Для начала описательная статья о тепловой насосе:

Теплой насос это устройство или механизм, который перемещает тепловую энергию из одной зоны («источник») в другую («теплоотвод»), используя механическую работу. Общеизвестными примерами тепловых насосов могут служить обыкновенный холодильник, воздушный кондиционер или тепловой насос обратного цикла, обеспечивающий комфортную температуру воздуха.

История создания

Вехи:
1834 – Джейкоб Перкинс построил холодильник на диэтиловым эфиром
1852 – Уильям Томсон (Лорд Кельвин) построил первый тепловой насос
1857 – Джеймс Харрисон применил холодильные камеры с компрессором в пивоварении и мясной промышленности

Принцип работы

Наиболее известный тип теплового насоса работает с использованием физических свойств испарения и конденсации специальной жидкости, известной как хладагент (к примеру, в обычном холодильнике роль такой жидкости играет фреон).


Простейшая схема работы теплового насоса: 1) конденсатор, 2) дроссель (терморегулирующий вентиль), 3) испаритель, 4) компрессор.

На вход компрессора поступает хладагент в виде пара. Компрессор (4) увеличивает давление газа и выталкивает его в конденсатор (1). При повышении давления температура кипения жидкости тоже повышается. К примеру, температура кипения воды на уровне моря выше, чем на большой высоте (в горах). Таким образом, за счет повышения давления происходит конденсация хладагента, то есть переход из газообразного состояния в жидкое, при этом выделяется тепло. Полученная энергия рассеивается посредством конденсатора во внешнюю среду.

Далее хладагент в виде жидкости поступает в дросселирующее отверстие (дроссель) (2). Дроссель или терморегулирующий вентиль позволяет создавать определенное значение разности давлений между конденсатором и испарителем. Таким образом, происходит регулирование процесса теплопередачи. В испарителе (3) за счет понижения давления жидкость испаряется, при этом из внешней среды потребляется энергия. Нагретый газ после всасывается в компрессор и цикл повторяется.

Чаще всего система насоса состоит из трех контуров. По первому (внешнему) контуру циркулирует незамерзающая жидкость. Источником тепловой энергии для системы может служить грунт, вода из озера, реки или грунтового слоя, скальная порода, выход вентиляции промышленного предприятия – любая большая масса низкотемпературного источника тепла.

Второй контур состоит из тепловых обменников (испаритель и конденсатор) и системы регулирования подачи хладагента. Иногда второй контур и называют тепловым насосом.

Третий контур – это система отопления или теплоприемник. Система отопления или горячего водоснабжения дома.

Источники энергии

Чаще всего тепловые насосы используют в качестве источника тепла незамерзающий слой грунта или вода (озеро, река, море, грунтовые воды). Иногда так же применяется система, основанная на воздушном источнике тепла.

Грунт (земля)

Трубопровод с незамерзающей жидкостью закапывают на глубину порядка 1-1,5 метров (непромерзающий слой земли). Элементы труб должны располагаться на расстоянии около метра друг от друга. Температура грунта почти весь год постоянна. Для обеспечения производительности теплового насоса в 10 кВт необходимо 400 метров трубопровода.

Вода

При использовании водоема в качестве источника трубопровод укладывается на дно и закрепляется с помощью системы грузов. При этом для 10 кВт установки необходимо 300 метров трубы.
При использовании грунтовой воды роется скважина и по внешнему контуру пропускается сама вода. Температура такой воды порядка 5-7 °C в течение всего года. При сооружении теплового насоса на территории московской области скважина будет 90 метров глубиной, при этом вода воду необходимо будет брать с глубины в 40 метров.

Воздух

Чаще всего такая система используется при наличии доступа к вытяжке какого-нибудь промышленного предприятия. При этом применяется специальный воздушный теплообменник.

Эффективность

Эффективность работы системы теплового насоса оценивается по коэффициенту преобразования или трансформации тепла. Это отношение вырабатываемой системой тепловой энергии к затрачиваемой электрической (работа компрессора). Так как коэффициент трансформации зависит от разницы температур в испарителе и конденсаторе, то для повышения эффективности работы необходимо использовать большое количество теплового источника вместо максимального понижения его температуры с помощью системы.

При этом на 1 кВт энергии, затраченной на работу компрессора, система выдаёт от 2,5 до 5 кВт тепловой энергии. В таком результате нет нарушений законов физики. Система теплового насоса с энергетической точки зрения не является замкнутой. Тепловая энергия получается из внешних источников (грунт, вода, воздух).

Система теплового насоса теряет свою эффективность при наличии большой разницы температур. Для поддержания работоспособности системы во время сильных морозов в паре с тепловым насосом так же может устанавливаться небольшой электронагреватель, который работает только несколько дней в году (пик морозов).

Достоинства и недостатки

Достоинства:
- высокая энергоэффективность (на 1 кВт электроэнергии 2,5 - 5 кВт тепловой)
- компактность основного модуля (размером с однокамерный холодильник)
- экологичность (отсутствуют выбросы вредных веществ в атмосферу)
- нет специальных условий для помещения под установку (нет требования по организации вентиляции, может быть установлен в подвальном помещении)
- простата эксплуатации (не требуется никаких специальных навыков)

Недостатки:
- необходимость установки дополнительного обогревателя для помощи системе в период сильных холодов
- высокая стоимость первоначальных вложений (стоимость установки, оборудования и работ по монтажу)