Человечество за время своего развития придумало большое количество способов отапливать свое жилище. Для этого можно использовать газ, электричество, в некоторых случаях оптимальным является переход на относительно «древние» способы – дрова или уголь. Последние варианты используют еще относительно часто, например, если нет возможности подключить газ, а электричество обходится слишком дорого. К новым технологиям можно отнести использование теплового насоса. Горючее в этом случае не используется, а электричество требуется только для обеспечения работы оборудования.
Принцип работы теплового насоса
Тепловой насос представляет собой устройство, которое позволяет переносить тепловую энергию. Простыми словами, выкачивается энергию от нагретого тела и отдается менее нагретому. В основе схемы лежит факт, что любое тело с температурой выше абсолютного нуля имеет определенный запас тепловой энергии, которую при определенных условиях можно извлечь.
На планете в обычных условиях нет объектов с температурой, близкой к абсолютному нулю. Это позволяет использовать в качестве источника любой материал – атмосферный воздух, воду в озере, скальную породу, подземные воды, грунт и так далее.
За теплое время года может накапливаться огромное количество энергии, которую вполне можно использовать для отопления дома. При этом влияние на экологию минимально – осуществляется только перераспределение энергии. Другие способы в большинстве случаев подразумевают наличие различных выбросов в атмосферу, что приводит к ее загрязнению.
Тепловой насос может работать и в обратном направлении – переносить тепло за пределы помещения. Аналогичный принцип используется в классических кондиционерах.
Система основана на двух контурах – внутреннего и внешнего. Внешний контур представляет собой систему трубок, уложенных в землю или водоем. В качестве теплоносителя может использоваться этиловый спирт, этиленгликоль или другая жидкость с подходящими параметрами. Задача данного элемента – максимально эффективно собрать тепло и передать его далее по системе. Внутренний контур включает два радиатора (конденсатор и испаритель), хладагент, расширительный клапан и компрессор, которые обеспечивает передачу тепла.
Теплоноситель в процессе прохождения по внешнему контуру накапливает тепловую энергию из внешней среды, после чего возвращается к внутреннему контуру. Во внутреннем контуре используются физические свойства фреона (как в обычном кондиционере), который начинает кипеть даже при отрицательных температурах, переходя в газообразное состояние. Переход между этими двумя состояниями называют фазовым переходом.
В основе работы лежат простые физические явления, которые известны уже много лет. Фреон начинает кипеть уже при температуре минус 5 градусов, что позволяет эффективно отбирать тепло из внешней среды. Возможность переноса тепла обусловлена тем, что в разных частях системы газ находится под разным давлением. На начальном этапе фреон находится под сильным давлением (до 25 атмосфер), что обеспечивает нахождение в стабильном жидком состоянии. После прохождения через испаритель давление понижается, что инициирует переход в газообразное состояние. Активное испарение сопровождается отбором тепла, которое выделяется в конденсаторе. Газ снова переводится в жидкое состояние, после чего цикл повторяется.
Сжатие газа обеспечивается при помощи компрессора, который также обеспечивает движение хладагента по всему контуру. Это единственный модуль во внутреннем контуре, который потребляет энергию. Извлекать энергию можно из разных объектов, это могут быть искусственные и природные источники. Естественно, последний вариант предпочтительнее, поскольку отсутствует вред природе и такие источники гораздо проще найти.
Скважина в скалистой породе. Глубина такой скважины зависит от проектной мощности теплового насоса. Если система рассчитана на 50-60 Вт общей тепловой энергии, то достаточно глубины 1 метр, если необходимо до 21 КВт – скважина может достигать 200 метров. Для снижения затрат на подготовительные работы допускается использование нескольких скважин, главное обеспечить общую протяженность.
Использование земляного контура. Самый простой в реализации вариант, для развертывания можно использовать обычный придомовой участок. Тепловая мощность контура в этом случае составит 20-30 Вт/метр. Порядка 400 метров трубопровода способны обеспечить до 10 кВт тепла, что вполне возможно реализовать даже на небольшом участке. Желательно, чтобы грунт был достаточно влажным, что позволит улучшить передачу тепла.
Водоем. Укладка контура на дно водоема имеет ряд преимуществ. Вода всегда имеет положительную температуру и обладает высокой теплопроводностью. Для запуска условной системы в 10 кВт достаточно проложить 300 метров трубы.
Воздух. При определенных условиях воздух также можно использовать в качестве источника тепла (или его отвода). К примеру, есть системы, которые берут тепло из вентиляционных систем на крупных производствах. Это актуально, поскольку оборудование может вырабатывать огромное количество тепла, которое вместе с воздухом просто выбрасывается в атмосферу.
Преимущество использования теплового насоса
Установка и эксплуатация такой системы обходится гораздо дешевле, чем газифицировать участок. Для подключения газа предварительно необходимо оформить разрешение, согласовать проект, обеспечить монтаж с соблюдением всех требований. Также часто требуются дополнительные работы – установка вытяжек, датчики для обеспечения безопасности и так далее.
Для монтажа системы на основе теплового насоса достаточно найти подходящее место на участке и заключить договор с компанией, которая произведет монтаж. Получение дополнительных разрешений и регистрация не требуется. После выхода на рабочий режим оплата будет осуществляться только за электроэнергию, при этом потребление намного ниже, чем при отоплении при помощи электрического котла.
К примеру, обычный напольный радиатор потребляет 2 кВт энергии, выделяя почти столько же в виде тепла (КПД порядка 98%). Тепловой насос использует другую схему, что позволяет при условном потреблении 500 Вт выдавать 2 кВт тепла. Такой КПД возможен, поскольку остальная часть тепла извлекается из внешней среды.
Для запуска такой системы не требуется использовать мощную электролинию с дорогим счетчиком и сложной обвязкой для соблюдения всех требований. Достаточно выделить отдельную розетку для питания теплового насоса и помпы. Тепловой насос также имеет хороший показатель стоимости полученного 1 кВт тепла, уступая только газовому отоплению.
Охлаждение помещения
Тепловой насос может работать в режиме кондиционера, осуществляя перенос тепла из помещения. При этом также будет затрачиваться минимальное количество энергии – в качестве потребителя выступает только помпа. Тепловой насос в этом случае не задействуется, поскольку охлаждение осуществляется естественным путем.
Если пассивного режима недостаточно, можно задействовать возможности теплового насоса. В этом случае вместо радиаторов в помещении используют фанкойлы – модули, которые размещаются в потолке и выполняют функции внутреннего блока кондиционирования. Такие блоки сегодня часто можно встретить в крупных цехах, магазинах или складах.
Отопление помещений при помощи теплового насоса еще слабо распространено, однако в дальнейшем данная технология может вытеснить другие популярные способы. Основной сдерживающий фактор – стоимость установки. Стандартная геотермальная система для отопления дома стоит более миллиона рублей (оборудование, монтаж, запуск). Проведение газа может обойтись дороже, однако если участок уже газифицирован, то установка теплового насоса нецелесообразна с экономической точки зрения.