Тепловий насос - реальна енергонезалежність
 Зростання цін, як на традиційні енергоносії - газ, вугілля, нафта, так і на відновлювані - торф, дрова, біопаливо, а також занепокоєння з приводу екологічних проблем, пов'язаних з видобутком і спалюванням традиційного палива, викликали великий інтерес до використання природних низькотемпературних джерел енергії . Це стало можливим завдяки прогресу в розробці теплових насосів. У навколишньому середовищі (повітрі, грунті, воді річок та океанів) накопичено величезну кількість теплової енергії, отриманої від Сонця. Але всі ці джерела мають низьку температуру від +20 оС до -20 оС. Безпосереднє використання теплової енергії від такого джерела пов'язане з серйозними технічними проблемами. Порівняйте, температура газів в топці котла досягає 900 оС, це дозволяє легко нагріти воду в системі опалення до 90 оС. Гаряча вода, проходячи по батареях опалення, швидко нагріває повітря в будинку до +22 оС. Якщо ж ми спробуємо «перехитрити» термодинаміку і взимку при -10 оС на вулиці пропустимо через батареї воду з температурою +10 оС безпосередньо з річки, то в кращому випадку нагріємо будинок на кілька плюсових градусів. Тепловий насос, використовуючи енергію стороннього джерела (електричну, механічну або теплову) піднімає температуру теплоносія до 50 оС - 70 оС. Витративши 1 кВт електричної енергії, отримаємо 3-6 кВт теплової енергії з температурою теплоносія 40 оС -60 оС. Але звідки береться енергія? Це не суперечить законам фізики. Забираючи, наприклад, 4 кВт теплової енергії від води в річці з температурою води +4 оС, і витративши додатково ще 1 кВт електричної енергії, отримаємо на виході пристрою 5 кВт теплової потужності з температурою теплоносія +50 оС.Теплові насоси порівняно прості, довговічні і досить надійні пристрої. Як же вони працюють?Тепер трохи теорії. Коротенько розглянемо принцип дії теплового насоса. Кому нецікаво це можна пропустити.Тепловий насос не така вже дивина - в кожному будинку є холодильник, а в ньому той самий тепловий насос, який відбирає тепло від покладених всередину нього продуктів і віддає це тепло з тильного боку апарату в приміщення. Перевірте - всередині морозильної камери холодно, а радіатор на задній стінці досить гарячий. Тепловий насос для опалення робить все навпаки - він забирає тепло зовні, наприклад, від води в річці і віддає його всередині приміщення. В результаті річка охолоджується, а наша кімната нагрівається. Тепловий насос можна уявити собі як холодильник, морозильна камера якого закопана в землю або знаходиться в озері, а радіатор встановлений в будинку для обігріву. Включивши такий пристрій у розетку ми почнемо відбирати тепло не в продуктів, а у землі.Тепловий насос складається з чотирьох основних вузлів: випарника, компресора, конденсатора і дросельного клапана або просто дроселя. Уся система заповнена хладоагентов-рідиною з дуже низькою температурою кипіння. Найбільш популярний хладоагент це фреон, його температура кипіння всього 3 ° C. В тепловому насосі використовуються кілька відомих з фізики явищ. Перше - при випаровуванні рідини температура знижується. Згадайте - у спекотну погоду ми потіємо. В результаті випаровування поту наше тіло охолоджується, то ж відбувається, якщо в жарку погоду надіти мокру сорочку. Друге фізичне явище - при конденсації пари виділяється тепло. І ще одне явище - при стисненні газу він нагрівається. Цього достатньо для розуміння роботи теплового насоса. У випарник хладоагент надходить під низьким тиском у рідкому стані. Температура його стінок нижче температури джерела тепла, наприклад, води в річці або повітря на вулиці. Хладоагент нагрівається і закипає, перетворюючись на пару. Пари хладоагента стискуються компресором до високого тиску. Одночасно при стисненні підвищується температура пари до 50 оС -70 оС. Крім того, на цьому етапі механічна енергія компресора також перетворюється в теплову. У конденсаторі гарячі пари холодоагенту при контакті з відносно холодними стінками конденсуються, віддаючи теплову енергію отриману з навколишнього середовища (повітря, грунт, вода) і також енергію від привода компресора, системи опалення (больер, батареї опалення), тобто в теплоприемник. При цьому температура хладоагента падає нижче температури конденсації, і він перетворюється в рідину. При проходженні хладоагента через дросель зменшується тиск, і він охолоджується ще більше. Холодний рідкий хладоагент знову надходить у випарник, і цикл повторюється.Більшість теплових насосів реверсивні, їх можна перемикати як в режим нагрівання, так і на охолодження. Робота теплового насоса в режимі охолодженні приміщення аналогічна. Тільки в цьому випадку тепло відбирається з повітря в приміщенні і йде на нагрів грунту, води у водоймі або зовнішнього повітря.