Теплонасосный цикл известен уже давно, а принцип действия теплового насоса вытекает из работ французского военного инженера Сади Карно и описанного им идеального термодинамического цикла. Первую в истории практическую реализацию теплового насоса предложил английский физик Уильям Томпсон (лорд Кельвин) в 1852 г., взяв за основу научные труды Николя Леонара Сади Карно. Ученый отметил, что подобное устройство может быть использовано как для охлаждения, так и для нагревания. Разработанная им схема получила название «умножитель тепла». У.Томпсон заметил, что данное устройство будет потреблять намного меньше первичной энергии путем отбора тепла из окружающей среды.
Тепловой насос - это термотрансформатор, который преобразует низкопотенциальную энергию окружающей среды: воды, воздуха и грунта (с температурами от -30оС до +30оС), непригодную для теплоснабжения, в высокопотенциальную энергию с температурой от +35оС до +90оС. Так, в случае с грунтовым тепловым насосом типа "рассол/вода" забирается низкопотенциальная тепловая энергия земной поверхности, имеющей температуру в диапазоне от 0 до +12оС, и передается с повышенным потенциалом теплоносителю в системе отопления или воде в системе горячего водоснабжения.
Тепловые насосы по принципу их действия схожи с холодильными машинами, которыми мы пользуемся каждый день (кондиционеры, холодильники, морозильные камеры и т.п.). Разница в том, что в холодильных устройствах используется холод, а в тепловых насосах - вырабатываемое тепло. К примеру, в бытовом холодильнике тепловая энергия отбирается от продуктов, находящихся в холодильной камере и выбрасывается в окружающий воздух через радиатор, находящийся на задней стенке холодильника.
Очевидная с точки зрения экономики выгода применения подобных устройств заключается в том, что электроэнергия расходуется лишь для работы компрессора, который, в свою очередь, преобразует энергию окружающей среды. Затрачиваемая электроэнергия составляет в среднем всего 25 % от полученной тепловой энергии. Другие 75% являются энергией окружающей среды. В то же время в процессе работы тепловым насосом не сжигается топливо, а поэтому он и пожаро- и взрывобезопасен, а также и не представляет никакой угрозы с точки зрения экологии.
Поскольку тепловые насосы по своей сути являются холодильными машинами, они могут использоваться не только для теплоснабжения, но и для холодоснабжения. Данная их способность освобождает от необходимости устанавливать отдельные устройства для кондиционирования помещений.
Тепловые насосы являются одним из самых перспективных на сегодня устройств, которые используются для обеспечения различных площадей теплом. Его перспективность заключается в невероятно высокой экономичности. Использование подобного теплоэнергетического оборудования приводит к экономии значительных денежных средств, расходуемых на отопление.
Принцип работы теплонасоса достаточно прост. Он функционирует как обыкновенный холодильник: продукты отдают тепло, которое затем выбрасывается в окружающую среду. Экономичный тепловой насос – тот же кондиционер или холодильник, работающий «наоборот». Он забирает тепло у окружающей среды и отдает его туда, где действительно необходим обогрев, – воздуху и предметам, находящимся в помещении. А обогрев при этом столь же эффективен, как и при применении стандартных, привычных систем отопления.
Замысел использования тепловых насосов не новый – ему уже около 150 лет. Но только сейчас, во времена, когда человечество близко столкнулось с проблемой дефицита энергии, применение тепловых насосов специалисты признают одним из самых целесообразных видов обеспечения комфортной температуры в зданиях в холодное время года. Современный теплонасос для обогрева помещения расходует незначительное количество электроэнергии, которая и питает маломощный компрессор. Следовательно, использование подобного устройства намного выгоднее, чем традиционные способы обеспечения зданий теплом. Не стоит забывать о том, что как и другие холодильные машины, тепловой насос способен обеспечивать здание холодом в жаркие дни.
При покупке теплового насоса стоит учитывать энергетическое и техническое состояние здания. Независимо от отопительной системы, которую Вы используете, стоит обеспечить высокую герметичность, тепло- и влагоизоляцию постройки. Чем выше эти показатели, тем меньше будет затрат на отопление. Следовательно, понадобится оборудование невысокой мощности, что минимизирует денежные затраты. Хотя для экономии энергии необходимо использовать устройства с низкой потребляемой электрической мощностью, для установки теплонасоса важным является точный расчет параметров и показателей, так как выбор агрегата с неверной мощностью приведет к его неэффективной работе. Также следует помнить, что работа отдельных механизмов и компонентов системы должна быть четко согласована между собой.
Ассортимент предлагаемых тепловых насосов можно посмотреть в каталоге продукции в разделе "тепловые насосы".
Схематично тепловой насос можно представить в виде рабочего контура, состоящего из четырех основных элементов, - испарителя (1), компрессора (2), конденсатора (3) и сбросного клапана (4). К рабочему контуру примыкает первичный (внешний) контур, в котором циркулирует рабочее вещество (вода, антифриз или воздух), собирающее тепло окружающей среды, и вторичный - вода в системах отопления и горячего водоснабжения здания.
1 - испарение; 2 - сжатие; 3 - конденсация; 4 - расширение
Испаритель - пластинчатый теплообменник, где с одной стороны циркулирует холодный жидкий хладагент (вещество с низкой температурой кипения, обычно фреон), а с другой стороны на противотоке циркулирует рабочее вещество первичного контура.
Первичный контур - это контур с низкопотенциальной тепловой энергией (энергия, температуры которой недостаточно для непосредственного нагрева отопительного контура). В качестве источника энергии первичного контура может быть использовано тепло грунта (грунтовые зонды с антифризом), грунтовых вод (две скважины: подающая и поглощающая), наружного воздуха и т.п.
В испарителе хладагент забирает тепло первичного контура, закипает и испаряется. Соответственно понижается температура выхода первичного контура.
Компрессор всасывает газообразный хладагент, сжимает его, резко повышая таким образом его температуру. Горячий газообразный хладагент выталкивается в конденсатор.
Конденсатор - по устройству такой же теплообменник, как и испаритель, где со стороны рабочего контура циркулирует горячий хладагент, а со стороны вторичного контура - вода или антифриз.
Горячий хладагент, вступая в тепловой контакт с теплоносителем системы отопления или водой из системы горячего водоснабжения (ГВС), конденсируется, передавая свое тепло системе отопления или ГВС. При этом жидкий фреон стекает на дно конденсатора, откуда за счет перепада давлений продавливается через сбросной клапан в испаритель. Температура его при этом резко понижается. После этого рабочий цикл начинается сначала.
Большую часть производимой тепловой энергии тепловой насос берет из окружающей среды, так называемого источника низкопотенциальной тепловой энергии. Доля этой, бесплатной, энергии может составлять от 60 до 80%. И лишь оставшиеся 20-40% тепловой насос берет из электросети для работы электрических приводов, сложащих для перекачивания энергии окружающей среды в систему теплоснабжения.
По своему происхождению источники энергии делятся на:
