Тепловой насос — для отопления берём тепло у планеты Земля

С целью одолеть зимнюю стужу, домовладельцы рыщут в поисках энергоэлементов и подходящих отопительных котлов, завидуя счастливчикам, к домам которых подведены коммуникации, снабжающие природным газом. Каждую зиму в печах сжигаются тыщи тонн древесной породы, угля, нефтепродуктов, расходуются мегаватты электроэнергии на астрономические суммы, растущие с каждым годом, и кажется, что другого выхода просто нет. Меж тем один неизменный источник термический энергии всегда находится рядом с нашими домами, но увидеть его в этом качестве популяции Земли достаточно трудно. А что, если использовать для отопления домов тепло нашей планетки? И подходящее устройство для этого имеется — геотермальный термический насос.

История теплового насоса

Теоретическое обоснование работы таких устройств в 1824 году привёл французский физик Сади Карно, опубликовав свою единственную работу о паровых машинах, в какой был описан термодинамический цикл, спустя 10 лет математически и графически подтверждённый физиком Бенуа Клайпероном и получивший заглавие «цикл Карно».

1-ая лабораторная модель термического насоса была сотворена английским физиком Уильямом Томсоном, лордом Кельвином в 1852 году, во время проводимых им опытов по термодинамике. Кстати, своё заглавие термический насос получил конкретно от лорда Кельвина.

Уильям Томсон, барон Кельвин

Промышленная модель термического насоса была построена в 1856 году австрийским горным инженером Петером фон Риттингером, использовавшим это устройство для испарения рассола и осушения солончаков с целью добычи сухой соли.

Петер Риттер фон Риттингер

Но своим применением в отоплении домов термический насос должен южноамериканскому изобретателю Роберту Уэбберу, экспериментировавшему в конце 40-х годов прошедшего века с морозильной камерой. Роберт направил внимание, что выходящая из морозильной установки труба жгучая и решил использовать это тепло на бытовые нужды, удлинив трубу и пропустив через бойлер с водой. Мысль изобретателя оказалась удачной — отныне жаркой воды у домочадцев было в излишке, часть тепла при всем этом расходовалась бесцельно, уходя в атмосферу. Уэббер не мог с этим смириться и добавил к выводу из морозильника змеевик, рядом с которым поставил вентилятор, получив в итоге установку для воздушного отопления дома. Спустя некое время изобретательный янки додумался, что можно добывать тепло в буквальном смысле из земли под его ногами и закопал на некую глубину систему медных труб, с циркулировавшим по ним фреоном. Газ собирал тепло в земле, доставлял в дом и отдавал его, а после ворачивался назад в подземный теплосборник. Термический насос, сделанный Уэббером, оказался так действенным, что тот стопроцентно перевёл отопление дома на эту установку, отказавшись от обычных отопительных устройств и энергоэлементов.

Термический насос, изобретённый Робертом Уэббером, долгие и длительные годы числился, быстрее, нелепицей, чем вправду действенным источником термический энергии — нефтяные энергоэлементы были в излишке, по полностью применимым ценам. Рост энтузиазма к возобновляемым источникам тепла появился сначала 70-х, благодаря нефтяному эмбарго 1973 года, в процессе которого страны Персидского залива единогласно отказались поставлять нефть в США и Европу. Недостаток нефтепродуктов вызвал резкий скачок цен на энергоэлементы — срочно пригодился выход из ситуации. Невзирая на следующую отмену эмбарго в 1975 году и восстановление поставок нефти, европейские и южноамериканские производители впритирку занялись разработками собственных моделей геотермальных термических насосов, установившийся спрос на которые с того времени только растёт.

Устройство и принцип действия теплового насоса

По мере погружения в земную кору, на поверхности которой мы живём и чья толщина составляет на суше около 50–80 км, увеличивается её температура — это связано с близостью верхнего слоя магмы, температура которого приблизительно равна 1300 °С. На глубине от 3 метров температура грунта в хоть какое время года положительная, с каждым километром глубины она увеличивается в среднем на 3–10 °С. Рост температуры грунта с его глубиной зависит не только лишь от климатической зоны, да и от геологии грунтов, также эндогенной активности в данном районе Земли. Например, в южной части африканского материка рост температуры на километр глубины грунта составляет 8 °С, а в штате Орегон (США), на местности которого отмечена довольно высочайшая эндогенная активность — 150 °С на каждый километр глубины. Но для действенной работы термического насоса подводящий к нему тепло наружный контур совсем не надо зарывать на сотки метров под землю — источником термический энергии может быть неважно какая среда, имеющая температуру больше 0 °С.

Термический насос производит перенос термический энергии из воздуха, воды либо грунта, повышая в процессе переноса температуру до нужной за счёт компрессии (сжатия) хладагента. Существует два главных типа термических насосов — компрессионные и сорбционные.

Принципное устройство компрессионного термического насоса: 1 — земля; 2 — циркуляция рассола; 3 — циркуляционный насос; 4 — испаритель; 5 — компрессор; 6 — конденсатор; 7 — система отопления; 8 — хладагент; 9 — дроссель

Невзирая на сбивающее с толку заглавие, компрессионные термические насосы относятся не к отопительным, а к холодильным устройствам, так как работают по тому же принципу, что и любые холодильники либо кондюки. Отличие термического насоса от отлично узнаваемых нам холодильных установок в том, что для его работы требуется, обычно, два контура — внутренний, в каком циркулирует хладагент, и наружный, с циркуляцией теплоносителя.

В процессе работы этого устройства хладагент внутреннего контура проходит последующие этапы:

Механизм работы воздушного термического насоса

Таким макаром, внутреннее устройство термического насоса состоит из капилляра (расширительного клапана), испарителя, компрессора и конденсатора. Работой компрессора управляет электрический терморегулятор, прекращающий подачу электропитания к компрессору и останавливающий тем процесс выработки тепла при достижении данной температуры воздуха в доме. При понижении температуры ниже определённого уровня, терморегулятор в автоматическом режиме включает компрессор.

В качестве хладагента во внутреннем контуре термического насоса циркулируют фреоны R-134а либо R-600а — 1-ый на базе тетрафторэтана, 2-ой на базе изобутана. Оба данных хладагента — неопасны для озонового слоя Земли и экологически чисты. Компрессионные термические насосы могут иметь привод от электромотора либо от бензинового двигателя.

В сорбционных термических насосах употребляется абсорбция — физико-химический процесс, в процессе которого газ либо жидкость растут в объёме за счёт другой воды под воздействием температуры и давления.

Принципная схема абсорбционного термического насоса: 1 — нагреваемая вода; 2 — охлаждаемая вода; 3 — греющий пар; 4 — подогретая вода; 5 — испаритель; 6 — генератор; 7 — конденсатор; 8 — неконденсирующиеся газы; 9 — вакуумный насос; 10 — конденсат греющего пара; 11 — растворный теплообменник; 12 — газоотделитель; 13 — абсорбер; 14 — растворный насос; 15 — насос хладагента

Абсорбционные термические насосы оборудованы тепловым компрессором, работающим на природном газе. В их контуре находится хладагент (обычно аммиак), испаряющийся при низкой температуре и давлении, поглощая при всем этом термическую энергию из среды, окружающей циркуляционный контур. В парообразном состоянии хладагент поступает в теплообменник-абсорбер, где, в присутствии растворителя (обычно, воды), подвергается абсорбции и передаче теплоты растворителю. Подача растворителя делается с помощью термосифона, обеспечивающего циркуляцию за счёт различия давлений меж хладагентом и растворителем, либо насоса с низким энергопотреблением в установках большой мощности.

В итоге соединения хладагента и растворителя, температура кипения которых различна, тепло, доставленное хладагентом, вызывает испарение их обоих. Хладагент в парообразном состоянии, имеющий высшую температуру и давление, поступает по контуру в конденсатор, перебегает в жидкое состояние и отдаёт тепло теплообменнику отопительной сети. После прохождения через расширительный клапан хладагент перебегает в начальное термодинамическое состояние, аналогичным образом ворачивается в начальное состояние растворитель.

Достоинства абсорбционных термических насосов — в способности работы от хоть какого источника термический энергии и полном отсутствии передвигающихся частей, т. е. бесшумности. Недочеты — наименьшая мощность, по сопоставлению с компрессионными агрегатами, высочайшая цена, объясняющаяся сложностью конструкции и потребностью в использовании устойчивых к коррозии материалов, трудно поддающихся обработке.

