История тепловых насосов
Все началось с морозильной камеры Роберта С. Уэббера. Домашнее охлаждение не было чем-то новым и, по сути, существовало годами. Роберт же задался целью улучшить свою электрическую морозильную камеру. Он стремился сделать её настолько холодной, чтобы можно было хранить мясо годами без порчи.
В процессе совершенствования случился интригующий инцидент – мужчина обжег руку на морозильной камере. Казалось бы, морозильная камера должна производить холодную воду, а не горячую. И говорится не про тот тип тепла, который мы чувствуем, уютно свернувшись калачиком около камина холодным зимним утром с любимой книгой и вкусным чаем. Это такая температура, при которой закипает вода, которая заставляет вас кричать от боли при соприкосновении.
Так каким образом это произошло? Процесс абсолютно обратный принципу работы холодильного оборудования. Ответ на этот вопрос скорее всего не знает даже сам Уэббер.
Не желая быть расточительным, Роберт ломал голову над единственным вопросом: как же использовать полученное тепло? Много идей приходило ему в голову, и, когда все, казалось, потерпели неудачу, он решил отправить полученную горячую воду в свой котел. С чем же было связано такое решение? Дело было в том, что водонагреватель Роберта не мог поддерживать генерацию достаточного количество горячей воды необходимой для душа, мытья рук и т. д. А это проблема, кстати, очень актуальна и в современном мире.
Так, Уэббер, отправив нагретую воду от морозильника в котел своего подвала, избавил всех жителей дома от такой неприятной ситуации, как холодный душ.
Конечно же, на этом проблемы не закончились. Запас горячей воды все еще оставался чересчур большим. Роберт не хотел терять ни капли произведенного тепла. Он думал, ворчал, ломал голову, рисовал эскизы. И решение пришло.
Изобретатель пустил оставшуюся нагретую воду в медную трубку с маленьким электрическим вентилятором. Жидкость нагревала теплообменник, а вентилятор мощным потоком воздуха разносил полученное тепло, которого хватало на отопление всего дома. Таким образом в 1948 году Роберт С. Уэббер создал первый во всем мире электрический тепловой насос, повторно использовав кипящую воду из холодильной камеры глубокой заморозки.
В следующем году он заменил угольную печь в своем доме на изобретенный агрегат, а спустя десятилетия тепловые насосы начали появляться в разных уголках мира.
С течением времени и стремительным развитием науки и техники эффективность тепловых насосов в разы возросла. Вода была заменена на фреон, а сама конструкция стала более компактной и мобильной. Все это позволило тепловым насосам завоевать популярность на рынке климатических технологий и получить одобрение пользователей по всему миру.
Преимущества и недостатки тепловых насосов
Покупать или нет?
Преимущества тепловых насосов явно указывают на то, что они представляют собой разумные инвестиции в долгосрочной перспективе. Значительная экономия на электроэнергии, использование альтернативных источников энергии, безопасность и долгосрочность системы указывают на то, что первоначальная стоимость в будущем полностью окупиться.
Компоненты теплового насоса
- Хладагент. Жидкость (или газ), которая циркулирует по системе, попеременно поглощая, транспортируя и выделяя тепло.
- Реверсивный клапан. Регулирует направление потока хладагента в тепловом насосе изменяет режим с нагрева на охлаждение и наоборот.
- Теплообменник. Представляет собой петлю (либо несколько петель) трубки, где происходит теплопередача. Трубка может иметь ребра, которые устанавливают для увеличения площади поверхности, доступной для теплообмена.
- Испаритель. Змеевик, в котором хладагент поглощает тепло из окружающей среды, закипает и превращается в газ с низкой температурой.
- Компрессор. Нагнетает газообразный хладагент, увеличивая при этом его температуру.
- Конденсатор. Змеевик, в котором хладагент отдает тепло наружному воздуху и конденсируется.
- Расширительный клапан. Устройство понижает давление, создаваемое компрессором. Это приводит к падению температуры и превращению хладагента в низкотемпературную смесь пара с жидкостью.
- Камера статического давления. Это воздушный отсек, который служит для распределения холодного либо теплого воздуха по площади всего дома. Обычно он находится над или вокруг теплообменника.
Как работает тепловой насос
Воздух продувается через змеевик испарителя, передавая тепловую энергию хладагенту. Эта тепловая энергия циркулирует в хладагенте в змеевике конденсатора, где она выделяется, когда вентилятор обдувает воздух через змеевик. Благодаря этому процессу тепло перекачивается из одного места в другое.
