Тепловой насос: что это такое и как работает

Существует огромное количество способов отапливать помещение. Это можно делать как традиционными способами — с помощью газа или электричества, так и «древними» — с помощью угля или дров. Последний способ используется в тех случаях, когда дом не имеет газификации, а электричество слишком дорогое. Но есть и другой способ — с помощью теплового насоса. Ему не нужен газ или другое горючее, а для работы требуется всего несколько киловатт электроэнергии.

• Что такое тепловой насос
• Как работает тепловой насос
• Откуда можно брать тепло
• В чем преимущество теплового насоса
• Можно ли охлаждаться с помощью теплового насоса

Что такое тепловой насос

Тепловой насос — это устройство, которое может переносить тепловую энергию от источника к потребителю. Фактически, насос просто выкачивает тепло из одного нагретого тела и отдает его другому, менее нагретому. Этот принцип основан на том, что любое тело, которое обладает температурой выше абсолютного нуля (−273,15 °C), также обладает некоторым запасом тепловой энергии, которую, в теории, можно у него забрать.

На планете нет объектов, которые имеют температуру ниже абсолютного нуля и даже близкую к этому значению, поэтому выкачивать тепло можно откуда угодно. Это может быть как атмосферный воздух, так и озера, реки, моря, океаны, подземные источники, грунт и даже скальные породы, которые накопили огромное количество энергии за теплое время года.

Очевидно, что такие запасы можно использовать в полезном ключе — например, для отопления домов. Причем без ущерба для природы, так как в процессе теплового переноса происходит лишь перераспределение энергии. Это никак не влияет на окружающую экологию, в отличие от других способов отопления — например, с помощью газовых или твердотопливных котлов, которые не только генерируют избыток тепловой энергии, создавая парниковый эффект, но и, ко всему прочему, производят вредные выбросы в атмосферу.

Тепловой насос можно использовать не только для отопления, но и для охлаждения — в таком случае тепло забирается не из атмосферы, а из комнатного воздуха, и передается на улицу. По этому принципу работают кондиционеры.

Как работает тепловой насос

Тепловым насосом называют готовую систему, которая состоит из двух контуров — внешнего и внутреннего. Внешний контур — это теплоноситель (раствор этиленгликоля или этиловый спирт), который проходит через трубки, уложенные в землю или водоем, и передает собранное тепло на внутренний контур. Внутренний контур состоит из двух радиаторов (испаритель и конденсатор), а также расширительного клапана, хладагента и, самое главное, компрессора, который занимается передачей тепловой энергии.

Работает такая система следующим образом — теплоноситель проходит по внешнему контуру, накапливает тепловую энергию и возвращается ко внутреннему контуру. Последний, по сути, это обычный кондиционер, только гораздо мощнее. Здесь происходит самое главное — фреон кипит при отрицательных температурах и превращается из жидкого состояния в газообразное и обратно, нося по контуру огромное количество тепловой энергии. Этот процесс называется фазовым переходом. Если не понятно, рассказываем «на пальцах».

Намочите тряпку водой с температурой 37-38 °C и проведите ею по тыльной стороне ладони. Чувствуется тепло? А теперь подуйте на это место. Чувствуется прохлада? Протрите кожу насухо и пощупайте — участок кожи, где только что была вода с температурой на пару градусов выше температуры тела, стал холодным. Это не волшебство, а самый обычный закон физики — испаряясь, вода прихватывает с собой часть тепла с поверхности. И чем интенсивнее она испаряется, тем больше  забирает тепла. Интенсивность мы как раз можем регулировать силой обдува. Аналогичным образом работает штатная система охлаждения человека — потоотделение.

Теперь возвращаемся к технике. Теплоноситель забирает тепло у естественного источника (например, грунт) и отдает его внутреннему контуру. Здесь и начинается тот самый процесс фазового перехода — только вместо воды или пота здесь используется инертный газ под названием «фреон». Он имеет очень низкую температуру кипения (-5 °C) и способен гораздо эффективнее отбирать тепло у источника.

Находясь под сильным давлением (20–25 атмосфер), газ пребывает в жидком состоянии. Но, когда фреон проходит через испаритель, он переходит в газообразное состояние — то есть, очень активно испаряется. Вместе с этим он забирает тепло у источника с помощью одного радиатора (испарителя) и переносит его на другой — конденсатор. Затем газ снова сжимается до жидкого состояния, и процесс передачи тепла повторяется циклично.

За сжатие газа отвечает компрессор — электрический двигатель, который приводит в движение систему, состоящую из поршней и клапанов. Это единственный компонент, которому для работы требуется внешний источник энергии.

Откуда можно брать тепло

Черпать тепловую энергию можно из разных источников — как из природных, так и из искусственных. Естественно, первый вариант предпочтительнее, так как это бесплатно и безвредно для природы. Тем более, таких источников очень много и все они находятся буквально у нас «под ногами».

Скважина. Для сбора тепла можно использовать скважину в скалистой породе. Ее глубина зависит от мощности теплового насоса. Например, для получения 50–60 Вт тепловой энергии необходимо пробурить скважину глубиной 1 метр. А для нормальной работы насоса мощностью 21 кВт потребуется бурить скважину глубиной порядка 200 метров. Иногда вместо этого делают несколько скважин с меньшей глубиной — главное, чтобы общая протяженность трубопровода соответствовала расчетному.

Земляной контур. Наверное, самый простой и доступный способ изъять тепло — это использовать придомовой участок. Трубопровод зарывают на глубину порядка 1 метра в виде змеевидного контура. Удельная тепловая мощность такой системы составляет примерно 20–30 Вт/м. Для получения 10 кВт тепла необходимо зарыть около 400 м трубопровода. Для этого будет достаточно участка площадью 20 м². Желательно, чтобы грунт был влажным, так как это сильно увеличивает эффективность системы. При этом никакого влияния на плодородность почвы это не оказывает.

Водоем. Отличный источник тепла для отопления — ближайший водоем, на дно которого тоже можно уложить контур. Этот способ идеален во всех смыслах. Во-первых, вода в пруду или реке всегда имеет температуру выше нуля. Во-вторых, в жидкой среде теплообмен с трубопроводом происходит быстрее. Здесь на 1 метр трубы приходится около 30 Вт тепла. Так что для работы условного насоса мощностью 10 кВт будет достаточно 300 метров трубы.

Воздух. Некоторые системы также работают «на воздухе». То есть, используют его в качестве источника тепла или холода. Обычно так работают кондиционеры, но в случае с отопительным тепловым насосом воздух может использоваться для получения тепловой энергии из вытяжки вентиляционных систем. Такое встречается на производстве, где оборудование вырабатывает большое количество теплого воздуха — например, пекарни. Еще такая система может использоваться для обеспечения горячего водоснабжения.

В чем преимущество теплового насоса

Установить и эксплуатировать тепловой насос дешевле, чем газифицировать участок. Для того, чтобы реализовать отопление газом, необходимо провести согласования, получить огромное количество разрешений, подвести коммуникации, произвести монтаж оборудования и обеспечить соблюдение технического регламента в помещении. Например, построить котельную комнату, установить вытяжки, различные датчики и системы пожарной безопасности.

Для установки теплового насоса достаточно найти свободное место на участке и согласовать работы с компанией, которая будет производить монтаж оборудования. Здесь не нужно получать разрешения, а также регистрировать приборы учета — платить придется только за электроэнергию. Причем гораздо меньше, чем это было бы при использовании электрического котла.

Преимущество теплового насоса заключается не только в безопасности технологии для природы и простоте установки, но также в экономичности такого способа отопления или охлаждения. Дело в том, что насос производит больше тепловой энергии, чем потребляет электрической. Таким образом КПД насоса в несколько раз превышает 100 %.

Например, современный напольный радиатор потребляет из розетки 2 кВт энергии и выдает тепла почти на столько же ватт. Таким образом КПД этого отопительного прибора составляет примерно 98 %. При этом условный тепловой насос, чтобы выдать 2 кВт тепла, затратит всего 500 Вт электричества. Остальные ватты он возьмет из земли, водоема или воздуха. Таким образом его коэффициент полезного действия составляет 400 %. Точнее, коэффициент преобразования (СОР) — у электрического радиатора он равен 0,98, а у условного теплового насоса достигает 4-х единиц.

Из этого вытекают и другие преимущества. Например, для теплового насоса не нужно подводить мощную электролинию и ставить дорогой счетчик со сложной обвязкой. Вместо этого будет достаточно вывести отдельную розетку от электрощитка, которая будет питать тепловой насос и помпу, заставляющую теплоноситель циркулировать в системе.

Можно ли охлаждаться с помощью теплового насоса

Тепловой насос может заменить не только котел зимой, но и кондиционер летом. Причем на охлаждение комнат в таком случае будет затрачиваться минимальное количество энергии — столько, сколько нужно для работы помпы. Она будет прокачивать теплоноситель по системе и переносить охлажденный воздух из скважины или грунта в дом. Сам тепловой насос при этом работать не будет, так как для охлаждения хватит и природных ресурсов.

Но, если вдруг пассивной мощности системы окажется недостаточно, то в дело включится тепловой насос и обеспечит более эффективное охлаждение. Вместо радиаторов отопления в таком случае система задействует фанкойлы — потолочные системы, которые выступают в роли внутреннего блока кондиционирования. Такие часто встречаются в больших магазинах, на складах и в промышленности.

Использование теплового насоса для отопления — это современный и эффективный способ, который имеет все шансы вытеснить с рынка такие привычные системы, как газовый и электрический котлы. Однако пока все упирается в стоимость самой системы и ее установки — на данный момент работы «под ключ» обходятся не менее чем в 1 000 000 рублей за геотермальную установку. Это, конечно, немного дешевле, чем проводить газ с нуля, но дороже, чем пользоваться уже газифицированным объектом.

Еще по теме климата:

• Выбираем мобильный кондиционер для дома — какими бывают и чем отличаются
• Топ-10 кондиционеров для маленькой студии, обычной «однушки» и большой квартиры
• 5 мифов о кондиционерах, которым не стоит верить