Тепловые насосы: инструкция по применению

Часть I. Что качает тепловой насос?

Термин этот сегодня все чаще можно услышать, когда заходит речь об отоплении индивидуального дома. Однако далеко не все домовладельцы понимают, что же представляет собой тепловой насос, как он работает и почему так называется. А главное, насколько применимо это решение на практике и выгодно ли оно с точки зрения экономики частного домовладения. Впрочем, об этом чуть позже, а сперва разберемся с устройством и принципом его действия.

Когда мы говорим о привычных отопительных или нагревательных приборах, то обычно имеем в виду некий источник тепла, нагретый до достаточно высокой температуры. Его можно на ощупь идентифицировать как «горячий» или «теплый» относительно окружающего пространства помещения и расположенных в нем предметов. Из школьного курса физики мы помним, что более нагретые тела отдают тепло менее нагретым, в этом состоит суть второго начала термодинамики (упрощенно, конечно).

При этом передача тепла, например, от нагретого до +70°C радиатора воздуху комнаты, имеющему температуру +18-20°C или около того, осуществляется сама собой. Но радиатор предварительно нужно нагреть, и для этого в отопительную систему подается горячая вода. Она, в свою очередь, нагревается в котельной или на станции, где сжигают топливо. Топливо, передача тепла на расстояние — все это стоит денег, поэтому мы каждый месяц платим за отопление.

Тем не менее, вокруг нас есть практически неисчерпаемые (или, как их обычно называют, возобновляемые) источники совершенно бесплатного тепла. Ведь любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля (-273°C), обладает тепловой энергией, которую оно может отдать. Наиболее доступные из таких источников — грунт, естественные водоемы, атмосферный воздух и т.п.

Проблема в том, что сама собой энергия передается только от более теплого к более холодному телу, причем для эффективной теплопередачи разница температур должна быть значительной. Поэтому, чтобы забрать тепло у т.н. низкопотенциальных источников, температура которых ниже температуры отапливаемых помещений (например, для оборудования Danfoss она может колебаться в пределах от +15°C до -10°C, то есть быть отрицательной), необходимо совершить некоторую работу. Условно можно сказать, что тепло из низкопотенциальных источников «выкачивают», поэтому и устройство, с помощью которого это делают, называют тепловым насосом.

Может сложиться впечатление, что тепловой насос позволяет обойти второй закон термодинамики, однако это, конечно же, не так, иначе уже давно был бы построен вечный двигатель. Все происходит строго в рамках классической физики: законы природы нельзя преодолеть, но их можно использовать.

Например, чтобы забрать тепло у грунта, имеющего температуру не более +10°C или меньше (в том числе и ниже 0°C), нужна не вода, а некий другой теплоноситель, замерзающий при температурах ниже -20°C, — концентрированный солевой раствор, раствор пропиленгликоля и пр. Холодная или даже промерзшая земля будет вполне охотно отдавать тепло еще более холодной жидкости. Вся система устроена таким образом, что может отбирать тепло даже у мерзлого грунта с температурой примерно до -8°C. В принципе, все почти так же, как и в традиционной системе отопления, только температурный диапазон другой.

Итак, мы выяснили, как отобрать тепло у холодного грунта, однако вопрос остается открытым, ведь температура нашего теплоносителя все равно ниже, чем температура помещений, которые нужно отапливать. И здесь начинаются различные технические «хитрости».

В традиционной системе отопления работает условно один тепловой контур: в нем циркулирует вода, в одном месте ее нагревают, в другом — она отдает полученное тепло нашему жилищу. То есть передача тепла от первоначального источника (котла или нагревателя) к месту потребления осуществляется в 2 этапа.

В тепловом насосе 3 контура, а передача тепла происходит в 4 этапа. На первом мы забрали тепло у грунта. На втором — происходит его передача из первого (внешнего) контура во второй — так называемый холодильный контур. Он работает по тому же принципу, что и контур охлаждения в бытовом холодильнике или кондиционере. Циркулирующий в нем хладагент (обычно это фреон) имеет температуру кипения и испарения значительно ниже 0°C.

Холодильный контур устроен таким образом, что в испаритель (это теплообменник, где низкопотенциальное тепло передается от рассола хладагенту), фреон поступает в жидком состоянии. При этом его температура еще ниже, чем у рассола. То есть он готов отбирать у него тепло — те самые несколько градусов, которые холодный рассол забрал у чуть менее холодного грунта.

Перед тем, как попасть в испаритель, фреон проходит через специальный дросселирующий клапан, где его давление резко понижается, Как известно, чем меньше давление, тем ниже температура кипения вещества. Параметры системы подобраны таким образом, что в результате падения давления и охлаждения от контакта с рассолом (через стенку теплообменника), фреон закипает и переходит из жидкой фазы в газообразную.

Как мы помним из школьного курса физики, в процессе фазового перехода испаряющееся вещество поглощает тепловую энергию. Итак, на втором этапе фреон отбирает тепло у рассола, который возвращается в первый контур охлажденным и готовым к получению новой порции низкопотенциального тепла земли. Требуемая задача выполнена: мы «выкачали» тепло из грунта.

Дальше в дело вступает электрический компрессор, который сжимает кипящий газообразный фреон, нагнетая его под большим давлением в следующий теплообменник — конденсатор. В результате сжатия наш холодный газ разогревается до высокой температуры. Через стенку конденсатора горячий фреон контактирует с водой или другим теплоносителем из отопительного контура.

Этот теплоноситель немного холоднее сжатого фреона, поскольку он уже отдал тепло помещениям, пока тек через отопительные приборы. Сжатый фреон конденсируется, переходя в жидкую фазу и в процессе перехода отдавая тепло теплоносителю отопительного контура, то есть нагревая его. Это третий этап передачи тепла. Горячий теплоноситель поступает в систему отопления, где протекает четвертый этап — собственно отопление помещений. Потерявший тепло фреон поступает в тот самый дросселирующий клапан, который сбрасывает его давление перед испарителем. На этом этапе давление хладагента падает, в результате чего он вновь становится холодным.

Итак, круг замкнулся. Мы узнали, из каких компонент состоит тепловой насос, как они работают и как можно отобрать тепло у холодного, казалось бы, грунта и использовать его для обогрева помещений. Но хватит ли этого тепла для отопления всего дома, сколько электроэнергии потребуется для работы теплового насоса и как установить его в своем коттедже?

Об этом мы поговорим в следующей части.