Холодильник наизнанку
Дата публикации: 5 января 2014
Кто первый ощутил тепло земное
И когда? Сейчас речь пойдёт о том, как взять тепло земных глубин, незамерзающих водоёмов, а потом, несколько умножив его, принести в жилой дом. Так кто же первый на планете пришёл к такой гениальной мысли использования термального отопления, когда?
Сам способ рассмотрения этого замечательного явления, как использование тепла земли, был открыт ровно 162 года тому назад английским физиком Кельвином. Но то была лишь теоретическая догадка, концепция, не более того. Три года спустя после его открытия, в 1855 году, австриец Риттингер ухватился за открытую Кельвином идею и сконструировал тепловой насос. С тех самых времён ходит по нашей планете идея получения тепла от матушки-земли, от окружающей среды и переносе его в жилые дома. От идеи люди давно перешли к практическому осуществлению этой замечательной концепции.
Хотя здесь надо отдать должное исторической справедливости. Прежде, чем люди додумались до отопительных систем, они веками ломали голову над тем, как получить холод для сохранения продуктов. Началось с китайской мудрости тысячелетней давности. Те вначале стали собирать лёд зимой, помещали его в подвалы, ямы-ледники для сохранения продуктов в жаркое время года.
А идея испарительного охлаждения возникла в Египте за два тысячелетия до нашей эры. Лишь в начале 16 столетия сделаны попытки охлаждать воду специальными солями. Затем, спустя ещё одно столетие, англичанин Бойль обнаружил, что вода в вакууме может испаряться при очень низких температурах. Получением низких температур вплотную занимался и русский академик М.В.Ломоносов, написавший в 1744 г. свои «Размышления о причине теплоты и холода». Так в конце 18 столетия человечество вплотную приступило к разработке холодильных машин.
Если учесть, что тепловой насос по своему принципу действия равнозначен холодильнику, то историю получения тепла справедливей считать с получения человечеством искусственного холода.
Вывернутый наизнанку холодильник
Теперь поговорим о тепле в нашем доме. Как его получить наиболее выгодным способом? Какую роль играет в этом важном жизненном деле термальное отопление, источник которого лежит у нас буквально под ногами. Что, не верите? У вас, вероятно, сразу возникли представления о горячих гейзерах, бьющих из недр земли, о камчатских фонтанах и вулканических выбросах при извержении вулканов. Не совсем так. Вернее, совсем не так.
Речь пойдёт об уникальных способностях нашей матушки Земли, которая у нас под ногами. Естественно, о её тепле тоже. Бесполезно и глупо витать в облаках, пытаться заглядывать за горизонт. Опусти взгляд, посмотри себе под ноги. Так поступают жители самого холодного континента Европы – шведы, у которых термальное отопление уже сейчас обогревает больше половины всей жилой площади страны.
Кстати, не только Швеция обратила внимание на возможности естественного тепла. В Америке в принудительном порядке обязали строителей жилых помещений изначально закладывать в проекты сооружение такой системы обогрева будущих зданий. А в Германии на государственном уровне поощряют людей, пожелавших установить в своих домах систему геотермальных насосов.
Что же представляет из себя тепловой насос и каков его принцип работы? Вы не поверите! Фигурально выражаясь, это вывернутый наизнанку … холодильник. Морозильная камера помещена глубоко в землю, а змеевик, что на задней стенке вашего холодильника (пощупайте – он горячий), предназначен для нагрева комнатного пола или воды.
То есть, это тот же холодильник, только работающий в противоположную сторону. Холодильник наизнанку, если можно так выразиться. Холодильник забирает тепло из внутренней камеры и выбрасывает его наружу (см. схему принципа работы холодильника). Тепловой насос берёт тепло из земли, водоёма, затем с помощью компрессора в десяток раз увеличивает его и отдаёт на обогрев полов и нагрев воды в жилых помещениях и офисах. В холодильнике тепло из камеры выбрасывается наружу, в термальной системе отопления тепло забирается снаружи и, умноженное, поступает внутрь помещения. Процесс такой же, но в противоположном направлении.
В средней полосе европейского региона России, а также на Украине и Белоруссии, земля промерзает не более одного метра. Глубже промерзания она имеет одинаковую температуру – около 8 градусов. Исходя из этого, делается траншея на глубину 1.5 – 2 метра (см. рисунок 1), укладывается змеевик из трубы с наполненным хладагентом – совершенно безвредным специальным газом, способным под действием компрессора превращаться в жидкость, а при потере давления снова обретать газовое состояние. Некоторые специалисты советуют наполнять трубы незамерзающим наполнителем — тосолом, хорошо знакомом каждому автолюбителю. Но такое удовольствие сомнительно, к тому же, стоит недёшево.
Есть ещё один способ укладки «морозилки». Буром проделывается скважина глубиной до 100 метров, куда помещается упомянутая труба. (см. рисунок 2). Кстати, на такой глубине температура почвы будет уже выше 10 градусов. Чем глубже, тем температура выше. На километровой глубине почва нагрета до 30 градусов.
Третий способ – использование близлежащего незамерзающего до дна водоёма, где размещается спираль трубы с наполнителем-хладагентом. Таким образом, одна часть системы смонтирована. Вторая его часть находится внутри дома в виде спирали на тепловых полах, или обогревателем для воды.
Термальный насос перекачивает жидкость или газ с более низкой температурой из подземной трубы, при помощи компрессора повышает давление (температуру), за счёт чего отапливается помещение. Проще говоря, тепловой насос — прибор для доставки тепла от источника низкой температуры к потребителю с температурой намного выше.
Принцип его действия показан здесь:
Вам не кажется, что всё просто?
Имеется в виду обустройство геотермального отопления. В действительности, всё так и есть. Но «просто» не означает «плохо», а, скорее, наоборот. Названный вид отопления помещений представляет самый лучший пример экономичности, а также экологической безопасности.
Спора нет, что при монтаже этой системы цена термального насоса и другого оборудования на порядок выше по сравнению с котельными. Однако делать выводы в пользу старых испытанных видов отопления рановато. Хотя бы потому, что при таком обогреве 1 кВт электроэнергии, затраченной для работы насоса, отдаёт 4-7 кВт! Выходит, что от 3 до 6 киловатт приходят к владельцу дома совершенно дармовые! Подсчитываем и делаем вывод, что такой обогрев дома площадью до 150 кв.м. окупается максимум через 5-6 лет. Нельзя забывать, что термальные насосы не только обогревают дома зимой, но и охлаждают их в жаркое время года.
Ещё один довольно значительный нюанс в пользу геотермального отопления. Прежде, чем обустроить газовую систему отопления, вам предстоит вдоволь набегаться по различным инстанциям для согласования. Бюрократическая волокита отберёт у вас и время и деньги, а при монтаже геотермального обогрева таких проблем не возникнет. Потому что вы ничем не рискуете, установив у себя в коттедже термальный насос вместе с его системой. Это не грозит ни пожаром при эксплуатации, ни загрязнением окружающей среды.
То есть, получаем экономичную и экологическую систему, которая на протяжении 35-50-ти лет будет работать без единого ремонта и через 5-6 лет после установки окупает себя и способна дарить бесплатное тепло для отопления дома!
Тепловые насосы – холодильники наоборот
По прогнозам специалистов, доля отопления и горячего водоснабжения, генерируемого с использованием тепловых насосов, в развитых странах к 2020 году составит 75%.
Замечательным свойством тепловых насосов (ТН) является их способность извлекать энергию из окружающей среды: грунта, водоёмов и даже обычного воздуха. Температура этих сред может быть отрицательной (до -15°С), а температура воды, нагреваемой ТН, достигать 60-80°С.
Мы привыкли к тому, что количество тепловой энергии, получаемой на выходе теплового генератора, всегда меньше энергии, отобранной у энергоносителя – газа, топлива, электричества. КПД котла – всегда меньше 100%. С помощью же ТН для получения 1 кВт тепловой энергии можно затратить всего 0,25-0,4 кВт электроэнергии. Остальную энергию поставляет окружающая среда. Тепловой насос походит на обычный холодильник с той разницей, что последний извлекает тепло из продуктов, находящихся в камере, и рассеивает его в окружающее пространство, а ТН извлекает тепло из окружающего пространства и передаёт его в теплообменник. Таким образом, ТН – это холодильник наоборот.
В обоих приборах используются два хорошо известных свойства жидкости:
– при переходе воды из одного фазового состояния в другое (из жидкости в пар (кипение) или наоборот – из пара в жидкость (конденсация), происходит поглощение или выделение теплоты. В термодинамике этот процесс называется теплотой фазового перехода;
– при уменьшении давления жидкость начинает кипеть (испаряться) при более низкой температуре. В ТН и холодильниках используются специальные вещества – хладагенты, их называют фреонами или хладонами, которые кипят при температурах -20°С, -30°С. Хладагент является рабочим телом холодильной машины, циклические изменения агрегатного состояния которого позволяют производить перенос теплоты от среды с низкой температурой к среде с более высокой температурой. Среда с низкой температурой называется источником низкопотенциального тепла. Это могут быть грунт, водоём или воздух.
Принцип работы теплового насоса
ТН, как и холодильник, состоит из 4-х основных функциональных элементов: испарителя, компрессора, конденсатора и дросселя, по которым циркулирует рабочее тело – фреон.
К испарителю тем или иным способом подводится теплота от низкопотенциального источника тепла – грунта, воды, воздуха. В теплообменнике испарителя эта теплота передаётся рабочему телу – фреону, который находится под низким давлением и при данной температуре закипает. Образовавшийся пар втягивается в компрессор и сжимается. Температура пара при сжатии повышается до 90-100°С. Горячий фреон под давлением поступает в конденсатор – теплообменник, по внешнему контуру которого циркулируют вода или воздух, являющиеся теплоносителем для системы отопления.
В конденсаторе пары фреона конденсируются на холодных поверхностях, передают свою теплоту теплоносителю внешнего контура, а сами, охлаждаясь, переходят в жидкую фазу. Далее жидкий фреон проходит через дросселирующий вентиль, после которого его давление резко уменьшается, а температура становится ниже температуры источника низкопотенциального тепла.
В завершение цикла фреон снова попадает в испаритель, закипает, испаряется и т.д., и цикл автоматически повторяется. Так работают ТН парокомпрессионного типа, которые обычно используются в бытовых установках. Существуют также абсорбционные, эжекторные, термоэлектрические тепловые насосы.
Агрегат отбирает тепловую энергию у среды, температура которой может быть отрицательной, и закачивает её в теплоноситель потребителя, температуру которого может довести до 60-80°С. Характерно, что в ТН расходуется энергия, необходимая только для работы компрессора. Количество тепловой энергии, передаваемое от источника низкопотенциального тепла потребителю, может быть в несколько раз больше, чем затраты электроэнергии на привод компрессора.
Главной характеристикой ТН является коэффициент преобразования тепла. Он показывает отношение величины тепловой мощности, выдаваемой потребителю, к соответствующему показателю работы компрессора. На 1 кВт затраченной электрической энергии с помощью ТН можно получить от 2,5 до 4 кВт тепловой энергии.
Способы отбора низкопотенциального тепла
Важный компонент теплового насоса – устройство, которое отбирает теплоту из среды. Так как источником низкопотенциального тепла могут быть разные среды (грунт, вода, воздух), то и способы отбора теплоты разлтчны:
1. Грунтовые зонды. Тепло отбирается из одной или нескольких скважин глубиной 50-150 м. Температура грунта на такой глубине всегда одинакова – около +10°С. Поэтому грунтовые зонды наиболее эффективны. Тепловая мощность глубоких зондов составляет от 30 до 100 Вт на погонный метр скважины. Глубина и количество скважин зависят от вида грунта и тепловой мощности, необходимой потребителю;
2. Грунтовые коллекторы. Тепло отбирается из неглубокого слоя земли (1-2 м) с помощью горизонтально уложенных полиэтиленовых труб с незамерзающим теплоносителем. Способ укладки трубы может быть петлёй, змейкой, спиралью и т.п. и определяется свойством грунта и геометрией участка. Тепловая мощность грунтового коллектора составляет 10-35 Вт на погонный метр трубы, стоимость ниже стоимости грунтовых зондов. Не обязательно укладывать контур ниже уровня промерзания грунта;
3. Водяные коллекторы. Трубы укладываются на дно непромерзающего водоёма. Система более эффективна, чем грунтовый коллектор, и не требует производства земляных работ, однако условия для её реализации достаточно редки;
4. Воздушные контуры. Всё большее распространение получают воздушные тепловые насосы, которые используют тепло наружного воздуха. Они эффективно работают до температуры воздуха -10°С и даже ниже. Коэффициент преобразования тепла воздушных ТН – 3-3,8, а максимальная температура воды в системе отопления достигает 55°С. При температуре воздуха ниже -10°С эффективность воздушных ТН снижается и нужно подключать второй (резервный) котёл – дизельный или электрический. Для этой цели в конструкции некоторых моделей воздушных ТН предусмотрены встроенные ТЭНы.
В последние годы воздушные ТН научились также использовать тёплый воздух вытяжных вентиляционных систем жилого дома. Это дополнительное тепло направляется на увеличение эффективности тепловых насосов или на подогрев земли вокруг грунтовых коллекторов.