Абсорбционная теплонасосная установка

В адсорбционных термических насосах употребляются твёрдые материалы, как силикагель, активированный уголь либо цеолит. В процессе первого рабочего шага, именуемого фазой десорбции, к камере теплообменника, покрытой изнутри сорбентом, подводится термическая энергия, например, от газовой горелки. Нагрев вызывает парообразование хладагента (воды), приобретенный пар доставляется ко второму теплообменнику, в первой фазе отдающему приобретенное при конденсации пара тепло в отопительную систему. Полное осушение сорбента и окончание конденсации воды во 2-м теплообменнике завершает 1-ый шаг работы — подача термический энергии в камеру первого теплообменника прекращается. На втором шаге теплообменник с конденсированной водой становится испарителем, доставляя хладагенту термическую энергию из наружной среды. В итоге соотношения давлений, достигающего 0,6 кПа, при контакте тепла из наружной среды хладагент выпаривается — водяной пар поступает назад в 1-ый теплообменник, где адсорбируется в сорбент. Тепло, которое отдаёт пар в процессе адсорбции, передаётся системе отопления, после этого цикл повторяется. Необходимо подчеркнуть, что адсорбционные термические насосы для использования в бытовых целях не подходят — предусмотрены только для построек большой площади (от 400 м2), наименее массивные модели находятся всё ещё в стадии разработки.

Типы теплосборников для тепловых насосов

Источники термический энергии для термических насосов могут быть разными — геотермальными (замкнутого и открытого типа), воздушными, использующими вторичное тепло. Разглядим любой из этих источников подробнее.

Геотермальные термические насосы потребляют термическую энергию грунта или грунтовых вод и разделяются на два типа — замкнутый и открытый. Замкнутые термические источники разделяются на:

Геотермальное отопление с горизонтальным теплосборником

Геотермальное отопление с вертикальным теплосборником

В термических насосах открытого типа для термообмена употребляется вода, которая по прохождении через термический насос сбрасывается назад в грунт. Использовать данный способ может быть только при условии хим чистоты воды и при допустимости использования грунтовых вод в этой роли исходя из убеждений закона.

Геотермальное отопление открытого типа

В воздушных контурах, соответственно, в качестве источника термический энергии употребляется воздух.

Отопление воздушным термическим насосом

Вторичные (производные) источники тепла употребляются, обычно, на предприятиях, рабочий цикл которых связан с выработкой посторонней (паразитической) термический энергией, требующей дополнительной утилизации.

1-ые модели термических насосов были на сто процентов идентичны с описанной чуть повыше конструкцией, изобретённой Робертом Уэббером — медные трубы контура, выступавшего сразу в роли наружного и внутреннего, с циркулирующим в их хладагентом погружались в грунт. Испаритель в таковой конструкции располагался под землёй на глубине, превосходящей глубину вымерзания либо в пробуренные под углом или вертикальные скважины (поперечник от 40 до 60 мм) на глубину от 15 до 30 м. Контур прямого обмена (он получил такое заглавие) позволяет расположить его на маленький площади и при использовании труб малого поперечника обойтись без промежного теплообменника. Прямой обмен не просит принудительной прокачки теплоносителя, раз нет необходимости в циркуляционном насосе, то и электроэнергии тратится меньше. Не считая того, термический насос с контуром прямого обмена можно отлично использовать даже в критериях низких температур — хоть какой объект испускает тепло, если его температура выше абсолютного нуля (-273,15 °С), а хладагент способен испаряться при температуре до -40 °С. Недочеты такового контура: огромные потребности в хладагенте; высочайшая цена медных труб; надёжное соединение медных секций может быть только способом пайки, по другому утечки хладагента не избежать; потребность в катодной защите в критериях кислых почв.

Забор тепла от воздушной среды более всего подходит для горячего климата, так как при минусовой температуре его эффективность серьёзно понизится, что востребует дополнительных источников отопления. Преимущество воздушных термических насосов — в отсутствии необходимости дорогостоящего бурения скважин, так как наружный контур с испарителем и вентилятором располагается на участке неподалёку от дома. Кстати, представителем воздушного одноконтурного термического насоса является неважно какая моноблочная либо сплит-система кондиционирования воздуха. Цена воздушного термического насоса мощностью, например, 24 кВт составляет порядка 163000 руб.

Воздушный термический насос

Термическая энергия из водоёма извлекается путём укладки контура, выполненного из пластмассовых труб, на дно реки либо озера. Глубина укладки от 2-х метров, трубы прижимаются ко дну грузом из расчета 5 кг на метр длины. С каждого метра такового контура извлекается порядка 30 Вт термический энергии, т. е. для термического насоса мощностью 10 кВт пригодится контур общей протяжённостью 300 м. Плюсы такового контура в относительно низкой цены и простоте монтажа, недочеты — при сильных заморозках получение термический энергии нереально.

