Ох уж этот загадочный тепловой насос…

/ Просмотров: 9942

На Западе это явление прижилось, а у нас пока никак. Невыгодно по многим причинам: газ дешевый, дрова дешевые, уголь дешевый. И это далеко не все, сама установка ТН далеко не дешевая и требует много чего еще. По цене выйдет (если брать промышленные образцы и делать все по технологии) в десятки раз дороже, чем на дровах или угле. Я не говорю о газе, поскольку цена газа и его подключение становится предметом загадочным. Поэтому пока что установить у себя дома ТН - это просто экзотика, даже среди экзотических фруктов. Но, ... если вы обладаете средними слесарными навыками и романтику технического конструирования вам окончательно не отбил мировой глобализм со времен первого конструктора, купленного вам отцом на Новый год, то тогда вас просто ждет новое грандиозное приключение. Конечно, во всем этом много но. Но много но, это далеко не бесконечно много. Если не удастся полностью обеспечить отопление жилища, ну так хотя бы частично подтопите, в худшем случае просто получите удовольствие...

И что такое тепловой насос..., да это просто холодильная машина. Выбросите двери, коробку, и вот она вам в чистом виде - немного трубок, компрессор, конденсатор, испаритель. Особенно это касается заброшенного где-то на даче холодильника. Когда будете разбирать, постарайтесь не разгерметизировать систему. Помещаем конденсатор и испаритель в отдельные теплообменники согласно нижеприведенному рисунку. Охлаждая окружающую среду, будем греть наше жилище. Согласен, несколько нетрадиционное применение для холодильника.

Перекачивать тепло то мы перекачаем, а теперь не растерять бы, да было бы вообще откуда брать достаточное количество тепла на всю зиму, ведь его отнять в таких количествах далеко не просто. Ну, во-первых: дом должен быть утепленным, иначе все это не имеет смысла, так чтобы на его обогрев зимой хватало 10-15 кВт. Во-вторых: надо же где-то и источник тепла найти или создать достаточный для обогрева жилья. Будем в качестве такого источника использовать тепло из теплообменника закопанного в землю где температура практически всю зиму остается постоянной +7° С.

heatpump

Принцип простой. Говоря на языке физики, если от более теплого тела передается какое-то количество тепла более холодному, может быть произведена полезная механическая работа, и это мы имеем во всех тепловых двигателях. Теперь наоборот, чтобы передать тепло от более холодного тела к более теплому, необходимо выполнить некую механическую работу, а это уже наш холодильник или тепловой насос. В обеих случаях, эффективность передачи тепла от одного тела к другому x= |Q1|/|A|, где Q1 переданное тепло, A- выполненная или произведенная механическая работа. x всегда больше единицы, чем мы и не преминем воспользоваться. То что плохо для двигателя, то как раз очень хорошо для теплового насоса, поскольку КПД теплового двигателя равен обратной величине x.

Что наша холодильная машина теперь делает - забирает тепло от менее нагретого тела у вас в огороде и передает более нагретому, то есть в ваше же жилье. Почему?.. Да потому что работает! Работает компрессор от электричества производя механическую работу A. При подходящих условиях может даже получится ничего себе. Оценим это "ничего себе" исходя из того, что идеальной моделью таких устройств является тепловая машина Карно. Согласно глубоким представлениям из физики, эффективность его машины

heatpump
heatpump
Энергетическая схема теплового насоса. Q1 < 0, A < 0, Q2 > 0, T1 > T2 . Где Т температура в градусах Кельвина.

Количество тепла перенесенного в помещение тепловым насосом будет |Q1| = |A|+ Q2, где A работа произведенная компрессором а Q2 количество тепла взятое из окружающей среды с температурой T2.

Будем считать, что наш тепловой насос не намного хуже машины Карно, тогда мощность теплового насоса Wtp, необходимая для обеспечения обогрева жилища, которому нужно обеспечить мощность нагрева Wн=10 кВт, составит Wtp= Wн/x. Подставляя числа более менее подходящие для наших зим, будем иметь T1=308° К (35° С на нагревательных элементах ), T2=280° К (+ 7° С) - температура под землей, тогда x= 308/(308-280)= 11. И тогда Wtp~1кВт. Холодильник или морозильник с такой мощностью пожалуй можно найти. Лучше мощность иметь с запасом, поскольку 11 это максимальная оценка для идеального равновесного цикла Карно. Практически, я встречал в Интернете показатели для производственных образцов порядка x= 5-7; Вдохновляет однако то, что на один кВт электроэнергии по счетчику получаем дополнительно 5-7 абсолютно безвозмездно. Просто акция от матушки природы - купи один кВт, семь получишь даром. И какой хохол это не любит?! Для повышения x, согласно приведенной формуле, необходимо использовать в жилище низкотемпературные нагревательные элементы типа теплых полов, на которых температура не превышает 35-40° С, ну и конечно уменьшать утечки тепла в самой конструкции системы.

 
Ох уж этот загадочный тепловой насос... 
 
Для большей наглядности приведем табличку зависимости x от температуры T1 и T2. Реальный коэффициент в любом случае будет коррелировать с этими данными при изменении температуры. Утечки тепла в системе конечно понизят эти числа, но и нам что-то останется. Как видно из таблицы эффективность теплового насоса сильно зависит от разности температур и будет возрастать с уменьшением разности температур под землей и в отопительной системе. Таким образом в осенний и весенний периоды система будет более эффективная чем в очень холодные зимы. Отсюда становится понятным почему ТН более практичен в условиях мягкого климата.

Можно с большой уверенностью утверждать, что построить тепловой насос самостоятельно, который был бы способен доставлять в жилище необходимое количество тепла, вполне реально. Да вот только, где его взять, это тепло на протяжении всей зимы. Этот вопрос более существенный. Как и всякая акция, эта - от матушки тоже... Если зимы непродолжительные и не очень холодные, а лето так, ничего, теплое - можно попробовать побороться .

И тут количество но, как и капиталовложений, начинает резко возрастать. Учитывая низкую теплопроводность грунта, возможно понижение температуры вокруг подземного теплообменника и даже замерзание грунта. Поэтому он должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить стабильный подвод тепла. В подземном теплообменнике в качестве рабочего тела необходимо использовать незамерзающую жидкость, обычно это смесь воды и бытового антифриза - на схеме рассол. Чтобы возможное промерзание не влияло на здание подземный теплообменник, надо обустроить подальше от жилища и, по возможности, на солнышке. Реально можно получить требуемый результат, если вы рядом с рекой, большим водойомом или уровень залегания грунтовых вод не глубже 4-5 метров, до куда можно еще реально докопаться. В-общем, каким-то образом там надо установить теплообменник и побольше. В водоносных слоях достаточная теплоемкость и теплопроводность, способная обеспечить подачу необходимого тепла к коллектору, и при этом не произойдет заметного понижения температуры и замерзания грунта на протяжении длительного времени. Здесь и конвекция нам поможет. В этих условиях наше T2, имеет шанс продержатся постоянным до весны ~+ 7° С. А если все-таки остынет, то за летний период отогреется. При этом можно принудительно обогреть скважину солнечными батареями летом. Если окажется мало одного подземного теплообменника, у вас всегда есть шанс обустроить еще один, пока вы не достигнете необходимой мощности подачи тепла. Важно, чтобы у вас было достаточно места для подобных работ на вашей территории и желания копать.

 
Ох уж этот загадочный тепловой насос... 
 
 
c – удельная теплоемкость; q – удельная теплота плавления; l – теплопроводность

Геотермальные насосы как неиссякаемый источник энергии
Геотермальные насосы как неиссякаемый источник энергии

В таблице приведены физические величины, которые характеризуют процесс теплообмена.

В иных условиях достигнуть необходимого теплообмена будет стоить больших денег и уйму копательных работ, при этом не исключено, что через несколько лет эксплуатации все равно произойдет замерзание почвы вокруг подземного теплообменника и его мощность упадет. По расчетам, которые я видел в Интернете, могу привести следующие данные: при использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на глубину 1 м. Минимальное расстояние между трубами коллектора-0,8–1 м. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода, 20–30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350—450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м2 (20х20 м). При правильном расчете контур не влияет на зеленые насаждения. Или, например, при использовании в качестве источника тепла близлежащего водоема контур укладывается на дно. Ориентировочное значение тепловой мощности в этом случае на 1 м трубопровода — 30 Вт. Таким образом для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 300 м. Другой вариант - бурить глубокие скважины 100 и более метров, но это еще дороже. Не дай бог карст - наделаете кучу беды. Финансовые расчеты на все эти работы можно оценить самостоятельно. Приведу также один из прайс-листов известной компании на собственно установку теплового насоса.

Для примера приведем цены на тепловые насосы ClimateMaster по состоянию на 01.09.2008р.

Ох уж этот загадочный тепловой насос...


Если вам понравился этот материал, то предлагаем вам подборку самых лучших материалов нашего сайта по мнению наших читателей. Подборку - ТОП об экологически безопасных технологиях, новой науке и научных открытиях вы можете найти там, где вам максимально удобно ВКонтакте или В Фейсбуке