Нормальный человек стремится получить как можно больше, отдав как можно меньше (а в идеале - вообще получить даром). Что поделаешь, такова природа человеческая. Поэтому появление тепловых насосов - событие предопределенное, обоснованное и во многом неизбежное.
Инженеру-энергетику-теплотехнику, получившему классическое образование и назубок знающему законы термодинамики, утверждения о 300%-ном КПД кажутся совершенно безграмотными. В определенном смысле так и есть, и модная тема тепловых насосов зиждется на эффектном маркетинговом мифе - опровержении закона сохранения энергии. Согласитесь, весьма заманчиво иметь во дворе своеобразный «вечный двигатель». На самом деле все гораздо проще: в случае тепловых насосов замкнутая система, ограниченная пределами дома, «открывается» на улицу или во двор, включая самый главный компонент - энергию солнечного излучения. С точки зрения хозяина дома, знающего, что пяти бочек солярки ему хватает на зиму, дармовое уличное тепло - настоящий perpetuum mobile. А с точки зрения физики никакого нарушения закона сохранения нет, просто «замкнутость» системы переходит на другой уровень.
Для жителей Исландии, Новой Зеландии и Камчатки тепловые насосы - вещь неактуальная. В этих регионах много геотермальных источников, которые принято относить к высокопотенциальным. Если из-под земли бьет кипяток, почему бы его не использовать? Но на этом преимущества заканчиваются, если вы не любитель экстрима: землетрясений, вулканических извержений и оторванности от центров цивилизации. А что делать всем остальным, кто предпочитает спокойную и комфортную жизнь? Использовать низкопотенциальное тепло, «спящее» в земле, воде и воздухе. Источник его - Солнце.
Приведем некоторые данные, которые помогут представить масштаб «замкнутой» системы. Полная мощность излучения (светимость) Солнца - 3,8×1023 кВт. Правда, Земле достаются сущие крохи: за год на нашу планету приходит 3,6×1018 МДж солнечной энергии, то есть менее 30 миллиардных процента от полной энергии Солнца. Этого, впрочем, достаточно для жизни всей планеты. Поток энергии Солнца имеет прерывистый характер и зависит от времени суток, сезона и погоды. Поэтому астрофизики оперируют средним потоком солнечной радиации, который на широте Баку, Мадрида, Пекина и Нью-Йорка составляет 0,3 кВт/м2 (в северных районах он намного меньше). Фактически же с квадратного метра поверхности Земли «снимается» гораздо меньше энергии, да и то при условии применения солнечных батарей со 100%-ным КПД, которых еще нет.
«Умножитель тепла»
К счастью, положение оказалось не таким драматичным, в первую очередь благодаря блистательной догадке потомка ирландских фермеров, ставшего позже лордом Британской империи. Речь идет об Уильяме Томсоне, более известном как лорд Кельвин. В 1849 году Томсон начинает масштабные теоретические исследования по термодинамике, заняв почетное место в ряду других выдающихся физиков - Джеймса Джоуля и Сади Карно. Идея обратимой тепловой машины, способной перераспределять тепло, оказалась чрезвычайно плодотворной, и это касается не только холодильников и кондиционеров. Придуманное им устройство физик назвал «умножителем тепла», и действие его основано на известных фактах.
Когда вещество (в современной терминологии - хладагент) испаряется, оно поглощает тепло, а когда конденсируется - отдает. Кстати, заметили это еще в Древнем Египте, где в ходу были «холодные» кувшины из пористой глины. Вода, испаряясь по порам, «забирала» часть тепла и охлаждала остальную жидкость. Второе обстоятельство египтянам известно не было: с изменением внешнего давления меняется температура испарения, кипения и конденсации вещества. Объяснить это также довольно просто: чем выше давление, тем сильнее оно «вталкивает» молекулы обратно в жидкость. Чтобы преодолеть новый, более высокий порог, частицам приходится двигаться быстрее, «набирая» дополнительную энергию. Из всего этого можно сделать еще один вывод: удельная энергия пара выше, чем жидкости, и эту разницу должен перенести хладагент. Заметим, что проклинаемый экологами фреон (хлорфторуглерод CCl2F2) идеально подходит на эту роль: его температура кипения -25 °С (при нормальном давлении), а теплота парообразования весьма мала - 162 кДж/кг, в 14 раз меньше, чем у воды.
Попытаемся «реконструировать» тепловой насос (как его называют специалисты - насос парокомпрессионного цикла), воспользовавшись стандартными узлами холодильника, ведь с точки зрения термодинамики разницы между этими машинами нет. Итак, основные элементы - испаритель, «отбирающий» тепло за счет кипения хладагента, и конденсатор, осуществляющий отвод тепла за счет его конденсации (обычно он располагается на задней стенке холодильника). Они соединены между собой кольцевым трубопроводом, в который встроены компрессор (он повышает давление паровой фазы хладагента) и дроссель, выполняющий обратную функцию. Ясно, что «флагманская» часть теплового насоса - конденсатор. В него встраивается отопительный контур, нагревающий воду для системы горячего водоснабжения (ГВС).
Чтобы заставить конденсатор отдать больше тепла, газ необходимо подать под повышенным давлением (для чего служит компрессор), при этом его температура возрастает до 90-100 °С. Передав избыток тепла в контур отопления (ради этого все и затевается), конденсированный хладагент вернется в испаритель, пройдя через дроссель и остыв. Назначение испарителя аналогично обычному «холодильному», с той лишь разницей, что в роли продуктов выступает антифриз - незамерзающая жидкость на основе спиртоподобных гликолей. Антифриз-теплоноситель циркулирует по внешнему контуру - теплоколлектору. Самое дешевое решение - змеевик, уложенный в «теплый» грунт. Чем больше разница между температурами теплоносителя и грунта, тем эффективнее тепловой насос в целом,так что есть резон укладывать змеевик рядом с магистральной трубой централизованного теплоснабжения.
Как проложишь - столько и снимешь
Холодный теплоноситель, проходя по внешнему контуру под давлением 10 атм., «отбирает» тепло у грунта. Эффективность процесса зависит от многих параметров, например, от структуры и состава почвы, но в среднем удельный теплосъем колеблется в пределах от 10 до 40 Вт/м2 (если же контур проходит по воде, то теплосъем может возрасти до 100 Вт/м2). Далеко не тепличные условия России вынуждают заглублять контур на 1,5 м, ниже уровня промерзания, но не потому, что тепловой насос перестанет работать, а для того, чтобы лед не порвал трубы с теплоносителем. Как показывает практика, на 1 кВт тепловой мощности требуется 25-50 м2 площади теплоколлектора (в зависимости от свойств грунта), то есть для дома полезной площадью 100 м2 требуется участок не меньше 300 м2, на котором возможно только культивирование газона.
Это замечание относится к самому распространенному горизонтальному грунтовому коллектору, который представляет собой полиэтиленовую трубу диаметром от 20 до 40 мм (чем толще труба, тем эффективней теплосъем), уложенную «змейкой», «петлей» или спиралью. Главное, чтобы труба охватывала как можно большую площадь, а форма укладки зависит только от геометрии участка. Опыт показывает, что для расчета длины трубопровода можно воспользоваться следующим эмпирическим значением: на 1 м2 отапливаемой площади должно приходиться 2-2,5 погонных метра трубы.
Если же места на приусадебном участке мало, то можно прибегнуть к другому способу укладки - грунтовому зонду. В этом варианте трубы теплосъема опускаются в скважину глубиной до 150 м. На таких глубинах температура грунта не зависит от времени года и равна 10 °С, поэтому зонды мощнее горизонтальных коллекторов, и с 1 м2 можно снимать до 100 Вт тепловой мощности, прогоняя антифриз под давлением 16 атм.
Какой же КПД теплового насоса
Сам по себе тепловой насос работать не будет. Ему нужны по крайней мере два электрических мотора - для компрессора и для насоса циркуляции теплоносителя, а если учесть контур ГВС, то потребуется еще парочка насосов для перекачки горячей воды. Именно относительно расхода энергии моторов и указывается КПД, равный «300%». Как мы уже убедились, это не более чем уловка продавцов. В кругу профессионалов принят другой показатель - коэффициент преобразования тепла φ, показывающий отношение получаемого тепла к затраченной энергии. Так, при φ = 4,0 тепловой насос, затратив 1 кВт, «выдает» 4,0 кВт тепловой мощности - то есть 75% мы «выкачиваем» из окружающей среды.
К сожалению, в условиях российского климата (долгая зима, много пасмурных дней и т.д.) практический коэффициент φ оказывается ниже, в первую очередь из-за плохой теплоизоляции. Если тепловые потери строения превышают 50 Вт/м2, то тепловой насос сможет едва восполнять их, даже работая круглые сутки. Так что реальную выгоду можно получить тогда, когда дом будет очень хорошо утеплен. Отрицательно на экономичности скажется и желание получить в системе ГВС максимально горячую воду. Как показывает практика, декларируемые коэффициенты теплопередачи более-менее соответствуют истинным, если речь идет о низкотемпературных системах отопления («теплые» полы или тепловентиляторы-калориферы), для которых теплоноситель не должен быть горячее 35 °С.
В наших условиях выгоднее всего, как показывает практика, применение бивалентных тепловых насосов, работающих в паре с классическим отопительным котлом на газе или дизельном топливе. Если среднесуточная температура не опускается ниже -10 °С, то тепловой насос вполне покрывает потребности дома (75% от расчетной отопительной). А когда наступают по-настоящему холодные ночи (их, оказывается, не набегает больше 10-15% от общей длительности отопительного сезона), то в дело вступает обычный бойлер.
Как говорил польский сатирик Станислав Ежи Лец, «в действительности все оказалось не так, как на самом деле». Тепловые насосы не стоит рассматривать как дармовую отопительную панацею от арктического холода, особенно если учесть затраты на насос и монтаж системы сбора тепла, которые могут достигать 300-1200 долларов на 1 кВт мощности отопления. К тому же включение 5-киловаттного электромотора в часы пиковой нагрузки не вызовет большого энтузиазма со стороны энергетиков, да и сами насосы и компрессоры имеют сравнительно ограниченный ресурс.
И все же - не могут миллионы американцев, французов и немцев (не говоря уже о наших скандинавских соседях) дружно ошибаться. Ведь в одной только Японии работает свыше 60 млн тепловых насосов. Значит, при определенных условиях технология вполне эффективна. Главное - «вписаться» в эти условия.
Врезка
Опыт эксплуатации тепловых насосов показал, что за тепловую мощность часто приходится расплачиваться вымерзанием участка. С грунтовыми зондами ситуация может сложиться еще драматичнее: если скважина проходит рядом с водоносным пластом, нетрудно представить, к чему приведет его замерзание. Учитывая, что зондам требуется гораздо больше времени для установления теплового равновесия (4-5 лет), такое решение способно доставить большие проблемы. Специалисты рекомендуют для вертикальных коллекторов применять мощные насосы, способные «перегонять» большие объемы антифриза.
-
Ольга 26.11.2013, 21:57
У меня двое маленьких детей, поэтому при строительстве дома, одним из обязательных условий являлись теплые полы. У нас тепловой насос, в целом мы им довольны, но вот только экономным его особо не назовешь, несмотря на то, что у нас не очень мощный тепловой насос. Главное, со своей функцией справляется, мы довольны.
-
толя 26.11.2013, 19:11
На самом деле очень интересное устройство! Ранее никогда о таком не слышал! Вообще очень приятно - когда у тебя под ногами теплый дом, этого я считаю, может быть вполне достаточно для обогрева частного дома в прохладное время года. Спасибо, за статью, хоть это и дорогостоющее устройство, но я хочу его опробовать в деле!
-
Егор 24.11.2013, 21:05
Еще Суворов говорил, что надо держать ноги в тепле, желудок голодым, а голову в холоде. Насчет головы спорное утверждение, а под ногами и правда должно быть тепло, так оно гораздо лучше распределяется. Вообще, нравится мне этот принцип, согласно которому, грунт делится теплом, то есть, по сути, мы получаем энергию практически из ничего. Это как воздух, который никогда не кончится, пока есть атмосфера.
Оставить комментарий