Тепловые насосы - решение для энергетического кризиса
21 августа 2022 г.
Тепловой насос берет тепло из окружающей среды и использует для нагрева принцип охлаждения при испарении. Каждый, когда вспотеет или приложит к горячему телу мокрую ткань, знает этот эффект: когда влага испаряется, то есть переходит в газообразное состояние, на коже становится прохладнее. Физический принцип: при переходе из воды в пар молекулам воды требуется много энергии. Они берут ее из окружающей среды - в описанном случае, с кожи. И наоборот, при переходе от пара к жидкости тепловая энергия снова высвобождается.
Именно этот принцип используют тепловые насосы, холодильники и кондиционеры. Специальный хладагент циркулирует в закрытой системе труб. Такие хладагенты испаряются при очень низких температурах, иногда ниже минус 50 градусов Цельсия.
Хладагент забирает тепло окружающей среды, например, земли или воздуха, и испаряется внутри контура. Затем газообразная смесь сжимается в компрессоре. Это еще больше повышает температуру в хладагенте. Затем хладагент снова сжижается, отдавая тепло воде для нагрева, которая и используется для обогрева здания.
Тепловые насосы - водяные, воздушные или грунтовые. Какие предпочтительнее?
Существуют различные типы тепловых насосов, но все они работают по одному принципу и извлекают тепловую энергию из воды, земли или воздуха.
Например, водяные тепловые насосы могут использовать грунтовые воды или воду в реках или озерах. Тепловые насосы с воздушным источником работают на обычном наружном воздухе или могут использовать горячий отработанный воздух промышленных предприятий или компьютерных центров обработки данных.
Для геотермальных тепловых насосов бурятся скважины на глубину до 150 метров или трубы прокладываются непосредственно под поверхностью земли, но ниже уровня промерзания. Чем глубже труба уходит в землю, тем теплее она становится. Геотермальные тепловые насосы, как вертикальные, так и горизонтальные более эффективны, но и более дороги. Воздушные тепловые насосы работают практически везде, но могут быть шумными.
Кстати, когда тепловой насос работает в грунтовых водах, они охлаждаются примерно на четыре градуса; при использовании воздушного теплового насоса температура окружающего воздуха снижается примерно на 10 градусов.
Могут ли тепловые насосы обогревать и в холодную зиму?
Да, даже в холодные зимние дни тепла земли, окружающего воздуха или грунтовых вод достаточно для обогрева здания. В Скандинавии, например,многие жилища отапливаются воздушными тепловыми насосами даже зимой. Они по-прежнему извлекают тепловую энергию из воздуха при температуре до - 20 градусов. Однако в этом случае тепловые насосы не так эффективны, как при более высоких температурах, и требуют больше электроэнергии. Чтобы подстраховаться, тепловые насосы также оснащены электрическими дополнительными нагревателями, которые работают при любой температуре.
Сколько электроэнергии требуется тепловым насосам?
Даже несмотря на то, что большая часть энергии берется из окружающей среды, тепловым насосам требуется дополнительная электроэнергия для работы электродвигателя компрессора, насосов и вентиляторов. В хороших условиях из одного киловатт-часа электроэнергии, полученной извне, может быть выработано до шести киловатт-часов тепла. Изолированная квартира площадью 80 квадратных метров требует менее 1000 киловатт-часов электроэнергии в год.
В реальности, согласно исследованию, проведенному Институтом солнечных энергетических систем Общества имени Фраунгофера (Fraunhofer ISE), воздушные тепловые насосы в старых домах в Германии производят около трех киловатт-часов тепла из одного киловатт-часа электроэнергии. При использовании подземных вод в качестве источника в среднем вырабатывается в четыре раза больше тепла.
Оптимальными являются хорошо изолированные здания с подогревом пола или большими радиаторами. В этом случае температура нагреваемой воды может быть даже ниже 30 градусов Цельсия. "Каждый градус снижения температуры воды в системе отопления повышает эффективность теплового насоса на 3,5 процента", - рассказал DW Вернер Шенк (Werner Schenk), эксперт по тепловым насосам Мюнхенского университета прикладных наук.
В принципе, имеющиеся в продаже тепловые насосы могут генерировать температуру отопления более 70 градусов и таким образом обогревать неизолированные дома со старыми радиаторами. Но потребление электроэнергии для работы устройства в этом случае будет значительно выше.
Стоит ли использовать солнечную энергию для теплового насоса?
Да, солнечная электроэнергия, получаемая из батарей, расположенных на крыше дома, намного дешевле, чем из сети, и к тому же она безопасна для климата. Однако солнечные модули во время отопительного сезона зимой вырабатывают гораздо меньше электроэнергии, чем летом. Тогда для получения того же количества электроэнергии требуется больше солнечных модулей - или вам придется брать дополнительную электроэнергию из электросети.
Может ли тепловой насос охлаждать?
Да. Современные тепловые насосы могут переключаться в противоположный режим и охлаждать. При этом тепловая энергия из зданий передается, например, воздуху или грунтовым водам. И наоборот, современные системы кондиционирования воздуха могут также нагревать.
Особенно эффективное охлаждение может быть достигнуто при использовании подземных вод и геотермальной энергии без компрессора. При использовании 1 кВт∙ч электроэнергии поглощается и отводится под землю до 100 кВт∙ч тепла.
Вредны ли хладагенты для климата?
Большинство из них. До сих пор в тепловых насосах и кондиционерах использовались в основном химически полученные хладагенты, которые в 4000 раз вреднее для климата, чем CO2. Фторсодержащие газы (так называемые, F-газы) попадают в атмосферу в результате утечек и неправильной утилизации. Именно поэтому все больше тепловых насосов продается с менее опасными для экологии хладагентами - пропаном, CO2 или аммиаком. ЕС также предусматривает, что в течение следующих нескольких лет в тепловых насосах и системах кондиционирования воздуха должны все чаще использоваться экологически чистые хладагенты.
Смотрите также: