Устройство теплового насоса

Приповерхностную технологию использования низкопотенциальной тепловой энергии с помощью теплового насоса можно рассматривать как некоторый технико-экономический феномен или реальную революцию в системе теплообеспечения.

Устройство теплового насоса. Основными элементами теплового насоса являются соединенные трубопроводом испаритель, компрессор, конденсатор и регулятор потока – дроссель, детандер или вихревая труба (Рис.16). Схематично тепловой насос можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров: в первом, внешнем, циркулирует теплоотдатчик (теплоноситель, собирающий теплоту окружающей среды), во втором — хладагент (вещество, которое испаряется, отбирая теплоту теплоотдатчика, и конденсируется, отдавая теплоту теплоприемнику), в третьем — теплоприемник (вода в системах отопления и горячего водоснабжения здания).

Рис. 16. Устройство теплового насоса

Внешний контур (коллектор) представляет собой уложенный в землю или в воду трубопровод, в котором циркулирует незамерзающая жидкость — антифриз. Следует отметить, что в качестве источника низкопотенциальной энергии может выступать как тепло естественного (наружный воздух; тепло грунтовых, артезианских и термальных вод; воды рек, озер, морей и других незамерзающих природных водоемов), так и техногенного происхождения (промышленные сбросы, очистные сооружения, тепло силовых трансформаторов и любое другое бросовое тепло). Температура, необходимая для работы насоса обычно составляет 5-15 .

Во второй контур, где циркулирует хладагент, встроены теплообменники — испаритель и конденсатор, а также устройства, которые меняют давление хладагента — распыляющий его в жидкой фазе дроссель (узкое калиброванное отверстие) и сжимающий его уже в газообразном состоянии компрессор.

Рабочий цикл. Жидкий хладагент продавливается через дроссель, его давление падает, и он поступает в испаритель, где вскипает, отбирая теплоту, поставляемую коллектором из окружающей среды. Далее газ, в который превратился хладагент, всасывается в компрессор, сжимается и, нагретый, выталкивается в конденсатор. Конденсатор является теплоотдающим узлом теплонасоса: здесь теплота принимается водой в системе отопительного контура. При этом газ охлаждается и конденсируется, чтобы вновь подвергнуться разряжению в расширительном вентиле и вернуться в испаритель. После этого рабочий цикл повторяется.

Чтобы компрессор работал (поддерживал высокое давление и циркуляцию), его надо подключить к электричеству. Но на каждый затраченный киловатт-час электроэнергии тепловой насос вырабатывает 2,5-5 киловатт-часов тепловой энергии. Это соотношение называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Значение данной величины зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем она меньше. По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество источника низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения.

Виды тепловых насосов. Тепловые насосы бывают двух основных типов – с закрытым и открытым контуром.

Насосы с открытым контуром используют в качестве источника тепла воду поземных источников – она закачивается по пробуренной скважине в тепловой насос, где происходит теплообмен, и охлажденная выводится обратно в подводный горизонт через другую скважину. Такой тип насосов выгоден тем, что подземная вода сохраняет стабильную и достаточно высокую температуру круглый год.

Насосы с закрытым циклом бывают нескольких типов: вертикальные и горизонтальные (Рис.17).

Насосы с горизонтальным теплообменником имеют замкнутый внешний контур, основная часть которого вкопана горизонтально в землю, или прокладывается по дну близлежащего озера или пруда. Глубина пролегания труб под землей в таких установках – до метра. Этот способ получения геотермальной энергии самый дешевый, но для его использования необходим ряд технических условий, которые не всегда есть на обустраиваемой территории. Главное из них – трубы должны пролегать так, чтобы не мешать росту деревьев, земледельческим работам, чтобы была низкая вероятность повреждения подводных труб при сельскохозяйственной или другой деятельности.

Рис. 17. Приповерхностная геотермальная система с теплообменом

Насосы с вертикальным теплообменником включают в себя внешний контур, вкопанный глубоко в землю – на 50-200 м. Это самый эффективный тип насоса, который производит самое дешевое тепло, но его установка намного дороже предыдущих типов. Выгода в этом случае связана с тем, что на глубине больше 20 метров, температура земли стабильна круглый год и составляет 15-20 градусов, а с увеличением глубины только растет.

Кондиционирование с помощью тепловых насосов. Одним из важных качеств тепловых насосов является возможность переключения из режима отопления зимой в режим кондиционирования летом: только вместо радиаторов используются фанкойлы.

Фанкойл - это внутренний блок, в который подаются тепло- или хладоноситель и прогоняемый с помощью вентилятора воздух, который в зависимости от температуры воды либо нагревается, либо охлаждается. Включает в себя: теплообменник, вентилятор, фильтр для очистки воздуха и пульт управления.

Так как фанкойлы могут работать и на нагрев и на охлаждение, возможны несколько вариантов обвязки:
- S2 – трубная – когда роль тепло- и хладоносителя выполняет вода и допускается их смешение (и, как вариант, устройство с электронагревателем и теплообменником, работающим только на охлаждение);
- S4 – трубная – когда хладоноситель (например, этиленгликоль) не может смешиваться с теплоносителем (водой).

Мощность фанкойлов по холоду колеблется от 0,5 до 8,5 кВт, а по теплу – от 1,0 до 20,5 кВт. В них устанавливаются малошумные (от 12 до 45 дБ) вентиляторы, имеющие до 7 скоростей вращения.

Перспективы. Широкому распространению тепловых насосов мешает недостаточная информированность населения. Потенциальных покупателей пугают довольно высокие первоначальные затраты: стоимость насоса и монтажа системы составляет 300-1200$ на 1 кВт необходимой мощности отопления. Но грамотный расчет убедительно доказывает экономическую целесообразность применения этих установок: капиталовложения окупаются, по ориентировочным подсчетам, за 4-9 лет, а служат тепловые насосы по 15-20 лет до капитального ремонта.