Помнится детский анекдот, про жителя крайнего севера, купившего холодильник. На вопрос, зачем ему холодильник, он отвечает: «на улице -40, а в холодильнике -7 — ГРЕТЬСЯ!»
Оказывается, в каждой шутке есть доля правды. Обращали внимание, что холодильник сзади всегда теплый? Это выхлоп энергии, затрачиваемой на охлаждение воздуха в камере холодильника. Теплота, которая отнимаемается от охлаждаемых продуктов, теплота, выделяемая при конденсации и замерзании влаги, выделяется из холодильника и обогревает комнату. Именно поэтому кондиционеру, который охлаждает комнату всегда нужен внешний блок, висящий снаружи — для отвода излишков тепла. Вывернем кондиционер наизнанку, и окажется, что он может с большим успехом служить и для отопления. Вместо того, чтобы напрямую расходовать электроэнергию в электронагревателях, обогревающих дом, может лучше ее использовать для приведения в действие холодильного цикла? Оказывается, это не только возможно, но и экономически целесообразно. Передав тепловой машине работу, эквивалентную 1 Дж, мы сможем передать нагревателю (печке) целых 10 Дж энергии. Чуда при этом не происходит, 9 Дж из них будут получены от холодильника. То есть холодная среда (земля, воздух, снег) станет при этом еще немного холоднее.
Итак, как же работает тепловой насос:
1. Предположим, что в землю под домом, ниже уровня промерзания почвы у нас уложены трубы. Тогда, теплоноситель, проходя по трубопроводу, нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса.
2. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом (например, фреон). Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ. Это происходит при низком давлении и низкой температуре.
3. Из испарителя газообразный хладагент попадает, в компрессор, где он сжимается, при этом повышается его температура. Собственно, только на этом этапе происходит основной расход энергии.
4. Далее горячий хладагент поступает в конденсатор — второй теплообменник. В нем происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из трубопровода внутренней системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, при этом охлаждаясь и снова переходя в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к радиаторам внутри дома.
5. Хладагент проходит через редукционный клапан — давление при этом понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.
В холодное время года тепловые насосы используются для нагрева воздуха в помещении, а в теплое время года их вполне можно использовать для охлаждения дома. Принцип работы такого насоса при охлаждении помещения такой же, как и при отоплении. Только тепло в этом случае забирается из воздуха в помещении и отдается земле или водоему.
Таким образом, тепловой насос — это фактически тот же холодильник, представляющий собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух. Если выставить холодильник на улицу, то, извлекая тепло из наружного воздуха и передавая его во внутрь дома, вполне можно обогревать помещение.
В процессе работы электроэнергия расходуется в большей степени на работу компрессора и в меньшей — насосы, прокачивающие воду через внешний и внутренний контуры. В современных реализациях тепловых насосов на каждый затраченный киловатт-час электроэнергии вырабатывается порядка 2-4 киловатт-часов тепловой энергии. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Таким образом, при необходимости обогрева помещения с помощью электроэнергии, тепловой насос дает экономию в несколько раз. Есть выгода в его использовании и при газовом отоплении.
В борьбе за экологию число тепловых насосов в мире растет с каждым годом. По приблизительным подсчетам на настоящий момент установлено порядка 100 млн. тепловых насосов во всем мире. Широко распространены они в США, Японии и странах ЕС. В этих странах существуют даже строительные нормы, которые предусматривают обязательное использование тепловых насосов при строительстве новых домов и зданий. В некоторых странах, например, Швеции тепловые насосы составляют 70% систем отопления. А в России?