Укладка контура термического насоса в водоём

Для извлечения тепла из грунта контур из труб ПВХ помещается в котлован, отрытый на глубину, превосходящую глубину вымерзания более чем на полуметра. Дистанция меж трубами должна составить около 1,5 м, теплоноситель, циркулирующий в их — антифриз (обычно аква рассол). Действенная работа грунтового контура впрямую связана с влажностью грунта в точке его размещения — если грунт песочный, т. е. не способный задерживать воду, то длину контура нужно прирастить приблизительно в два раза. С метра грунтового контура термический насос может извлечь в среднем от 30 до 60 Вт термический энергии, зависимо от климатической зоны и типа грунта. 10 кВт термическому насосу будет нужно 400 метровый контур, уложенный на участке площадью 400 м2. Цена термического насоса с грунтовым контуром составляет порядка 500000 руб.

Укладка горизонтального контура в грунт

Получение тепла из скальной породы востребует или прокладки скважин поперечником от 168 до 324 мм на глубину от 100 метров, или выполнение нескольких скважин наименьшей глубины. В каждую скважину опускается контур, состоящий из 2-ух пластмассовых труб, соединённых в нижней точке железной U-образной трубой, выступающей в роли груза. По трубам циркулирует антифриз — только 30% раствор спирта этилового, так как в случае утечки он не нанесёт вреда экологии. Скважина с установленным в ней контуром с течением времени заполнится грунтовыми водами, которые будут подводить тепло к теплоносителю. Каждый метр таковой скважины даст около 50 Вт термический энергии, т. е. для термического насоса мощностью 10 кВт будет нужно пробурить 170 м скважины. Для получения большей термический энергии бурить скважину поглубже 200 м не прибыльно — лучше сделать несколько более маленьких скважин на дистанции 15–20 м меж ними. Чем больше поперечник скважины, тем на наименьшую глубину её нужно бурить, при всем этом достигается больший забор термический энергии — порядка 600 Вт с метра.

Установка геотермального зонда

По сопоставлению с контурами, размещёнными в грунте либо водоёме, контур в скважине занимает минимум места на участке, саму скважину можно выполнить в любом типе грунта, в т. ч. по скальной породе. Теплопотеря скважинного контура будет размеренной в хоть какое время года и при хоть какой погоде. Но окупаемость такового термического насоса займёт несколько десятилетий, так как его установка обойдётся домовладельцу более чем в миллион рублей.

В завершении

Преимущество термических насосов — в высочайшей экономичности, так как для получения в час 1-го кв термический энергии эти установки затрачивают менее 350 ватт электроэнергии в час. Для сопоставления — КПД электрических станций, вырабатывающих электроэнергию путём сжигания горючего, не превосходит 50%. Система термического насоса работает в автоматическом режиме, эксплуатационные издержки в период её использования очень низкие — нужна только электроэнергия для работы компрессора и насосов. Габаритные размеры установки термического насоса приблизительно равны размерам бытового холодильника, уровень шумности при работе также совпадает с аналогичным параметром бытовой холодильной установки.

Термический насос «солевой раствор — вода»

Использовать термический насос можно как для получения термический энергии, так и для её удаления — переключением работы контуров на остывание, при всем этом термическая энергия из помещений дома будет удаляться через наружный контур в грунт, воду либо воздух.

Единственный недочет системы отопления, основанной на термическом насосе — её высочайшая цена. В странах Европы, также в США и Стране восходящего солнца, теплонасосные установки довольно всераспространены — в Швеции их более полумиллиона, а в Стране восходящего солнца и США (в особенности в штате Орегон) — несколько миллионов. Популярность термических насосов в этих странах разъясняется их поддержкой муниципальными программками в виде субсидий и компенсаций домовладельцам, установившим такие установки.

Без всякого сомнения, что в не далеком будущем термические насосы не станут быть кое-чем диковинным и в Рф, если учесть каждогодний рост расценок на природный газ, сейчас являющийся единственным соперником для термических насосов в отношении денежных издержек на получение термический энергии.

Дверь межкомнатная с фурнитурой Астерия 70х200 см, Hardflex, цвет серый жемчуг

Полотно дверное глухое Астерия сероватый жемчуг Полотно Астерия, выполненное в современном стиле Soft является украшением интерьера. Поперечные зеркальные вставки Mirox Bronze зрительно расширяют дверной просвет.
Данную модель можно устанавливать в гостиных, кухнях, столовых, прихожих. Таковой вариант дозволит сделать приватную обстановку в помещении, и в то же время подчеркнет уникальный стиль. Полотно подбирается в едином цвете с дверной коробкой и наличниками. В полотно предустановлен замок, петли и ответная часть замка — в комплекте.

Характеристики

Copyright © 2020 - 2024