Режим охлаждения
Одна из самых важных вещей, которые нужно понять о работе теплового насоса и процессе передачи тепла, заключается в следующем. Тепловая энергия естественным путем всегда перемещается в области с более низкими температурой и давлением. Тепловые насосы, полагаясь на это физическое свойство, позволяют теплу контактировать с более прохладными средами и более низким давлением, чтобы тепло могло передаваться естественным образом. Последовательность работы теплового насоса в режиме охлаждения имеет такую схему.
- Шаг 1
Жидкий хладагент прокачивается через расширительное устройство на внутреннем теплообменнике, который функционирует как испаритель. Воздух изнутри дома продувается через змеевики, где тепловая энергия поглощается хладагентом. Вследствие поглощения он нагревается и переходит в газообразное состояние. В результате холодный воздух поступает в помещение.
- Шаг 2
Газообразный теплоноситель теперь проходит через компрессор, который его нагнетает (сжимает). Процесс повышения давления газа вызывает его нагрев (физическое свойство сжатых газов). Горячий сжатый хладагент проходит через систему к змеевику (теплообменнику) наружного блока.
- Шаг 3
Вентилятор в наружном блоке перемещает наружный воздух через теплообменник, который служат в качестве конденсатора в режиме охлаждения. Поскольку воздух снаружи дома холоднее, чем хладагент с горячим сжатым газом в змеевике, тепло передается от хладагента к наружному воздуху. Во время этого процесса теплоноситель конденсируется обратно в жидкое состояние(охлаждается). В теплом жидком состоянии он прокачивается через систему к расширительному клапану на внутренний блок.
- Шаг 4
Расширительный клапан снижает давление теплоносителя, что значительно его охлаждает. Затем хладагент обратно перекачивается в змеевик испарителя во внутренний блок, и цикл начинается снова.
Режим отопления
Тепловой насос в режиме обогрева работает так же, как и режим охлаждения, за исключением того, что поток хладагента реверсивно изменяет направление. Это значит, что источником нагрева становится наружный воздух (даже при низкой температуре), а тепловая энергия выделяется внутри дома. Внешний теплообменник теперь выполняет функцию испарителя, а внутренний – конденсатора.
Физика процесса одинакова. Тепловая энергия поглощается во внешнем блоке холодным хладагентом в жидком состоянии, превращая его в холодный газ. Затем в компрессоре он сжимается и нагревается. Горячий газ охлаждается во внутреннем блоке, нагревая воздух и конденсируя газ до теплой жидкости. Теплый хладагент постепенно охлаждается, поступает в наружный блок, и цикл возобновляется.
Типы тепловых насосов
Существует 3 основных типа тепловых насосов:
- воздушные;
- водяные;
- наземные.
Воздушные тепловые насосы
Воздушный тепловые насосы сегодня являются самыми популярными, энергоэффективными и дешёвыми на рынке. Поэтому в последнее время они стали массовым решением задач отопления и кондиционирования объектов любого типа: частные дома, квартиры, офисные здания, торговые центры, производственные помещения, склады, любая коммерческая недвижимость и т. д.
Как следует из названия, воздушные тепловые насосы передают тепло от наружного воздуха внутрь здания. Они доступны в виде реверсивных систем, которые могут нагревать и охлаждать воздух в помещении.
Конструкция состоит из внутреннего блока, расположенного в помещении, и наружного, размещенного над землей на открытом воздухе. Между собой они соединены с помощью фреоновой трассы из медных труб.
Тепловые насосы «воздух-воздух» обычно более эффективны, чем другие системы отопления. Они также дешевле в установке, чем другие виды тепловых насосов, так как находятся над землей и не требуют проведения дополнительных монтажных работ.
Системы тепловых насосов с воздушным источником могут быть идеальными для объектов в относительно умеренном климате. Они могут обеспечить достаточное количество тепла, а новые современные модели способны эффективно функционировать даже при температурах до -25 °С.
Поскольку системы находятся над землей, они могут иметь проблемы с блокировкой. Листья, трава, снег и лед могут влиять на воздушный поток и внутренние движущиеся части. Наземные системы часто требуют установки фильтров и антиобледенителей. При правильном планировании и проектировании всех этих проблем в будущем можно избежать. Зато простота и удобство обслуживания у воздушных тепловых насосов неоспоримы.
Водяные тепловые насосы
Тепловые насосы воздух-вода могут стать отличным вариантом для сооружений, достаточно близких к глубоководным источникам. Они работают по тому же принципу, что и воздушные, за исключением того, что в качестве среды для теплообмена используются порции воды. Они поглощают тепло от воды, чтобы нагреть внутреннюю часть конструкции, а выделяют – для охлаждения.
