса могут быть немного дольше.

О тепле земных недр как надежном альтернативном источнике энергии
Павел Зеленин, менеджер по продажам отдела тепловых насосов фирмы САНТЕХНИК ЛТД и К°
В ряду энергосберегающего оборудования тепловые насосы играют главную роль. Ведь энергоэффективность ветряков и солнечных батарей зависит от способности определенной местности предоставить альтернативный источник энергии. Естественно, там, где больше солнца, более эффективно будет работать солнечная батарея. Например, при ясной солнечной погоде одна батарея может выдать 500 Вт. Если же количество солнца будет уменьшаться, то будет снижаться и выдача электроэнергии (хотя известны случаи выдачи солнечной батареей 5 Вт ночью — при полной луне). Там, где есть ветер — в степях, на вершинах гор или возвышенностях — целесообразно использовать для выработки электроэнергии ветряки.
А тепловые насосы не имеют климатических или иных ограничений. Особенно геотермальные, использующие тепло скважин: как бы ни было на улице — холодно или жарко — температура на глубине 18м будет от +7°С в холода до +12°С в жару.
В то же время возможно комбинировать тепловые насосы с ветряками и солнечными батареями. Большого количества электроэнергии, необходимого для устройства прямого электрического отопления дома, они не выработают, зато минимум, который нужен для работы теплонасоса, они обеспечат, ведь для производства тепла теплонасос берет 20-30% энергии из розетки, а 70-80% — из окружающей среды. Таким образом, значение тепловых насосов трудно переоценить: они эффективно работают в любую погоду, вне зависимости от наличия газа, угля, дров, мазута или другого вида топлива. Они будут служить на благо хозяина дома тихо, надежно и незаметно, на протяжении многих лет.

Скважинные тонкости
Если размеры участка позволяют, можно уложить трубы горизонтально.
Если же участок небольшой, бурят несколько вертикальных скважин. Суммарная длина скважин зависит от требуемой мощности теплового насоса: чем больше мощность надо «поднять» с земли, тем «длиннее» скважина.
Так что для бурения вертикальных скважин вполне достаточно углубиться до отметки 40-50 м, а горизонтальных — 2 м.
Специалисты говорят, что главное — выдержать суммарную длину скважин, поэтому нет разницы — бурить 8 скважин по 50 м или 10 скважин по 40 м. Как правило, если грунт достаточно рыхлый и легко поддается бурению, строят глубокие скважины, если грунт плотный — неглубокие.
Скорость бурения скважин зависит от мастерства бурильщиков и качества оборудования. В компании В.Д.Е.-УКРАИНА утверждают, что можно проходить до 100 м в день.
«После бурения скважин участок сохраняет свою эстетическую привлекательность, — комментирует менеджер компании В.Д.Е.-УКРАИНА Андрей Говоров. — Например, на недавно выполненном нами объекте скважины были пробурены на придомовом участке, отведенном под посадку растений. Хозяйка позволила нам снять плодородный слой грунта, затем мы пробурили скважины. В данном случае — 15 штук глубиной по 20 м каждая, поскольку бурить глубже нам не позволил каменистый слой (мы предположили, что это дно древней реки), и после окончания работ поместили грунт на место. Так что теперь скважины спокойно выполняют свою работу, а хозяйка может смело выращивать корнишоны и спаржу на радость домашним».

Какая мне нужна мощность?
Если вы решили установить тепловой насос, прежде всего, следует определиться, прибор с какой мощностью (количество киловатт) вам необходим. Это главный критерий, по которому различаются тепловые насосы. Определяют его исходя из таких параметров как площадь дома, утепление, количество человек, потребляющих горячую воду. При среднем утеплении дома на каждые 100 м² площади необходимо 6 кВт тепловой энергии. Чем больше коттедж, тем большей мощности теплового насоса он требует. Например, для отопления и горячего водоснабжения коттеджа площадью 400 м² нужен насос мощностью 26 кВт. При этом сам тепловой насос потребляет около 6,5 кВт электроэнергии. «Не надо забывать, что это потребляемая мощность при работе установки, — подчеркивает Андрей Говоров. — Если тепловой насос рассчитан правильно, то работает он около 20-30 минут в час, а в летнее время, когда тепло нужно только для горячей воды, еще меньше. Важный нюанс — этот расчет не относится к насосам со встроенными электронагревателями — тэнами. Кстати, в наших тепловых насосах эти вставки отсутствуют, и тепловая мощность наших насосов — реальная».

Фреон
Фреоны — галогеноалканы, обобщенное название группы искусственно синтезированных газов. Эти фторе оде ржа щи е производные метана и этана и используются как хладагенты в холодильниках и кондиционерах. Кроме фтора, фреоны содержат обычно хлор, реже — бром. Известно более 40 различных фреонов. Фреоны очень инертны в химическом отношении, они не горят на воздухе, взрывобезопасны даже при контакте с открытым пламенем. Устойчивы к действию кислот и щелочей.

Без электричества никуда
Тепловой насос не может полностью обходиться без электроэнергии — она нужна для работы компрессора (трехфазная сеть).
И тем не менее, экономия очевидна: тепловой насос производит в 4 раза больше энергии, чем потребляет. Другими словами, затратив 1 кВт электроэнергии в приводе насоса, можно получить 3-4, а часто и до 5-6 кВт тепловой энергии.
Срок службы теплового насоса до капитального ремонта — 25-30 лет. Гарантию и бесплатный сервис компании обычно предоставляют на 5 лет. «Надежность достаточно высока, так как установка имеет множество защит от различных «внештатных» ситуаций, — утверждает Андрей Говоров. — Вспомните, как часто помается холодильник? Как правило, его меняют не из-за поломок, а потому что он морально устарел. А по агрегатам и принципу работы холодильник и тепловой насос — одно и то же устройство».

Автор: Вероника Алимова
Источник: ДОМ.ua