Тепловые насосы для отопления загородного дома завоёвывают всё большую популярность, используя не только тепло воздуха и воды, но и солнечной энергии.
Содержание
- Принцип работы теплового насоса
- Колодезная вода в тепловом насосе
- Тепловой насос в солнечных установках
Принцип работы теплового насоса
Тепловой насос представляет собой устройство, способное передавать тепло от низкотемпературного источника к высокотемпературному. В обычном водяном насосе вода перекачивается с низкого уровня на высокий. Для работы теплового насоса, как и водяного, требуется электрическая энергия.
Отношение мощности, необходимой для перекачивания определённого количества тепла тепловым насосом, к мощности, используемой для получения такого же количества тепла с помощью электроэнергии, называют тепловым коэффициентом, или коэффициентом трансформации тепла (КТТ).
Цикл работы теплового насоса:
1 — тепловое излучение QC; 2 — конденсатор; 3 — компрессор; 4 — испаритель; 5 — энергия AL; 6 — абсорбированное тепло QE; 7 — дросселирующий клапан; 8 — раствор рабочего вещества
Схема устройства теплового насоса включает компрессор, конденсатор, испаритель, расширительный бак и др. Кроме того, в схему входят трубопровод и преобразователь энергии (мотор). По трубопроводам циркулирует рабочее тепло — хладагент. В испарителе из окружающей среды отбирается низкотемпературное тепло QE, и хладагенту в компрессоре передаётся тепло AL, соответствующее количеству подводимой энергии. В конденсаторе происходит выделение высокотемпературной тепловой энергии
QC = QE + AL
КТТ выражается отношением выходной мощности, необходимой для перекачивания определённого количества тепла, к мощности, используемой для получения такого же количества тепла с помощью электроэнергии. Эта величина обязательно должна быть больше 1.
Колодезная вода в тепловом насосе
Системы с тепловыми насосами требуют малого количества энергии и очень удобны для отопления и охлаждения, но зимой им необходим теплоисточник, а летом — хладоисточник.
В некоторых регионах колодезная вода в зимнее время вполне подходит в качестве теплоисточника для теплового насоса. На схеме (ниже) представлена простая система с использованием колодезной воды для отопления.
В процессе обогрева температура воды понижается до 5°C, после чего её уже нельзя употреблять. В этой системе в качестве теплоисточника можно дополнительно использовать солнечную энергию.
На схеме показан наклонно расположенный дешёвый коллектор, применяемый для низкотемпературного нагрева, хотя чаще такие коллекторы устанавливаются горизонтально.
Летом тепловой насос обеспечивает охлаждение; контур отопления переключают на горячее водоснабжение; в этом случае тепловой насос можно использовать для непосредственного отбора тепла.
Схема системы с тепловым насосом, использующим колодезную воду (авт. Танака):
1 — коллектор; 2 — бак предварительного нагрева воды; 3 — подача горячей воды потребителю; 4 — накопительный бак; 5 — подача питательной воды; 6 — тепловой насос; 7 — колодец; 8 — напольная аккумулирующе-излучающая система; 9 — змеевик
В летний период система горячего водоснабжения может быть полностью обеспечена за счёт солнечного излучения и не требуется нагружать тепловой насос. Сейчас существуют проекты использования теплового насоса в этот период для аккумулирования тепла.
Предполагается в местах, где вода не выходит на поверхность, выкопать воздушные колодцы и, оборудовав водонепроницаемым покрытием их поверхность, создавать аккумуляторы грунтовых вод.
Тепловой насос в солнечных установках
Тепловой насос, включенный в систему воздушного отопления, используя электроэнергию, отбирает тепло от наружного воздуха с низкой температурой и нагнетает в помещение тепло более высокой температуры.
Расход электроэнергии при этом на 35–50% меньше, чем в отопительной системе с электрическим нагревателем такой же мощности. В системе с тепловым насосом тепловой коэффициент, или коэффициент трансформации тепла (КТТ), достигает 2–4. КТТ зависит от значения разности температур низко- и высокотемпературного источника тепла.
В зимний период при температуре воздуха ниже 0°C, целесообразно в тепловом насосе использовать подземные воды с температурой более 15°C, что обеспечивает высокий КТТ.
Таким образом, при использовании при использовании подземных вод расход энергии составляет 17–25% затрат энергии на работу системы отопления. Однако, подходящие для этой цели подземные воды можно обнаружить не везде, поэтому в качестве низкотемпературного источника тепла можно использовать солнечное излучение.
Схема системы солнечного отопления (охлаждения) и горячего водоснабжения с тепловым насосом:
1 — коллектор; 2 — подача воды; 3 — охлаждающая башня (используется летом, когда необходимо охлаждение); 4 — коллекторный насос; 5 — в зимний период бак-аккумулятор с водой низкой температуры, в летний период накопительный бак-аккумулятор с водой высокой температуры; 6 — тепловой насос вода-вода; 7 — зимой — высокотемпературный аккумуляторный бак, летом — бак с охлаждающей водой; 8 — дополнительный бойлер (двухконтурный); 9 — подача горячей воды; 10 — насос для системы отопления (охлаждения); 11 — змеевики вентиляторов
Солнечное тепло в установках с тепловыми насосами используют, когда необходимо отопление, а источник электроэнергии включают в период работы систем охлаждения. В системе солнечного отопления на основе теплового насоса, как правило, используют воздух, нагретый солнечной энергией до температуры 10–20°C, что обеспечивает высокий коэффициент использования солнечного излучения.
Использование воздуха, нагретого солнечной энергией, способствует тому, что строится достаточно много солнечных домов с системами на основе тепловых насосов. Однако для этих систем, хотя и в небольших количествах, но все же необходима электроэнергия, что не позволяет их считать экономичными.
В настоящее время эксплуатируются и установки горячего водоснабжения на основе тепловых насосов, использующие тепло даже холодного воздуха. Такие системы конкурируют с солнечными системами горячего водоснабжения.
Система горячего водоснабжения с тепловым насосом:
1 — наружный воздух; 2 — электроэнергия ночного тарифа; 3 — хладагент; 4 — часть системы, находящаяся вне помещения; 5 — нагреватель; 6 — накопительный бак; 7 — подача воды потребителю; 8 — ванна; 9 — туалет; 10 — кухня
Солнечная установка горячего водоснабжения с тепловым насосом наиболее эффективна с точки зрения экономии энергии в летний период.
Установку горячего водоснабжения с использованием теплового насоса лучше использовать для охлаждения дома, а не для его отопления. В такие периоды она обходится практически бесплатно.
Недостатком таких солнечных установок является лишь очень высокая стоимость, которая тем не менее имеет тенденцию к постепенному снижению, что приведет, конечно же, к их более широкому применению уже в ближайшие годы.
Комментарии