Вода протекает через сеть труб, расположенную глубоко под водным источником. Там она нагревается либо охлаждается до тех пор, пока её температура не станет равной температуре окружающей среды свободно текущей воды. Затем вода закачивается в конструкцию. Летом она поглощает тепло внутри помещения, а зимой выделяет его в более холодное пространство.
Поскольку температура глубоко под водой относительно стабильна в течение всего года, эта система может использоваться в более экстремальных климатических условиях. Это является основным преимуществом по сравнению с воздушными системами.
Самым большим недостатком подводных тепловых насосов является необходимость находится очень близко к водоему. Хотя есть возможность использовать и искусственные скважины, более эффективными являются природные комплексы (озера, реки, моря и т. д.).
Наземные тепловые насосы
Эти системы, также называемые геотермальными тепловыми насосами, используют постоянные температуры глубоко под землей для нагрева или охлаждения конструкций. Подобно глубоководным насосам, они часто используют воду в качестве хладагента и не требуют процессов конденсации и испарения. Однако существуют также стандартные варианты.
Как и в глубоководных версиях, водяной хладагент протекает по сети глубоких подземных труб. Вода течет по трубам, выделяя или поглощая тепло, пока её температура не будет соответствовать температуре окружающей среды на земле. Затем теплоноситель закачивается в надземную конструкцию для отопления либо охлаждения.
Пока глубоководные трубы обычно лежат горизонтально на дне воды, подземные типы имеют ряд конфигураций. Там, где горизонтальное пространство ограничено, трубы могут укладываться в вертикальные петли. В земляном настиле делают ряд глубоких отверстий. Трубы образуют цепочку глубоких вертикальных U-образных форм. Каждое из буровых отверстий может быть заполнено грунтовой водой или какой-либо другой средой, чтобы лучше способствовать обмену температур.
Горизонтальные трубы также могут быть расположены радиально, при этом процесс называется горизонтальным направленным бурением. Этот процесс предпочтителен, потому что его можно использовать, не нарушая проезжей части и других элементов поверхности.
Итоги
Наши специалисты готовы предложить инженерное решение по тепловым насосам, которое максимально подходит под ваши задачи и бюджет.
Вопросы и ответы: Тепловой насос: история, функционал, преимущества
Как работает тепловой насос / Откуда тепловой насос берёт тепло?
Антифриз или хладоагент, проходя через контур теплового насоса, при низком давлении закипает и переходит из жидкостного в газовое состояние, при этом забирая низкопотенциальное тепло из окружающей среды. Уже нагретый до определённой температуры хладоагент нагревает воду в отопительном контуре, или другими словами отдаёт тепло и превращается снова в жидкость. Вода в свою очередь распределяется по отопительным приборам: низкотемпературным радиаторам и конвекторам, фанкойлам или к тёплому полу. Тепловой насос может нагревать воду до +55 °С.
Как тепловой насос экономит деньги?
Возьмём для сравнения тепловой насос с СОР=4. Газовый котёл потратит 1 куб. м топлива и подаст 8 кВт тепла, и тепловой насос потратит 2 кВт электроэнергии и подаст 8 кВт тепла. А теперь сравним затраты. Для бытовых потребителей на период 1.10.2020 г. цена на газ за 1 куб. м – 6,5 грн., за 1 кВт электроэнергии до 100 кВт потребления – 0,9 грн., выше 100 кВт – 1,68 грн. В итоге, используя разное оборудование, за 8 кВт мы заплатим: от газового котла – 6,5 грн., от теплового насоса 1,8/3,36 грн., от электрического котла – 7,2/13,44 грн.
Какая средняя окупаемость системы с тепловым насосом?
Если я хочу установить в доме тепловой насос, обязательно покупать дополнительно котёл?
Сушат ли тепловые насосы воздух?
Разберёмся для начала, что такое влажность. Грубо говоря, это наличие води в воздухе. Параметр влажности строго зависит от температуры. Когда она понижается, молекулы воды сжимаются и в воздухе образуются капли воды. И, наоборот. Если утром на улице был туман, днём он пропадает, когда влага в воздухе испаряется из-за повышения температуры. Или, например, осенью, когда начинается отопительный сезон, если в квартире не включают отопление, появляется сырость. Только в радиаторы подают тепло, и сразу всё нормализуется.
Что такое СОР и EER?
EER – коэффициент энергетической эффективности. Похож на СОР, только рассчитывается по холоду.
Нужна профессиональная помощь?Закажите консультацию. Специалисты Термал свяжутся с вами в ближайшее время.
