Сьогодні все частіше ми замислюємося про використання альтернативних джерелах тепла. Одним з рішень щодо зниження енергетичної залежності, яке вже набуло широкого поширення практично по всьому світу, є використання теплових насосів, які можна подивитись на сайті teplovyenasosy.com.ua. Особливе значення це має для України, де відчувається гостра недостача енергоносіїв.
Наше довкілля (повітря, вода, земля) має величезні запаси тепла, яке можна використовувати для опалення та нагрівання води. Проблема полягає в тому, що зазвичай доступний нам альтернативне джерело тепла має температуру значно нижче, ніж об'єкт, який ми гріємо.
Наприклад, як джерело тепла, ми хочемо використовувати зовнішнє повітря з температурою 0 С, і обігрівати будинок, де температура повинна бути 22 С. Цю на перший погляд парадоксальну ситуацію описує одне з формулювань другого закону термодинаміки:
Теплота не може переходити від холодного тіла до гарячого сама собою, без витрати зовнішньої роботи.
Але якщо ми візьмемо якусь кількість тепла від зовнішнього середовища, в нашому прикладі від зовнішнього повітря, і докладемо роботу для підвищення його енергетичного потенціалу, то отримаємо тепло з необхідною для наших потреб температурою. Реалізувати це можна за допомогою теплового насоса.
За принципом роботи тепловий насос це той же холодильник, тільки тепло він відводить від зовнішнього середовища, а гріє приміщення, роботу з підвищення енергетичного потенціалу підводить компресор.
Багато з нас, можливо несвідомо, але часто в побуті мають справу з тепловим насосом, коли включають кондиціонер «на нагрів».
Ефективність циклу теплового насоса оцінюється коефіцієнтом термотрансформаціі Kтр (опалювальним коефіцієнтом), який дорівнює відношенню теплоти, переданої нагрівається середовищі (т. Е. Приміщенню) q н, до витраченої роботи (робота компресора) lц:
Теплові насоси, як і холодильники, працюють по зворотному циклу Карно. Тому опалювальний коефіцієнт Kтр завжди більше одиниці, і залежить тільки від температур теплого і холодного джерел.
Розглянемо це на прикладі: температура повітря в приміщенні, яке обігрівається тепловим насосом T1, + 22 С (295 К), температура повітря зовнішнього середовища, від якої відводиться тепло T2, 0 С (273 К):
Отриманий результат означає, що в даних умовах, приклавши 1 кВт роботи, максимальну кількість тепла, яке ми можемо отримати для обігріву нашого будинку 13,4 кВт. Ключовим тут є поняття «максимальна кількість тепла», так як мова йде про теоретично ідеальних умовах. У реальності будь-яка система має безліч втрат і незворотних процесів, внаслідок яких реальний опалювальний коефіцієнт Kтр теплових насосів становить 3 ... 5.
Проте, в дійсності, використавши 1 кВт електроенергії, за допомогою теплового насоса ми можемо «перекачати» із зовнішнього середовища 3 ... 5 кВт тепла на опалення та інші потреби.
Залежно від виду використання зовнішнього джерела тепла, теплові насоси можна поділити на: геотермальні, повітряні, утилізатори.
Геотермальні теплові насоси - використовують тепло землі, підземних вод або наземних водойм.
Відбір тепла від грунту або водойми відбуватися за допомогою спеціального теплообмінника, який поміщається нижче глибини промерзання. За теплообміннику за допомогою насоса циркулює рідина, що не, наприклад гліколь, яка переносить тепло до теплового насосу. Тепловий насос в свою чергу передає тепло водяного контуру системи опалення / нагріву води, т. Е. Маємо системи типу «грунт-вода» або «вода-вода».
Розміщення теплообмінника теплового насоса в грунті може бути горизонтальним або вертикальним (в свердловині). Горизонтальне розміщення теплообмінника вимагає досить велику площу земельної ділянки для його укладання, проте це коштує значно дешевше, ніж буріння свердловин. Укладається теплообмінник на глибину мінімум на 0,5 м нижче глибини промерзання для даного регіону.
Якщо немає достатньої ділянки землі, або на ділянці не можна псувати ландшафтний дизайн, застосовують вертикальне розміщення теплообмінника. В такому випадку роблять кілька свердловин, глибиною до 200 м, в які поміщаються U-образні труби (зонди), по яких циркулює незамерзаюча рідина.
Грунтові теплові насоси дуже ефективні, так як температура грунту нижче глибини промерзання має температуру +4 ... + 12 С і досить стабільна протягом усього року.
При наявності поблизу водойми річки або озера можна реалізувати систему типу «вода-вода». В такому випадку теплообмінник, по якому циркулює незамерзаюча рідина, укладається на дно водойми. Таке виконання коштує значно дешевше, ніж грунтове, але необхідна наявність водойми достатньої глибини і обсягу.
Інший варіант системи типу «вода-вода» можна реалізувати за допомогою водяних свердловин. Так, вода з однієї свердловини подається в тепловий насос, і через другу свердловину повертається назад в землю.
Повітряні теплові насоси використовують тепло зовнішнього повітря. Найпоширеніше виконання даного типу теплового насоса - кондиціонер, що працює в режимі нагріву. В даному випадку тепло підводитися безпосередньо до повітря приміщення, т. Е. Виходить система типу «повітря-повітря». Також поширена схема, де тепло від повітряного теплового насоса підводитися до водяного контуру системи опалення / нагріву води, ця система називається «повітря-вода».
Повітряний тепловий насос набув найбільшого поширення в світі, так як він є самим недорогим і простим для реалізації. Однак його використання має певні кліматичні обмеження. І хоча сьогодні існують теплові насоси, які можуть працювати з зовнішнім повітрям при температурі до -25 С і навіть нижче, необхідно розуміти, що їх опалювальний коефіцієнт Kтр в таких умовах буде значно нижче і може становити менше 1,5.
Повітряні теплові насоси в наших кліматичних умовах часто комбінують з традиційними системами опалення. У перехідний період для опалення досить ефективно використовується тільки повітряний тепловий насос, а при зниженні температури підключається котел (електричний, газовий, дров'яної), який догріває теплоносій до потрібної температури.
Теплові насоси як утилізатори застосовуються в промисловості. Вони використовують так звану скидного теплоту (стічні води, відпрацьоване повітря сушарок, що охолоджує вода конденсаторів і т. Д.), Яка вже не може бути використана в інших процесах.
При виборі типу теплового насоса необхідно глибоко проаналізувати багато факторів: призначення (опалення, нагрів води, кондиціонування), періоди використання, доступні джерела тепла, кліматичні умови, екологічні аспекти, можливі технічні питання і, звичайно ж, бюджет. Також слід врахувати, що теплові насоси можна вигідно комбінувати з іншими системами використання альтернативної енергії (сонячні колектори, сонячні батареї), в результаті чого можна знизити до мінімуму свою енергетичну залежність, і відповідно витрати на енергоносії.
