Технические подробности роботы тепловых насосов

Принцип работы теплового насоса отображен в цикле Карно, опубликованном в 1824 г. в его диссертации, и изучается в школьном курсе физики. Практическую теплонасосную систему предложил лорд Кельвин в 1852 г. под названием „умножитель тепла”.

Например, в обычном холодильнике тепло отбирается морозильной камерой из холодильника и выбрасывается в кухню, при этом задняя стенка холодильника становится горячей.

В реверсивных кондиционерах, работающих на отопление, расположенный снаружи здания блок забирает тепло из воздуха и отдает внутреннему блоку в здание. Однако, при температурах около плюс пяти градусов, наружный блок кондиционера начинает покрываться инеем и льдом из конденсата воздуха, что уменьшает эффективность теплопередачи. Для удаления льда кондиционер начинает периодически отапливать наружный блок электричеством, при этом мощность отопления падает, расход электроэнергии увеличивается. При дальнейшем снижении температуры в итоге эффективность отопления на кондиционерах становится равной нулю, отопление прекращается, кондиционер останавливается.

При отоплении геотермальными теплонасосами, попросту говоря, наружный блок вкапывается в землю или погружается в озеро рядом со зданием. При этом, независимо от температуры воздуха во дворе, внешний блок остается свободным от льда, эффективность теплопередачи остается высокой.

Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус двести семьдесят три градуса Цельсия - так называемый абсолютный ноль. значит тепловой насос может отобрать тепло у любого предмета - земли, водоема, льда, подземной скалы, плывуна и т.д.

В климатических условиях Украины для отопления здания энергия забирается из грунта (или водоема) и отдается в систему отопления здания. Если же здание, например летом, нужно охлаждать (кондиционировать), то происходит обратный цикл - тепло забирается из здания и сбрасывается в землю (водоем). Тот же тепловой насос может работать зимой на отопление, а летом на охлаждение здания. Очевидно, что теплонасос одновременно может выполнять вытекающие функции - греть воду для горячего бытового водоснабжения, кондиционировать через фанкойлы, греть бассейн, охлаждать например ледовый каток, подогревать крыши и дорожки от льда... Тесть одно оборудование может взять на себя все функции по тепло-холодоснабжению здания.

Обмен теплом с окружающей средой геотермальные тепловые насосы осуществляют такими основными способами:

- насос с открытым ц. - из подземного потока (плывуна) забирается подземная вода, подается в размещенный внутри здания тепловой насос, вода отдает/забирает тепло у теплового насоса, и возвращается в подземный поток на расстоянии от места забора. Плюсом такого способа является принцип. возможность одновременно получить воду для водоснабжения дома. Открытые системы являются весьма эффективными, поскольку температура подземной воды является относительно высокой и круглогодично стабильной. Использование воды из скважины не наносит ущерба грунтовым водам, не изменяет уровень грунтовых вод в водном горизонте, поскольку открытую систему можно рассматривать как соединённые сосуды, где вода, забираемая из одного колодца, направляется обратно под землю через второй колодец, не изменяя общий уровень воды. Корректно, в соответствии с нормативами сооружённые скважины обеспечивают безопасную для окружающей природы стабильную работу системы отопления.

Дополнительно к вышеперечисленным, геотермальный тепловой насос может забирать остаточное тепло из воздуха, удаляемого вентиляцией здания. Вентилируемый использованный воздух перед удалением из здания охлаждается, тепло возвращается (рекуперируется) тепловому насосу.

Обращаем внимание на нецелесообразность использования в Украине систем отопления на так называемых воздушных теплонасосах, по сути обычных кондиционерах, в которых тепло для отопления здания забирается из наружного воздуха. Эти системы разработаны и успешно используются в более теплых, чем Украина, странах, где не бывает значительных морозов - южных штатах США, Греции, Японии и т.д. Проблема в том, что размещенный снаружи теплообменник при температуре на улице около плюс 5 градусов Цельсия начинает покрываться льдом из-за замерзающего конденсата, резко снижается теплопередача, эффективность теплонасоса уменьшатся. При дальнейшем понижении температуры наружного воздуха эффективность теплонасоса становится близкой нулю, воздушный тепловой насос переходит на обычное электроотопление, что резко увеличивает расход электроэнергии, или полностью прекращается.

Пассивное охлаждение/кондиционирование

Большим плюсом некоторых систем геотермального теплонасоса является принцип. возможность прямого использования летом подземного холода для охлаждения/кондиционирования здания. Например, в системах с открытым ц. подземная вода, имеющая температуру около 10 градусов Цельсия, обычным насосом летом подается в здание и распространяется по активным конвекторам (фанкойлам), которые кондиционируют здание, после чего возвращается под землю. При этом компрессор теплонасоса не включается, электроэнергия расходуется только на прокачивание воды. На потраченный один киловатт электроэнергии можно получить до 30 киловатт холода, что в 10 раз эффективнее кондиционера. Такой способ кондиционирования называют свободным или пассивным. Такое охлаждение особенно эффективно при открытом способе или способе с вертикальным теплообменником.

Если мощности пассивного охлаждения недостаточно зданию, или если используются другие способы обмена теплом с окружающей средой, для охлаждения используют компрессор теплового насоса. значит теплонасос начинает работать как обычный кондиционер. Такое охлаждение называют активным.

Бивалентный способ отопления

В обычных конфигурациях системы отопления здания, для уменьшения капитальных затрат на геотермальный теплонасос, соответственно DIN4701/EN12831 предусмотрено использовать „бивалентные” системы отопления. В бивалентной системе тепловой насос устанавливают с мощностью 70% - 85% максимальной зимней потребности, значит тепловой насос самостоятельно обеспечивает отопление например при температуре на улице до минус 15 градусов Цельсия, значит 350 дней в году. В особо холодные зимние дни на помощь теплонасосу включается дополнительный ист. тепла отопления, добавляющий недостающие 15%-30% мощности отопления - обычно электронагреватель, иногда жидкотопливный котел, старая печь и т.д. При этом за год тепловой насос произведет 92% - 98% тепла, а вспомогательное ист. 2% - 8% тепла необходимого зданию в год. Но общая эффективность системы несколько снижается: на производство 4 кВт тепла теплонасос использует 1 кВт электроэнергии, а например электронагреватель 1 кВт электроэнергии.

Тепловые насосы могут комплектоваться различными дополнительными устройствами и оборудованием. Это и коммуникационное устройство для управления теплонасосом через мобильный телефон, персональный компьютер и модем. Для центральной или локальной системы охлаждения придётся выбрать блок охлаждения. Для систем отопления полов может потребоваться дополнительный насосный блок, а для обеспечения циркуляции горячей воды – циркуляционный насос, для подогрева воды в бассейнах – своё дополнительное оборудование. В систему можно встроить специальные системы комфортного подогрева: например для подсушивания влажных помещений: бань, ванных комнат, или подогрева каменных полов. В этом случае, даже при отсутствии необходимости в отоплении, подогревают только те полы, которые, в противном случае, были бы влажные или холодные. При больших площадях стекла, если не хватает отопления от пола, можно применять активные конвекторы, которые пригодны как для отопления зимой, так и кондиционирования летом. Соответственно удельная стоимость более насыщенной системы будет выше обычной.