Схематично система опалення на основі теплового насоса складається з трьох замкнутих герметичних контурів. Перший зовнішній заповнений незамерзаючої рідиною збирає тепло з навколишнього середовища і віддає його в другий контур зі холодоагентах. Хладоагент випаровуючись, відбирає тепло з першого контуру і за допомогою компресора переносить його до теплоприймачу. Теплоприемник це третій контур - вода в системі опалення або гарячого водопостачанняУ середньому три чверті теплової енергії побутової тепловий насос бере з навколишнього середовища, а одна третина це електрична енергія, споживана привідним двигуном компресора.Переваги теплових насосів:- Тепловий насос дозволяє значно скоротити експлуатаційні витрати на опалення будинку, кондиціювання та гаряче водопостачання;- У холодну пору року система працює на обігрів приміщення, в спекотні літні дні - на охолодження;- Теплові насоси дуже надійні машини, які не потребують частого технічного обслуговування, працюють в автоматичному режимі, термін служби близько 50-ти років (згадайте свій старий холодильник - як часто за двадцять років ви викликали техніка для ремонту);- Насоси вельми гігієнічні, відсутнє відкрите полум'я, запах диму, сажа, не потрібно склад або танк для пального;- Нарешті це екологічно чисте опалювання, немає шкідливих викидів в приміщення і в атмосферу, не застосовується органічне паливо, і не використовуються заборонені холодоагенти;- Обладнання вельми компактно і не вимагає спеціального приміщення для установки.
За останні 50 років накопичено великий досвід експлуатації теплових насосів. Вперше в широких масштабах для побутового опалення теплові насоси набули поширення в Швеції. В даний час більше 90% нових будинків в цій країні оснащені тепловими насосами. В останні десятиліття наприклад шведів слідують багато європейських країн. Ця система опалення стала популярною в США і в Японії, а також у Китаї. Так в США близько 15% індивідуальних будинків і адміністративних будівель опалюються за допомогою теплових насосів. Така система теплопостачання застосовується не тільки для індивідуальних будинків. Так в Стокгольмі працює теплова станція потужністю 320 МВт. Станція змонтована на декількох баржах, пришвартованих біля берега. Джерелом тепла служить вода Балтійського моря.
Є кілька практично невичерпних джерел тепла, з яких за допомогою теплових насосів можна отримувати дешеву енергію для теплопостачання.
Зовнішнє повітря. Такі системи найменш матеріаломісткі і найдешевші. Але з іншого боку вони малоефективні при низьких температурах зовнішнього повітря. Ідеальним джерелами є водойми - річки, озера, моря. Колектор для відбору тепла на якорях укладають на дно або в донний грунт. Температура води у дна навіть у найлютіші морози не знижується нижче +4 ° C. На один кіловат теплової потужності потрібно близько 30 погонних метрів колектора.
Наступний доступне джерело тепла це грунт. У поверхневому шарі землі протягом літа акумулюється величезна кількість тепла. Пластиковий колектор вкладається на невеликій глибині 1,2-1,5 метрів. Температура на такій глибині однакова в будь-який час року. На кіловат теплової потужності потрібно 35-40 метрів колектора, а «зібрати» 10 кВт теплової потужності можна на 400 квадратних метрах присадибної ділянки.
Надійним, але і найдорожчим є використання енергії земних надр. Для цього на ділянці буриться одна або декілька свердловин діаметром 15 сантиметрів на глибину 50-100 метрів.
 У свердловини, заповнені грунтовою водою опускається колектор. Така система не вимагає багато місця.Основні умови високоефективної роботи теплових насосів наступні. Гарна теплоізоляція стін і вікон. Низькотемпературна система водяного опалення. Наприклад, тепла підлога з температурою подаваної води 35 ° С дозволяє отримати сумарний коефіцієнт трансформації тепла порядку 4,6-4,9 (при радіаторному опаленні цей коефіцієнт не перевищує - 2,6-3,2). Підбираючи тепловий насос, слід звернути увагу на максимальну температуру подачі в контур опалення, якщо вона вище 50 ° С, цілком підійдуть стандартні сталеві або алюмінієві малоінерційні радіатори (не слід застосовувати чавунні).Так чому ж так рідко використовуються теплові насоси в Україні? Причин на те кілька. Тут і недостатня інформованість потенційних споживачів, консерватизм і недовіра до незвичайних способів опалення. Але основна проблема в тому, що ми враховуємо тільки початкові фінансові витрати на покупку і монтаж обладнання. Дійсно, якщо порівнювати з традиційними системами опалення, то вони досить високі. Але з урахуванням витрат на паливо (газ, вугілля, дрова і т.д.) і стійкої тенденції до збільшення ціни на енергоносії, теплові насоси стають все більш привабливими і в Україні.
|
>
