Успешное использование тепловых насосов в быту и промышленности в Европе и США длится уже более 25 лет. Технология заключается в преобразовании низкопотенциального тепла окружающей среды, такой как земля, вода и воздух. В России эта экологически чистая технология начала применяться сравнительно недавно.

В СССР существовали экспериментальные поселки, отапливаемые с помощью тепловых насосов. То, что было смелым экспериментом в прошлом веке, сегодня - уже практика.

Устройство и работа бытового теплонасоса

Одним из альтернативных источников энергии являются тепловые насосы, которые позволяют перемещать тепло от менее нагретого тела к теплому и тем самым повышать его температуру. Тепловые насосы являются экологически чистым способом получения дешевого тепла без вреда для окружающей среды.

Принцип работы бытового теплонасоса заключается в том, что тела с температурой выше абсолютного нуля обладают запасом тепловой энергии, который пропорционален массе и удельной теплоемкости. При рассмотрении каких-либо тел, например, морей, океанов, подземных вод, которые обладают огромной массой, можно понять, что их запасы тепловой энергии можно использовать для отопления домов без вреда для экологии мира. Охладив теплоноситель, его тепловую энергию можно получить по формуле Q = C*M*(T2 − T1), где Q является полученным теплом, С — теплоемкость, M – масса, T1 и T2 – соответственно начальная и конечная температуры охлаждаемого тела. Формула показывает, что при росте массы теплоносителя разница температур может быть небольшой. Например, охлаждая 1 кг теплоносителя от 1000 до 0 °C, можно получить столько же тепла, сколько даст охлаждение 1000 кг от 1 до 0 °C.

Виды тепловых насосов

Существует два типа тепловых насосов в зависимости от способа передачи энергии:

• Компрессионные. Компрессор, конденсатор, расширитель и испаритель - основные элементы установки. Рабочий цикл включает в себя сжимание и расширение теплоносителя для выделения тепла. Этот тип тепловых насосов наиболее популярен благодаря своей простоте и высокой эффективности.
• Абсорбционные. Это новое поколение тепловых насосов, которые используют пар абсорбента-хладона в качестве рабочего тела. Применение абсорбента повышает эффективность работы таких тепловых насосов.

Тепловые насосы также классифицируются по источнику тепла:

1. Геотермальные. Этот тип тепловых насосов использует тепловую энергию из грунта или воды.
2. Воздушные. Тепло извлекается из воздуха с помощью таких тепловых насосов.
3. Использующие вторичное тепло. В качестве источника тепла используются воздух, вода или канализационные стоки.

Также тепловые насосы могут быть классифицированы по способу передачи теплоносителя входного/выходного контура:

1. Тепловые насосы «воздух-воздух». Они берут тепло у более холодного воздуха и отдают его в отапливаемое помещение.
2. Тепловые насосы «вода-вода». Здесь используется тепло грунтовых вод, которое передается воде для системы отопления и горячего водоснабжения.
3. Тепловые насосы «вода-воздух». С помощью зондов или скважин для воды и воздушной системы отопления осуществляется передача теплоносителя.
4. Тепловые насосы «воздух-вода». В этом случае используется атмосферное тепло для водяного отопления.
5. Тепловые насосы «грунт-вода». Трубы прокладываются под землей, и по ним циркулирует вода, забирающая тепло из грунта.
6. Тепловые насосы «лед-вода». Такие тепловые насосы используют тепловую энергию, которая высвобождается при получении льда для нагрева воды в системе отопления и горячего водоснабжения. Замораживание 100-200 литров воды может обеспечить обогрев среднего дома в течение всего часа.

Расчет эффективности тепловых насосов для отопления

Эффективность теплового насоса является критерием его работы и зависит от соотношения потребляемой электрической энергии и получаемой теплоты. Для обеспечения максимальной эффективности требуется, чтобы тепловой насос выдавал больше тепловой энергии, чем потреблять электрической. В данном случае говорим о коэффициенте преобразования, который может изменяться в зависимости от разницы температур входного и выходного контура. Если уличная температура ниже, то система становится менее эффективной.

Для разных типов тепловых насосов коэффициент преобразования может быть различным. В среднем коэффициенты преобразования колеблются от 1 до 5. Однако для объективной оценки эффективности необходимо учитывать еще один параметр - годовую эффективность.

Тем не менее расчет эффективности конкретного теплового насоса является сложной задачей, которую невозможно решить с помощью обобщенной формулы. Каждый случай требует индивидуального подхода и обращение к экспертам. Специалисты помогут подобрать необходимый тип теплового насоса и объем хладагента в зависимости от условий и поставленных задач.

Сферы применения тепловых насосов охватывают различные области, где стоимость других способов организации системы отопления гораздо выше. В настоящее время тепловые насосы находят все большее применение как в промышленности, так и в быту благодаря своим преимуществам.

Среди главных достоинств тепловых насосов можно выделить: экономичность (для передачи 1 кВт•ч тепла в систему отопления нужно только 0,2-0,35 кВт•ч электроэнергии); простоту эксплуатации; упрощение требований к системам вентиляции помещений, а также повышение уровня пожарной безопасности; возможность использования в летний период для кондиционирования; компактность и бесшумность, что особенно важно для отопления частных домов.

Согласно Европейской ассоциации тепловых насосов, до недавнего времени французский рынок этого оборудования был наиболее активным в Европе. Однако в последнее время рынки в Германии, Великобритании и Восточной Европе начали активно развиваться. Согласно Мировому энергетическому комитету, удельный вес тепловых насосов в отоплении и горячем водоснабжении в развитых странах составит не менее 75% в ближайшие пять лет.

Однако, общим недостатком тепловых насосов является не очень высокая температура нагреваемой воды, обычно составляющая 50-60 градусов по Цельсию.

Интересным фактом является то, что в 2002 году в микрорайоне Никулино-2 в Москве была сдана в эксплуатацию первая теплонасосная система горячего водоснабжения для многоэтажного дома при участии Министерства обороны РФ.

Традиционным и наиболее распространенным вариантом отопления частных домов и коттеджей по-прежнему остается газовое отопление. Однако вариант с использованием теплового насоса не только значительно выгоднее, но и гораздо удобнее в плане монтажа. Для установки газового котла требуется не только специальный дымоход и вентиляция, но и разрешительные документы, что может оказаться непростым делом. В свою очередь, применение тепловых насосов сэкономит время и деньги, а также избавит от необходимости проведения дополнительных работ. Стоимость прокладки газа в Подмосковье составляет около $20 000, при условии, что расстояние до газопровода не превышает 1 км. В противном случае, затраты могут вырасти в несколько раз. Кроме того, стоит учитывать скорость работы газовщиков. Установка теплового насоса под ключ обойдется примерно в $15 000, а монтаж занимает не более 2-3 недель. Таким образом, применение тепловых насосов позволяет сделать эффективный, простой и экономичный выбор для организации отопления и горячего водоснабжения в частном доме.

Фото: freepik.com