Тепловой насос: принцип работы для отопления дома. Как сделать геотермальный тепловой насос из кондиционера Тепловой насос без компрессора теория

Первые варианты теплонасосов могли лишь частично удовлетворить потребности в тепловой энергии. Современные разновидности более эффективны и могут применяться для систем отопления. Именно поэтому смонтировать тепловой насос своими руками пытаются многие домовладельцы.

Мы расскажем, как выбрать оптимальный вариант теплового насоса с учетом гео-данных участка, на котором его планируется установить. В предложенной к рассмотрению статье подробно описан принцип действия систем использования “зеленой энергии”, перечислены отличия. С учетом наших советов вы, без сомнения, остановитесь на эффективном типе.

Для самостоятельных мастеров мы приводим технологию сборки теплового насоса. Представленную к рассмотрению информацию дополняют наглядные схемы, подборки фото и развернутый видео-инструктаж в двух частях.

Под термином тепловой насос понимается набор определенного оборудования. Основной функцией этого оборудования является сбор тепловой энергии и ее транспортировка к потребителю. Источником такой энергии может стать любое тело или среда, обладающая температурой от +1º и более градусов.

В окружающей нас среде источников низкотемпературного тепла более чем достаточно. Это промышленные отходы предприятий, тепловых и атомных электростанций, канализационные стоки и пр. Для работы тепловых насосов в сфере отопления дома нужны три самостоятельно восстанавливающихся природных источника – воздух, вода, земля.

Тепловые насосы “черпают” энергию из процессов, регулярно происходящих в окружающей среде. Течение процессов никогда не прекращается, потому источники признаны неисчерпаемыми по человеческим критериям

Три перечисленных потенциальных поставщика энергии напрямую связаны с энергией солнца, которое путем нагревания приводит в движение воздух с ветром и сообщает тепловую энергию земле. Именно выбор источника является основными критерием, согласно которому классифицируют тепловые насосные системы.

Принцип действия тепловых насосов базируется на способности тел или сред передавать тепловую энергию другому телу или среде. Получатели и поставщики энергии в тепловых насосных системах работают обычно в паре.

Так различают следующие виды тепловых насосов:

• Воздух – вода.
• Земля – вода.
• Вода – воздух.
• Вода – вода.
• Земля – воздух.
• Вода – вода
• Воздух – воздух.

При этом первое слово определяет тип среды, у которой система отбирает низкотемпературное тепло. Второе указывает на вид носителя, которому и передается эта тепловая энергия. Так, в тепловых насосах вода – вода, тепло отбирается у водной среды и в качестве теплоносителя используется жидкость.

Ситуация такова, что самым популярным на данный момент способом отапливать жилище является использование котлов отопления - газовых, твердотопливных, дизельных и намного реже - электрических. А вот такие простые и в тоже время высокотехнологичные системы, как тепловые насосы, не получили повсеместного распространения, и очень зря. Для тех, кто любит и умеет просчитывать все наперед, их преимущества очевидны. Тепловые насосы для отопления не сжигают невосполнимых запасов природных ресурсов, что крайне важно не только с точки зрения охраны окружающей среды, но и позволяет экономить на энергоносителях, так как они дорожают с каждым годом. К тому же, с помощью тепловых насосов можно не только отапливать помещение, но и подогревать горячую воду для хозяйственных нужд, и кондиционировать помещение в летний зной.

Принцип действия теплового насоса

Остановимся чуть подробнее на принципе действия теплового насоса. Вспомните, как работает холодильник. Тепло помещенных в него продуктов выкачивается и выбрасывается на радиатор, расположенный на задней стенке. В этом легко убедиться, дотронувшись до него. Примерно такой же принцип у бытовых кондиционеров: они выкачивают тепло из помещения и выбрасывают его на радиатор, расположенный на наружной стене здания.

В основу работы теплового насоса, холодильника и кондиционера положен цикл Карно.

1. Теплоноситель, двигаясь по источнику низкотемпературного тепла, например, грунту, нагревается на несколько градусов.
2. Затем он поступает в теплообменник, называемый испаритель. В испарителе теплоноситель отдает накопленное тепло хладагенту. Хладагент - это специальная жидкость, которая превращается в пар при низкой температуре.
3. Приняв на себя температуру с теплоносителя, нагретый хладагент превращается в пар и поступает в компрессор. В компрессоре происходит сжатие хладагента, т.е. повышение его давления, за счет чего повышается и его температура.
4. Горячий сжатый хладагент поступает в другой теплообменник, называемый конденсатор. Здесь хладагент отдает свое тепло другому теплоносителю, который предусмотрен в системе отопления дома (вода, антифриз, воздух). При этом хладагент охлаждается и снова превращается в жидкость.
5. Далее хладагент поступает в испаритель, где нагревается от новой порции нагретого теплоносителя, и цикл повторяется.

Для обеспечения работы теплового насоса необходимо электричество. Но это все равно намного выгоднее, чем использовать только электрообогреватель. Так как электрокотел или электрообогреватель тратит ровно столько же электроэнергии, сколько и выдает тепла. Например, если на обогревателе написана мощность 2 кВт, то он тратит 2 кВт в час и выдает 2 кВт тепла. А тепловой насос выдает тепла в 3 - 7 раз больше, чем тратит электроэнергии. Например, используется 5,5 кВт/час на работу компрессора и насоса, а тепла получается 17 кВт/час. Именно такой высокий КПД и является основным достоинством теплового насоса.

Преимущества и недостатки системы отопления «тепловой насос»

Вокруг тепловых насосов ходит много легенд и заблуждений, несмотря на то, что это не такое уж новаторское и высокотехнологичное изобретение. С помощью тепловых насосов отапливаются все «теплые» штаты в США, практически вся Европа и Япония, где технология отработана практически до идеала и уже давно. Кстати, не стоит думать, что подобное оборудование является чисто иностранной технологией и пришло к нам совсем недавно. Ведь еще в СССР такие агрегаты использовались на экспериментальных объектах. Примером тому служит санаторий «Дружба» в городе Ялта. Помимо футуристической архитектуры, напоминающей «избушку на курьих ножках», этот санаторий славен еще и тем, что еще с 80-х годов 20 века в нем используются тепловые насосы для отопления промышленные. Источником тепла является близлежащее море, а сама насосная станция не только обогревает все помещения санатория, но и обеспечивает горячей водой, греет воду в бассейне и охлаждает в знойный период. Так давайте же попытаемся развеять мифы и определить, имеет ли смысл отапливать жилище таким способом.

Преимущества систем отопления с тепловым насосом:

• Экономия на энергоносителе. В связи с растущими ценами на газ и дизтопливо очень актуальное преимущество. В графе «ежемесячные расходы» будет значиться только электроэнергия, которой как мы уже писали необходимо намного меньше, чем реально производится тепла. При покупке агрегата необходимо обратить внимание на такой параметр, как коэффициент трансформации тепла «ϕ» (может называться еще коэффициент преобразования тепла, коэффициент трансформации мощности или температур). Он показывает отношение количества тепла на выходе к затрачиваемой энергии. Например, если ϕ=4, то при расходе 1 кВт/час мы получим 4 кВт/час тепловой энергии.
• Экономия на техобслуживании . Тепловой насос не требует к себе никакого особенного отношения. Расходы на его обслуживание минимальны.
• Можно устанавливать в любой местности . Источниками низкотемпературного тепла для работы теплового насоса могут служить грунт, вода или воздух. Где бы Вы ни строили дом, даже в скалистой местности, всегда найдется возможность найти «пищу» для агрегата. В местности, удаленной о газовой магистрали, это одна из самых оптимальных систем отопления. И даже в регионах без линий электропередач можно установить бензиновый или дизельный движок для обеспечения работы компрессора.
• Нет необходимости следить за работой насоса , добавлять топливо, как в случае с твердотопливным или дизельным котлом. Вся система отопления с тепловым насосом автоматизирована.
• Можно уехать на длительный срок и не бояться, что система замерзнет. При этом можно сэкономить, установив насос на обеспечение в жилом помещении температуры +10 °С.
• Безопасность для окружающей среды. Для сравнения при использовании традиционных котлов, сжигающих топливо, всегда образуются различные окислы CO, СO2, NOх, SO2 , PbO2, как следствие вокруг дома на почве оседают фосфорная, азотистая, серная кислоты и бензойные соединения. При работе теплового насоса не выбрасывается ничего. А используемые в системе хладагенты абсолютно безопасны.
• Сюда же можно отметить сохранение невосполнимых природных ресурсов планеты .
• Безопасность для человека и имущества . В тепловом насосе ничего не нагревается до такой температуры, чтобы вызвать перегрев или взрыв. К тому же, в нем попросту нечему взрываться. Так что его можно отнести к полностью пожаробезопасным агрегатам.
• Тепловые насосы успешно работают даже при температуре окружающей среды -15 °С . Так что если кому-то кажется, что такой системой можно обогревать дом только в регионах с теплыми зимами до +5 °С, то они ошибаются.
• Реверсивность теплового насоса . Неоспоримым преимуществом является универсальность установки, с помощью которой можно и отапливать зимой, и охлаждать летом. В жаркие дни тепловой насос забирает тепло из помещения и направляет его в грунт на хранение, откуда снова возьмет зимой. Обратите внимание, что реверсной способностью обладают не все тепловые насосы, а только некоторые модели.
• Долговечность . При должном уходе тепловые насосы системы отопления живут от 25 до 50 лет без капитального ремонта, и только раз в 15 - 20 лет потребуется заменить компрессор.

Недостатки систем отопления с тепловым насосом:

• Большие первоначальные капиталовложения. Помимо того, что на тепловые насосы для отопления цены довольно высоки (от 3000 до 10000 у.е.), так еще дополнительно на обустройство геотермальной системы потребуется затратить не меньше, чем на сам насос. Исключением является воздушный тепловой насос, не требующий дополнительных работ. Окупится тепловой насос не скоро (лет через 5 - 10). Так что ответ на вопрос, использовать или не использовать тепловой насос для отопления, скорее зависит от предпочтений хозяина, его финансовых возможностей и условий строительства. Например, в регионе, где подведение газовой магистрали и подключение к ней стоит столько же, сколько и тепловой насос, имеет смысл отдать предпочтение последнему.

• В регионах, где температура зимой опускается ниже -15 °С, необходимо использовать дополнительный источник тепла . Это называется бивалентная система отопления , в которой тепловой насос обеспечивает тепло, пока на улице до -20 °С, а когда он не справляется, подключается например, электрообогреватель или газовый котел, или теплогенератор.

• Наиболее целесообразно использовать тепловой насос в системах с низкотемпературным теплоносителем , таких как система «теплый пол» (+35 °С) и фанкойлы (+35 - +45 °С). Фанкойлы представляют собой вентиляторный конвектор, в котором происходит передача тепла/холода от воды воздуху. Для обустройства такой системы в старом доме потребуется полная перепланировка и перестройка, что повлечет дополнительные затраты. При строительстве нового дома это не является недостатком.
• Экологичность тепловых насосов , берущих тепло из воды и грунта, несколько относительна. Дело в том, что в процессе работы пространство вокруг труб с теплоносителем охлаждается, а это нарушает устоявшуюся экосистему. Ведь даже в глубине грунта живут анаэробные микроорганизмы, обеспечивающие жизнедеятельность более сложных систем. С другой стороны - по сравнению с добычей газа или нефти ущерб от теплового насоса минимален.

Источники тепла для работы теплового насоса

Тепловые насосы берут тепло из тех природных источников, которые накапливают солнечную радиацию в течение теплого периода. В зависимости от источника тепла различаются и тепловые насосы.

Грунт

Грунт - самый стабильный источник тепла, которое накапливается за сезон. На глубине 5 - 7 м температура грунта практически всегда постоянна и равна примерно +5 - +8 °С, а на глубине 10 м - всегда постоянна +10 °С. Способов сбора тепла с грунта два.

Горизонтальный грунтовый коллектор представляет собой уложенную горизонтально трубу, по которой циркулирует теплоноситель. Глубина расположения горизонтального коллектора высчитывается индивидуально в зависимости от условий, иногда это 1,5 - 1,7 м - глубина промерзания грунта, иногда ниже - 2 - 3 м для обеспечения большей стабильности температуры и меньшей разницы, а иногда всего 1 - 1,2 м - здесь грунт начинает быстрее прогреваться весной. Бывают случаи, когда обустраивают двухслойный горизонтальный коллектор.

Трубы горизонтального коллектора могут иметь различный диаметр 25 мм, 32 мм и 40 мм. Форма их раскладки тоже может быть разной - змейка, петля, зигзаг, различные спирали. Расстояние между трубами в змейке должно быть не менее 0,6 м, и обычно составляет 0,8 - 1 м.

Удельный теплосъем с каждого погонного метра трубы зависит от структуры грунта:

• Песок сухой - 10 Вт/м;
• Глина сухая - 20 Вт/м;
• Глина более влажная - 25 Вт/м;
• Глина с очень большим содержанием воды - 35 Вт/м.

Для отопления дома площадью 100 м2 при условии, что грунт представляет собой влажную глину, понадобится 400 м2 площади участка под коллектор. Это довольно много - 4 - 5 соток. А с учетом того, что на данном участке не должно быть никаких строений и допускается только газон и клумбы с однолетними цветами, то не каждый может себе позволить обустроить горизонтальный коллектор.

По трубам коллектора течет специальная жидкость, ее еще называют «рассол» или антифриз , например, 30% раствор этиленгликоля или пропиленгликоля. «Рассол» собирает на себя тепло грунта и направляется к тепловому насосу, где передает его хладагенту. Остывший «рассол» снова течет в грунтовый коллектор.

Вертикальный грунтовый зонд представляет собой систему труб, заглубленных на 50 - 150 м. Это может быть всего одна U-образная труба, опущенная на большую глубину 80 - 100 м и залитая бетонным раствором. А может быть система U-образных труб, опущенных на 20 м, чтобы собрать энергию с большей площади. Выполнение бурильных работ на глубину 100 - 150 м не только дорого стоит, но и требует получения специального разрешения, именно поэтому часто идут на хитрость и обустраивают несколько зондов небольшой глубины. Расстояние между такими зондами делают 5 - 7 м.

Удельный теплосъем с вертикального коллектора также зависит от породы:

• Осадочные породы сухие - 20 Вт/м;
• Осадочные породы, насыщенные водой, и каменистая почва - 50 Вт/м;
• Каменистая почва с высоким коэффициентом теплопроводности - 70 Вт/м;
• Подземные (грнутовые) воды - 80 Вт/м.

Площадь под вертикальный коллектор необходима совсем маленькая, но стоимость их обустройства выше, чем у горизонтального коллектора. Достоинством вертикального коллектора также является более стабильная температура и больший теплосъем.

Вода

Использовать воду в качестве источника тепла можно по-разному.

Коллектор на дне открытого незамерзающего водоема - реки, озера, моря - представляет собой трубы с «рассолом», притопленные с помощью груза. За счет высокой температуры теплоносителя этот способ получается самым выгодным и экономичным. Обустроить водный коллектор могут только те, от кого водоем находится не дальше 50 м, иначе теряется эффективность установки. Как Вы понимаете, такие условия есть не у всех. Но не использовать тепловые насосы жителям побережья просто недальновидно и глупо.

Коллектор в канализационных стоках или сбросовой воде после технических установок можно использовать для отопления домов и даже многоэтажек и промышленных предприятий в черте города, а также для приготовления горячей воды. Что с успехом делается в некоторых городах нашей Родины.

Скважинную или грунтовую воду используют реже, чем другие коллекторы. Такая система подразумевает строительство двух скважин, из одной забирается вода, которая передает свое тепло хладагенту в тепловом насосе, а во вторую сбрасывается остывшая вода. Вместо скважины может быть фильтрационный колодец. В любом случае сбросовая скважина должна находиться на расстоянии 15 - 20 м от первой, да еще и ниже по течению (подземные воды тоже имеют свое течение). Данная система довольно сложна в эксплуатации, так как за качеством поступаемой воды необходимо следить - фильтровать ее, и защищать детали теплового насоса (испаритель) от коррозии и загрязнения.

Воздух

Самую простую конструкцию имеет система отопления с воздушным тепловым насосом . Никакого дополнительного коллектора не нужно. Воздух из окружающей среды напрямую поступает к испарителю, где передает свое тепло хладагенту, а тот в свою очередь передает тепло теплоносителю внутри дома. Это может быть воздух для фанкойлов или вода для теплого пола и радиатора.

Затраты на установку воздушного теплового насоса самые минимальные, но зато производительность установки очень зависит от температуры воздуха. В регионах с теплыми зимами (до +5 - 0 °С) это один из самых экономичных источников тепла. А вот если температура воздуха опускается ниже -15 °С производительность падает настолько, что не имеет смысла использовать насос, а выгоднее включить обычный электрообогреватель или котел.

На воздушные тепловые насосы для отопления отзывы весьма противоречивы. Все зависит от региона их использования. Их выгодно использовать в регионах с теплыми зимами, например, в Сочи, где даже не понадобится дублирующий источник тепла на случай сильных морозов. Также можно устанавливать воздушные тепловые насосы в регионах, где относительно сухой воздух и температура зимой до -15 °С. А вот во влажном и холодном климате такие установки страдают от обледенения и обмерзания. Налипающие на вентиляторе сосульки не дают нормально работать всей системе.

Отопление тепловым насосом: стоимость системы и расходы на эксплуатацию

Мощность теплового насоса подбирается в зависимости от тех функций, которые на него будут возложены. Если только отопление, то расчеты можно произвести в специальном калькуляторе, учитывающем тепловые потери здания. Кстати, наилучшие показатели работы теплового насоса при тепловых потерях здания не более 80 - 100 Вт/м2. Для простоты примем, что для отопления дома в 100 м2 с потолками высотой 3 м и теплопотерями 60 Вт/м2 необходим насос мощностью 10 кВт. Для подогрева воды придется взять агрегат с запасом по мощности - 12 или 16 кВт.

Стоимость теплового насоса зависит не только от мощности, но и от надежности и запросов производителя. Например, агрегат мощностью 16 кВт российского производства обойдется в 7000 у.е., а иностранный насос RFM 17 мощностью 17 кВт стоит порядка 13200 у.е. со всем сопутствующим оборудованием, кроме коллектора.

Следующей строкой расходов будет обустройство коллектора . Она тоже зависит от мощности установки. Например, для дома 100 м2, в котором везде установлены теплые полы (100 м2) или радиаторы отопления 80 м2, а также для подогрева воды до +40 °С объемом 150 л/час потребуется выполнить бурение скважин под коллекторы. Такой вертикальный коллектор обойдется в 13000 у.е.

Коллектор на дне водоема обойдется чуть дешевле. При таких же условиях он будет стоить 11000 у.е. Но лучше стоимость монтажа геотермальной системы уточнять в специализирующихся компаниях, она может очень сильно отличаться. Например, обустройство горизонтального коллектора для насоса мощность 17 кВт обойдется всего в 2500 у.е. А для воздушного теплового насоса коллектор не нужен вовсе.

Итого, стоимость теплового насоса 8000 у.е. в среднем, обустройство коллектора 6000 у.е. в среднем.

В ежемесячную стоимость отопления тепловым насосом входят только расходы на электроэнергию . Рассчитать их можно так - на насосе должна быть указана потребляемая мощность. Например, для вышеупомянутого насоса мощностью 17 кВт потребляемая мощность составляет 5,5 кВт/час. Всего отопительная система работает 225 дней в году, т.е. 5400 часов. С учетом того, что тепловой насос и компрессор в нем работают циклически, то расход электроэнергии необходимо уменьшить вдвое. За отопительный сезон будет потрачено 5400ч*5,5кВт/ч/2=14850 кВт.

Умножаем количество затраченных кВт на стоимость энергоносителя в Вашем регионе. Например, 0,05 у.е. за 1 кВт/час. Итого за год будет потрачено 742,5 у.е. За каждый месяц, в котором работал тепловой насос на отопление, приходится по 100 у.е. расходов на электроэнергию. Если же поделить расходы на 12 месяцев, то в месяц получится 60 у.е.

Обратите внимание, что чем меньше потребляемая мощность теплового насоса, тем меньше ежемесячные расходы. Например, есть насосы 17 кВт, которые за год потребляют всего 10000 кВт (расходы 500 у.е.). Также немаловажно, что производительность теплового насоса тем больше, чем меньше разница температур между источником тепла и теплоносителем в системе отопления . Именно поэтому говорят, что выгоднее устанавливать теплый пол и фанкойлы. Хотя стандартные радиаторы отопления с высокотемпературным теплоносителем (+65 - +95 °С) тоже можно устанавливать, но с дополнительным аккумулятором тепла, например, бойлером косвенного нагрева. Для донагрева воды в ГВС также используется бойлер.

Тепловые насосы выгодны при использовании в бивалентных системах. В дополнение к насосу можно установить солнечный коллектор, который сможет полностью обеспечивать насос электроэнергией летом, когда тот будет работать на охлаждение. Для зимней подстраховки можно добавить теплогенератор, который будет догревать воду для ГВС и высокотемпературных радиаторов.

Тепловой насос (ТН) – это устройство, которое осуществляет перенос, трансформацию и преобразование тепловой энергии. По принципу работы он схож с известными всем приборами и оборудованием, такими как холодильник или кондиционер. В основе функционирования любого ТН лежит обратный цикл Карно, названного в честь известнейшего французского физика и математика Сиди Карно.

Принцип работы теплового насоса

Изучим более подробно физику процессов работы данного оборудования. Тепловой насос состоит из четырех основных элементов:

1. Компрессор
2. Теплообменник (конденсатор)
3. Теплообменник (испаритель)
4. Соединительная арматура и элементы автоматики.

Компрессор необходим для сжатия и перемещения хладагента по системе. При сжимании фреона его температура и давление резко повышается (развивается давление до 40 бар, температура до 140 С), и в форме газа с высокой степенью сжатия он поступает в конденсатор (адиабатический процесс, т.е. процесс в котором система не взаимодействует с внешним пространством), где передает энергию потребителю. Потребителем может выступать как непосредственно среда, которую необходимо обогреть (например, воздух в помещении), так и теплоноситель (вода, антифриз и т.д.), который далее распределяет энергию по системе отопления (радиаторы, теплые полы, обогреваемые плинтуса, конвекторы, фанкойлы и прочее). Температура газа при этом, естественно понижается, и он меняет свое агрегатное состояние с газообразного на жидкостное (изотермический процесс, т.е. процесс, протекающий при постоянной температуре).

Далее хладагент в жидком состоянии поступает в испаритель , проходя через терморегулирующий вентиль (ТРВ), необходимый для уменьшения давления и дозирования поступления фреона в испарительный теплообменник. В следствии снижения давления при прохождении каналов испарителя осуществляется фазовый переход, и агрегатное состояние хладагента снова меняется на газообразное. При этом энтропия газа снижается (исходя из теплофизических свойств фреонов), что приводит к резкому падению температуры, и происходит «отъем» тепла у внешнего источника. В качестве внешнего источника может выступать уличный воздух, недра земли, реки, озера. Далее охлажденный газообразный фреон возвращается в компрессор, и цикл повторяется снова.

Фактически получается, что тепловая машина сама не производит выработку тепла, а является устройством по перемещению, модифицированию и видоизменению энергии от окружающей среды в помещение. Однако для этого процесса необходима электроэнергия, основным потребителем которой выступает компрессорный агрегат. Соотношение полученной тепловой мощности к затраченной электрической называется коэффициентом преобразования (СОР). Он меняется в зависимости от типа ТН, его производителя, прочих факторов и варьируется в пределах от 2 до 6.

В настоящее время в качестве хладагента используются озонобезопасные фреоны различного типа (R410A, R407C), которые наносят минимальный ущерб окружающей среде.

В современных тепловых машинах используются компрессоры спирального типа, которые не требуют обслуживания, в них практически отсутствует трение, и они могут безостановочно проработать 30-40 лет. Это обеспечивает долгий срок службы всего агрегата. Так, например, у немецкой фирмы Stiebel Eltron есть ТН, проработавшие без капитального ремонта с начала 70-х годов прошлого века.

Типы тепловых насосов

В зависимости от сред используемых для отбора и перераспределения энергии, а так же конструктивных особенностей и способах применения, различают четыре основных типа ТН:

Тепловой насос «воздух - воздух»

В качестве низкопотенциального источника энергии, данный тип оборудования использует уличный воздух. Внешне он не отличается от обычной сплит - системы кондиционирования, однако имеет ряд функциональных особенностей, позволяющих ему работать при низких температурах (до -30 С) и «изымать» энергию из окружающей среды. Обогрев дома осуществляется непосредственно теплым воздухом, нагреваемом в конденсаторе теплонасоса.

Достоинства ТН «воздух - воздух»:

• Невысокая стоимость
• Малое время монтажных работ и сравнительная простота установки
• Отсутствие возможности утечки теплоносителя

Недостатки:

• Устойчивая работоспособность до -20 С
• Необходимость установки внутреннего блока в каждую комнату или организацию системы воздуховодов для подачи нагретого воздуха во все помещения.
• Невозможность получения горячей воды (ГВС)

На практике, такие системы применяются для сезонного жилья и не могут выступать в качестве основного источника обогрева.

Тепловой насос «воздух - вода»

По своему принципу действия схожи с предыдущим типом, однако они нагревают не напрямую воздух внутри помещения, а теплоноситель, который в свою очередь используется для отопления дома и приготовления ГВС.

Достоинства ТН «Воздух – вода»:

• не требует организация «внешнего контура» (бурения)
• надежность и долговечность
• высокие показатели эффективности (СОР) в осенний и весенний периоды

Недостатки ТН:

• Значительное снижение СОР при низких температурах (до 1,2)
• Необходимость оттаивания внешнего блока (реверсивный режим)
• Невозможность эксплуатации при температуре ниже -25 С - -30 С

Такие насосы в нашем климате все же не могут выступать единственным источником отопления. Поэтому они зачастую устанавливаются (по бивалентной схеме) в связке с дополнительным отопительным оборудованием (электрический, пеллетный, твердотопливный, дизельный котел, камин с водяной рубашкой). Также они подходят для реконструкции и автоматизации старых котельных, использующие традиционные виды топлива. Это позволяет большую часть года эксплуатировать систему в автоматическом режиме (нет необходимости загружать твердое топливо или заправлять дизельное топливо), используя только мощность ТН.

Тепловой насос «рассол – вода»

Один из самых распространенных на территории Республики Беларусь. Используя статистику нашей организации 90% установленных теплонасосов, являются геотермальными. В данном случае в качестве «внешнего контура» используется недра земли. За счет этого, данные ТН обладают самым главным преимуществом перед остальным типами теплонасосов – стабильный показатель эффективности работы (СОР) вне зависимости от времени года.

По устоявшейся терминологии, внешний контур называется геотермальным.

Существуют две основные разновидности геотермального контура:

• Горизонтальный
• Вертикальный

Остановимся на каждом из них подробнее.

Горизонтальный контур

Горизонтальный контур представляет собой систему полиэтиленовых труб, уложенных под верхним слоем грунта на глубине около 1,5 – 2 м, ниже уровня промерзания. Температура в этой зоне остается положительной (от +3 до +15 С) в течение всего календарного года, достигает максимума в октябре, а минимума в мае. Площадь, занимаемая коллектором зависит площади строения, степени его утепления, размеров остекления. Так, например, для двухэтажного жилого дома площадью 200 м2, имеющего неплохое утепление, отвечающее современным нормам, под геотермальное поле придется выделить порядка четырех соток земли (400 м2). Безусловно для более точной оценки диаметра используемым труб и занимаемой площади, необходим подробный теплотехнический расчет.

Вот как выглядит монтаж горизонтального коллектора на одном из наших объектов в г. Дзержинск (Республика Беларусь):

Достоинства горизонтального коллектора:

• Более низкая стоимость по сравнению с геотермальными скважинами
• Возможность проведения работ по его устройству совместно с прокладкой других коммуникаций (водопровод, канализация)

Недостатки горизонтального коллектора:

• Большая занимаемая площадь (не ней запрещается возводить капитальные строения, асфальтировать, укладывать тротуарную плитку, необходимо обеспечить естественный доступ света и осадков)
• Отсутствие возможности обустройства при готовом ландшафтном дизайне участка
• Меньшая стабильность по сравнению с вертикальным коллектором.

Обустройство такого типа коллектора обычно осуществляется двумя способами. В первом случае на всей площади укладки снимается верхний слой грунта, толщиной 1,5-2м , выполняется раскладка труб теплообменника с заданным шагом (от 0,6 до 1,5м) и производиться обратная засыпка. Для выполнения таких работ подходит мощная техника, такая как фронтальный погрузчик, бульдозер, экскаваторы с большим вылетом стрелы и объемом ковша.

Во втором случае укладка петель грунтового контура производиться поэтапно в подготовленные траншеи, шириной от 0,6м до 1 м . Для этого подходят небольшие экскаваторы и экскаваторы - погрузчики.

Вертикальный контур

Вертикальный коллектор представляет собой скважины глубиной от 50 до 200 м и более, в которые опущены специальные устройства – геотермальные зонды . Температура в этой зоне в течение многих лет и десятилетий остается постоянной и растет с увеличением глубины. Повышение происходит в среднем на 2-5 С на каждые 100 м. Величина это характеризующая называется температурным градиентом.

Процесс монтажа вертикального коллектора на нашем объекте в п. Крыжовка, под Минском:

Изучая карты распределения температур на различных глубинах на территории РБ и города Минска в частности, можно заметить, что температура меняется от области к области, и может существенно отличаться в зависимости от местоположения. Так, например, на глубине 100 м в районе г. Светлогорск она может достигать +13 С, а в некоторых районах Витебской области на той же самой глубине не превышает +8,5 С.

Безусловно при расчете глубины бурения и проектирования размера, диаметра и прочих характеристик геотермальных зондов, необходимо учитывать этот фактор. Помимо этого, необходимо учитывать геологический состав проходимых пород. Только опираясь на эти данные можно правильно запроектировать геотермальный контур.

Как показывает практика и статистика нашей организации 99% проблем при эксплуатации ТН связано с функционированием внешнего контура, при чем эта проблема проявляется не сразу после ввода в эксплуатацию оборудования. И этому есть объяснение, так при неправильном расчете геоконтура (например, на территории Витебской области, где как мы помним геотермальный градиент является одним из самых низких в Республике) , его первоначальная работа не вызывает нареканий, однако с течением времени толща земли «выхолаживается», нарушается термодинамический баланс и начинаются неприятности, при чем проблема может возникнуть только на второй - третий отопительный сезон. Менее проблемно выглядит переразмеренный контур, но заказчик вынужден оплачивать не нужные метры бурения из-за некомпетентности подрядчика, что неумолимо ведет к удорожанию всего проекта.

Особенно критичным к изучению недр земли нужно относиться при строительстве больших коммерческих объектов, где количество скважин исчисляется десятками, и сэкономленные (либо растраченные) средства на их устройство, могут быть очень значительными.

Тепловой насос «вода - вода»

Одной из разновидностей геотермального источника тепла могут быть подземные воды. Они имеют постоянную температуру (от +7 С и выше), и в значительном количестве залегают на различных глубинах на территории РБ. По технологии, подземные воды поднимаются центробежным насосом из скважины и поступают на станцию тепломассообмена, где передают энергию антифризу нижнего контура теплового насоса. Эффективность работы данной системы зависит от уровня залегания грунтовых вод (в зависимости от глубины подъема, требуется определенная мощность помпы), расстояния от заборной скважины до станции обмена. Эта технология имеет один из самых высоких показателей COP, однако имеет ряд особенностей, ограничивающих ее применение.

Среди них:

• Отсутствие подземных вод, либо низкий уровень их залегания;
• Отсутствие постоянного дебета скважины, понижение статического и динамического уровней;
• Необходимость учитывать солевой состав и загрязненность (при не надлежащем качестве воды, происходит засорение теплообменника, снижаются показатели производительности)
• Необходимость устройства дренажного колодца для сброса значительных объемов отработавшей воды (от 2200 л/ч и более)

Как показывает практика, установка таких систем целесообразна, если в непосредственной близости имеется водоем или река. Отработавшую воду, также можно использовать в хозяйственных и промышленных целях, например, для полива, или организации искусственных водоемов.

Что качается качества заборной воды то, например, немецкий производитель альтернативных отопительных систем Stiebel Eltron рекомендует следующие параметры: общая доля железа и магния не более 0,5 мг/л, содержание хлоридов менее 300 мг/л, отсутствие осаждаемых веществ . При превышении этих параметров необходимо установка дополнительной системы очистки - станции подготовки и обессоливания, что повышает материалоемкость проекта.

Буровые работы для теплового насоса.

Исходя из опыта монтажа и эксплуатации геотермальных агрегатов, мы рекомендуем бурить скважины не менее 100м. Практика показывает, что лучшие показатели эффективности и стабильности тепловой машины, будет наблюдаться, например, для двух скважин по 150 м, чем для трех по 100м . Безусловно, для обустройства таких шахт требуется специальная техника и роторный метод производства бурения. Малогабаритные шнековые установки не способны обеспечить нужной длины скважин.

Так как, геотермальный контур является важнейшей составляющей, и правильность его обустройства является залогом успешного функционирования всей системы, то подрядчик, осуществляющих бурение должен соответствовать ряду критериев:

• обязательно иметь опыт производства подобного вида услуг;
• иметь специальный инструмент для погружения зондов;
• давать гарантию погружения зонда на проектную глубину и гарантировать его целостность и герметичность в процессе производства работ;
• после погружения проводить мероприятия по тампонированию скважины для увеличения ее теплообмена и производительности, зачеканить ствол шахты до обратной засыпки.

В целом, при правильном проектировании и квалифицированном монтаже, геотермальные зонды очень надежны, и способны Вам прослужить до 100 лет.

Процесс опускания геотермального зонда в пробуренную скважину:

Геотермальный зонд на станине, перед проведением проверки на герметичность («опрессовки» давлением):

Выводы

Исходя из нашего опыта в устройстве систем альтернативной энергетики, мы можем выделить основные факты, которые являются основополагающими при выборе нашими Заказчиками тепловых насосов:

• полная безопасность и экологичность (отсутствую процессы горения и движущие части)
• возможность «сегодня» заказать систему и через три недели наслаждаться ее использованием без каких-либо согласований с контролирующими и разрешительными органами .
• Полная автономность и минимальное техническое обслуживание (нет необходимости состоять в газовом кооперативе, зависеть от него; не надо подбрасывать дрова или проводить ежемесячную чистку воздуховодов, организовывать подъезд топливозаправщика и прочее)
• Стоимость участка для строительства индивидуального дома без подведенного газа значительно ниже и срок сдачи жилья не зависит от газовых служб
• Возможность удаленного управления через интернет
• Передовое и инновационное оборудование стильного исполнения, которое не стыдно показать друзьям и знакомым, что безусловно подчеркивает статус домовладельца.

Если в данной статье мы не затронули какие-то вопросы и вы хотите задать их лично – вы можете приехать к нам в офис по адресу: г. Минск, ул. Одоевского, 117, компания ООО «Нова Грос» и проконсультироваться у наших инженеров.

Так же, у нас есть возможность организовать бесплатное посещение уже реализованных функционирующих объектов.

Контактные телефон для связи: 044 765 29 58; 017 399 70 51

Имея в своем доме холодильники и кондиционеры, мало кто знает - принцип работы теплового насоса реализован именно в них.

Около 80% мощности, которую дает тепловой насос, приходится на тепло окружающей среды в виде рассеянного солнечного излучения. Именно его насос просто «перекачивает» с улицы в дом. Работа теплового насоса подобна принципу работы холодильника, вот только направление переноса тепла иное.

Проще говоря…

Чтобы охладить бутылку минеральной воды, Вы ее ставите в холодильник. Холодильник должен «забрать» у бутылки часть тепловой энергии и, согласно закону сохранения энергии, ее куда-то переместить, отдать. Холодильник переносит теплоту на радиатор, обычно расположенный на задней его стенке. При этом радиатор нагревается, отдавая свое тепло в помещение. Фактически он отапливает помещение. Это особенно заметно в маленьких минимаркетах летом, при нескольких включенных холодильниках в помещении.

Предлагаем пофантазировать. Предположим, что мы будем постоянно подкладывать теплые предметы в холодильник, а он будет, охлаждая их, нагревать воздух в помещении. Пойдем на «крайности»… Расположим холодильник в оконном проеме открытой дверкой «морозилки» наружу. Радиатор холодильника будет находиться в помещении. В процессе работы холодильник будет охлаждать воздух на улице, перенося в помещение «забранную» теплоту. Так и работает тепловой насос, забирая рассредоточенное тепло у окружающей среды и перенося его в помещение.

Где насос берет тепло?

Принцип работы теплового насоса базируется на «эксплуатации» естественных низкопотенциальных источников тепла из окружающей среды.

Ими могут быть:

• просто наружный воздух;
• тепло водоемов (озер, морей, рек);
• тепло грунта, грунтовых вод (термальных и артезианских).

Как устроен тепловой насос и система отопления с ним?

Тепловой насос интегрирован в систему отопления, которая состоит из 2-х контуров + третий контур - система самого насоса. По внешнему контуру циркулирует незамерзающий теплоноситель, который забирает на себя тепло из окружающего пространства.

Попадая в тепловой насос, точнее его испаритель, теплоноситель отдает в среднем от 4 до 7 °C хладагенту теплового насоса. А его температура кипения составляет -10 °C. Вследствие этого хладагент закипает с последующим переходом в газообразное состояние. Теплоноситель внешнего контура, уже охлажденный уходит на следующий «виток» по системе для набора температуры.

В составе функционального контура теплового насоса «числятся»:

• испаритель;
• компрессор (электрический);
• капилляр;
• конденсатор;
• хладагент;
• терморегулирующее управляющее устройство.

Процесс выглядит приблизительно так!

«Закипевший» в испарителе хладагент по трубопроводу поступает в компрессор, работающих от электроэнергии. Этот «трудяга» сжимает газообразный хладагент до высокого давления, что, соответственно, приводит к повышению его температуры.

Теперь уже горячий газ далее попадает во другой теплообменник, который называется конденсатором. Здесь тепло хладагента передается воздуху помещения или теплоносителю, который циркулирует по внутреннему контуру системы отопления.

Хладагент остывает, одновременно переходя в состояние жидкости. Затем он проходит через капиллярный редукционный клапан, где «теряет» давление и вновь попадает в испаритель.

Цикл замкнулся и готов к повтору!

Приблизительный расчет теплопроизводительности установки

В течении часа по внешнему коллектору через насос протекает до 2,5-3 м 3 теплоносителя, который земля способна нагреть на ∆t = 5-7 °C.

Для расчета тепловой мощности такого контура воспользуйтесь формулой:

Q = (T_1 — T_2)*V_тепл

V_тепл - объемный расход теплоносителя в час (м^3/час);

T_1 — T_2 - разница температур на входе и входе (°C) .

Разновидности тепловых насосов

По типу используемого вида рассеянного тепла различают тепловые насосы:

• грунт-вода (используют закрытые грунтовые контуры или глубокие геотермальные зонды и водяную систему отопления помещения);
• вода-вода (используют открытые скважины для забора и сброса грунтовых вод - внешний контур не закольцованный, внутренняя система отопления - водяная);
• вода-воздух (использование внешних водяных контуров и системы отопления воздушного типа);
• (использование рассеянного тепла внешних воздушных масс в комплекте с воздушной системой отопления дома).

Преимущества и достоинства тепловых насосов

Экономичная эффективность. Принцип работы теплового насоса базируется не на производстве, а на переносе (транспортировке) тепловой энергии, то можно утверждать, что его КПД больше единицы. Что за чушь? - скажете Вы.В теме тепловых насосов фигурирует величина - коэффициент преобразования (трансформации) тепла (КПТ). Именно по этому параметру сравнивают между собой агрегаты подобного типа. Его физический смысл – показать отношение полученного количества теплоты к величине, затраченной для этого, энергии. К примеру, при КПТ = 4,8 затраченная насосом электроэнергия в 1кВт позволит получить с его помощью 4,8 кВт тепла безвозмездно, то есть даром от природы.

Универсальная повсеместность применения. Даже при отсутствии доступных линий электропередач работа компрессора теплового насоса может быть обеспечена дизельным приводом. А «природное» тепло есть в любом уголке планеты - тепловой насос «голодным» не останется.

Экологическая чистота использования. В тепловом насосе отсутствуют продукты горения, а его малое энергопотребление меньше «эксплуатирует» электростанции, косвенно снижая вредные выбросы от них. Хладагент, используемый в тепловых насосах, озонобезопасен и не содержит хлоруглеродов.

Двунаправленный режим работы. Тепловой насос может в зимнее время обогревать помещение, а в летнее - охлаждать. Отобранную из помещения «теплоту» можно использовать эффективно, например, подогревать воду в бассейне или в системе ГВС.

Безопасность эксплуатации. В принципе работы теплового насоса Вы не рассмотрите опасных процессов. Отсутствие открытого огня и вредных опасных для человека выделений, низкая температура теплоносителей делают тепловой насос «безобидным», но полезным бытовым прибором.

Некоторые нюансы эксплуатации

Эффективное использование принципа работы теплового насоса требует соблюдения нескольких условий:

• помещение, которое обогревается должно быть хорошо утеплено (теплопотери до 100 Вт/м 2) - иначе, забирая тепло с улицы, будете греть улицу за свои же деньги;
• тепловые насосы выгодно применять для низкотемпературных систем отопления. Под такие критерии отлично подходят системы теплый пол (35-40 °C). Коэффициент преобразования тепла существенно зависит от соотношения температур входного и выходного контуров.

Подытожим сказанное!

Суть принципа работы теплового насоса не в производстве, а в переносе тепла. Это позволяет получить высокий коэффициент (от 3 до 5) преобразования тепловой энергии. Проще говоря, каждый использованный 1 кВт электроэнергии «перенесет» в дом 3-5 кВт тепла. Еще что-то нужно говорить?

К концу XIX века появились мощные холодильные установки, которые могли перекачать тепла как минимум вдвое больше, чем тратилось энергии на приведение их в действие. Это был шок, ведь формально выходило, что тепловой вечный двигатель возможен! Однако при внимательном рассмотрении выяснилось, что до вечного двигателя по-прежнему далеко, а низкопотенциальное тепло, добытое с помощью теплового насоса, и высокопотенциальное тепло, получаемое, например, при сжигании топлива, - это две большие разницы. Правда, соответствующая формулировка второго начала была несколько видоизменена. Так что же такое тепловые насосы? В двух словах, тепловой насос - это современный и высокотехнологичный прибор для отопления и кондиционирования воздуха. Тепловой насос собирает тепло с улицы или из земли и направляет в дом.

Принцип работы теплового насоса

Принцип работы теплового насоса прост: за счёт механической работы либо других видов энергии он обеспечивает концентрацию тепла, ранее равномерно распределённого по некоторому объёму, в одной части этого объёма. В другой части, соответственно, образуется дефицит тепла, то есть холод.

Исторически тепловые насосы впервые начали широко применяться в качестве холодильников - по сути, любой холодильник представляет собой тепловой насос, перекачивающий тепло из холодильной камеры наружу (в комнату или на улицу). Никакой альтернативы этим устройствам до сих пор нет, и при всём многообразии современной холодильной техники базовый принцип остаётся прежним: откачка тепла из холодильной камеры за счёт дополнительной внешней энергии.

Естественно, практически сразу же обратили внимание на то, что заметный нагрев теплообменника конденсатора (у бытового холодильника он обычно выполнен в виде чёрной панели или решётки на задней стенке шкафа) можно было бы использовать и для обогрева. Это уже была идея обогревателя на основе теплового насоса в её современном виде - холодильник наоборот, когда тепло закачивается в замкнутый объём (помещение) из неограниченного внешнего объёма (с улицы). Однако в этой области конкурентов у теплового насоса полно - начиная с традиционных дровяных печей и каминов и заканчивая всевозможными современными отопительными системами. Поэтому многие годы, пока топливо было относительно дешёвым, эта идея рассматривалась как не более чем курьёз, - в большинстве случаев она была абсолютно невыгодна экономически, и лишь крайне редко такое использование было оправдано - обычно для утилизации тепла, откачиваемого мощными холодильными установками в странах с не слишком холодным климатом. И только со стремительным ростом цен на энергоносители, усложнением и удорожанием отопительного оборудования и относительным удешевлением на этом фоне производства тепловых насосов, такая идея становится экономически выгодной сама по себе, - ведь заплатив один раз за довольно сложную и дорогую установку, затем можно будет постоянно экономить на сокращённом расходе топлива. Тепловые насосы являются основой набирающих популярность идей когенерации - одновременной выработки тепла и холода - и тригенерации - выработки сразу тепла, холода и электричества.

Поскольку тепловой насос является сутью любой холодильной установки, то можно сказать, что понятие «холодильная машина» - его псевдоним. Правда, следует иметь в виду, что несмотря на универсальность используемых принципов работы, конструкции холодильных машин всё-таки ориентированы именно на выработку холода, а не тепла - например, вырабатываемый холод концентрируется в одном месте, а получаемое тепло может рассеиваться в нескольких разных частях установки, потому что в обычном холодильнике стоит задача не утилизировать это тепло, а просто избавиться от него.

Классы тепловых насосов

В настоящее время наиболее широко применяются два класса тепловых насосов. К одному классу можно отнести термоэлектрические на эффекте Пельтье, а к другому - испарительные, которые, в свою очередь подразделяются на механические компрессорные (поршневые или турбинные) и абсорбционные (диффузионные). Кроме того, постепенно возрастает интерес к использованию в качестве тепловых насосов вихревых труб, в которых работает эффект Ранка.

Тепловые насосы на эффекте Пельтье

Элемент Пельтье

Эффект Пельтье заключается в том, что при подаче на две стороны специально подготовленной полупроводниковой пластины небольшого постоянного напряжения, одна сторона этой пластины нагревается, а другая - охлаждается. Вот, в общем-то, и готов термоэлектрический тепловой насос!

Физическая суть эффекта состоит в следующем. Пластина элемента Пельтье (он же «термоэлектрический элемент», англ. Thermoelectric Cooler, TEC), состоит из двух слоёв полупроводника с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При переходе электрона под действием внешнего напряжения в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника, он должен приобрести энергию. При получении им этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников (при протекании тока в обратном направлении происходит обратный эффект - место контакта слоёв нагревается дополнительно к обычному омическому нагреву).

Достоинства элементов Пельтье

Достоинством элементов Пельтье является максимальная простота их конструкции (что может быть проще пластины, к которой припаяны два проводка?) и полное отсутствие каких-либо движущихся частей, а также внутренних потоков жидкостей или газов. Следствием этого является абсолютная бесшумность работы, компактность, полное безразличие к ориентации в пространстве (при условии обеспечения достаточного теплоотвода) и очень высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам. Да и рабочее напряжение составляет лишь несколько вольт, поэтому для работы вполне достаточно нескольких батареек или автомобильного аккумулятора.

Недостатки элементов Пельтье

Главным недостатком термоэлектрических элементов является их относительно невысокая эффективность - ориентировочно можно считать, что на единицу перекачанного тепла им потребуется вдвое больше подведённой внешней энергии. То есть, подведя 1 Дж электрической энергии, из охлаждаемой области мы сможем удалить лишь 0.5 Дж тепла. Понятно, что все суммарные 1.5 Дж выделятся на «тёплой» стороне элемента Пельтье и их надо будет отвести во внешнюю среду. Это во много раз ниже эффективности компрессионных испарительныхтепловых насосов.

На фоне столь низкого КПД обычно уже не так важны остальные недостатки, - а это небольшая удельная производительность в сочетании с высокой удельной стоимостью.

Использование элементов Пельтье

В соответствии с их особенностями, основная область применения элементов Пельтье в настоящее время обычно ограничивается случаями, когда требуется не очень сильно охладить что-либо не слишком мощное, особенно в условиях сильной тряски и вибраций и при жёстких ограничениях по массе и габаритам, - например, различные узлы и детали электронной аппаратуры, прежде всего военной, авиационной и космической. Пожалуй, самое широкое распространение в быту элементы Пельтье получили в маломощных (5..30 Вт) переносных автомобильных холодильниках.

Испарительные компрессионные тепловые насосы

Схема рабочего цикла испарительного компрессионного теплового насоса

Принцип работы этого класса тепловых насосов заключается в следующем. Газообразный (полностью или частично) хладагент сжимается компрессором до давления, при котором он может превратиться в жидкость. Естественно, при этом он нагревается. Нагретый сжатый хладагент подаётся в радиатор конденсатора, где охлаждается до температуры окружающей среды, отдавая ей излишнее тепло. Это зона нагрева (задняя стенка кухонного холодильника). Если на входе конденсатора значительная часть сжатого горячего хладагента ещё оставалась в виде пара, то при понижении температуры в ходе теплообмена она также конденсируется и переходит в жидкое состояние. Относительно охлаждённый жидкий хладагент подаётся в расширительную камеру, где, проходя через дроссель или детандер, теряет давление, расширяется и испаряется, по крайней мере частично переходя в газообразную форму, и, соответственно, охлаждается, - существенно ниже температуры окружающей среды и даже ниже температуры в зоне охлаждения теплового насоса. Проходя по каналам панели испарителя, холодная смесь жидкого и парообразного теплоносителя отбирает тепло из зоны охлаждения. За счёт этого тепла продолжает испаряться оставшаяся жидкой часть хладагента, поддерживая стабильно низкую температуру испарителя и обеспечивая эффективный отбор тепла. После этого хладагент в виде пара добирается до входа компрессора, который откачивает и вновь сжимает его. Затем всё повторяется сначала.

Таким образом, на «горячем» участке компрессор-конденсатор-дроссель хладагент находится под высоким давлением и преимущественно в жидком состоянии, а на «холодном» участке дроссель-испаритель-компрессор давление низкое, а хладагент в основном находится в парообразном состоянии. И сжатие, и разрежение создаются одним и тем же компрессором. С противоположной от компрессора стороны тракта зоны высокого и низкого давления разделяет дроссель, ограничивающий поток хладагента.

В мощных промышленных холодильниках в качестве хладагента используется ядовитый, но эффективный аммиак, производительные турбокомпрессоры и иногда детандеры. В бытовых холодильниках и кондиционерах хладагентом обычно являются более безопасные фреоны, а вместо турбоагрегатов используются поршневые компрессоры и «капиллярные трубки» (дроссели).

В общем случае изменение агрегатного состояния хладагента необязательно - принцип будет рабочим и для постоянно газообразного хладагента, - однако большая теплота изменения агрегатного состояния многократно повышает эффективность рабочего цикла. Но вот если хладагент будет всё время находиться в жидком виде, эффекта не будет принципиально - ведь жидкость практически несжимаема, а потому ни повышение, ни снятие давления не изменят её температуру..

Дроссели и детандеры

Многократно употребляемые на этой странице термины «дроссель» и «детандер» обычно мало что говорят людям, далёким от холодильной техники. Поэтому следует сказать пару слов об этих устройствах и основном различии между ними.

Дросселем в технике называется устройство, предназначенное для нормирования потока за счёт его принудительного ограничения. В электротехнике это название закрепилось за катушками, призванными ограничить скорость нарастания тока и обычно применяемыми для защиты электросхем от импульсных помех. В гидравлике дросселями, как правило, называют ограничители потока, представляющие собой специально созданные сужения канала с точно рассчитанным (калиброванным) просветом, обеспечивающим нужный поток или необходимое сопротивление потоку. Классическим примером таких дросселей являются жиклёры, широко использовавшиеся в карбюраторных двигателях для обеспечения расчётного поступления бензина при подготовке топливной смеси. Дроссельная заслонка в тех же карбюраторах нормировала поток воздуха - второго необходимого ингредиента этой смеси.

В холодильной технике дроссель используется для ограничения потока хладагента в расширительную камеру и поддержания там условий, необходимых для эффективного испарения и адиабатического расширения. Слишком большой поток может вообще привести к заполнению расширительной камеры хладагентом (компрессор просто не успеет откачать его) или, по крайней мере, к потере там необходимого разрежения. А ведь именно испарение жидкого хладагента и адиабатическое расширение его паров обеспечивает необходимое для работы холодильника падение температуры хладагента ниже температуры окружающей среды.

Принципы работы дросселя (слева), поршневого детандера (в центре) и турбодетандера (слева).

В детандере расширительная камера несколько модернизирована. В ней испаряющийся и расширяющийся хладагент дополнительно совершает механическую работу, перемещая находящийся там поршень или вращая турбину. При этом ограничение потока хладагента может осуществляться за счёт сопротивления поршня или колеса турбины, хотя на деле это обычно требует очень тщательного подбора и согласования всех параметров системы. Поэтому и при использовании детандеров основное нормирование потока может осуществляться дросселем (калиброванным сужением канала подачи жидкого хладагента).

Турбодетандер эффективен лишь при больших потоках рабочего тела, при малом потоке его эффективность близка к обычному дросселированию. Поршневой детандер может эффективно работать с гораздо меньшим расходом рабочего тела, однако конструкция его на порядок сложнее турбины: помимо самого поршня со всеми необходимыми направляющими, уплотнениями и системой возврата, требуются впускные и выпускные клапаны с соответствующим управлением ими.

Преимуществом детандера перед дросселем является более эффективное охлаждение за счёт того, что часть тепловой энергии хладагента превращается в механическую работу и в такой форме отводится из теплового цикла. Более того, эта работа затем может быть использована с пользой для дела, скажем, для привода насосов и компрессоров, как это сделано в «холодильнике Зысина». Зато простой дроссель имеет абсолютно примитивную конструкцию и не содержит ни одной движущейся детали, а потому по надёжности, долговечности, а также простоте и себестоимости изготовления оставляет детандер далеко позади. Именно эти причины обычно ограничивают область применения детандеров мощной криогенной техникой, а в бытовых холодильниках используются менее эффективные, зато практически вечные дроссели, называемые там «капиллярными трубками» и представляющие собой простую медную трубку достаточно большой длины с просветом малого диаметра (обычно от 0.6 до 2 мм), которая обеспечивает необходимое гидравлическое сопротивление для расчётного потока хладагента.

Достоинства компрессионных тепловых насосов

Главное достоинство этого типа тепловых насосов - их высокая эффективность, самая высокая среди современных тепловых насосов. Соотношение подведённой извне и перекачанной энергии у них может достигать 1:3 - то есть на каждый джоуль подведённой энергии из зоны охлаждения будет откачано 3 Дж тепла - сравните с 0.5 Дж у элементов Пельте! При этом компрессор может стоять отдельно, и выработанное им тепло (1 Дж) необязательно отводить во внешнюю среду в том же месте, где отдаются 3 Дж тепла, откачанные из зоны охлаждения.

Кстати, существует отличающаяся от общепринятой, но весьма любопытная и убедительная теория термодинамических явлений. Так вот, один из её выводов заключается в том, что работа по сжатию газа в принципе может составлять лишь порядка 30% от его общей энергии. А это означает, что соотношение подведённой и перекачанной энергии 1:3 соответствует теоретическому пределу и при термодинамических методах перекачки тепла не может быть улучшено в принципе. Впрочем, некоторые производители уже заявляют о достижении соотношения 1:5 и даже 1:6, и это соответствует действительности - ведь в реальных холодильных циклах используется не просто сжатие газообразного хладагента, но и изменение его агрегатного состояния, и именно последний процесс является главным...

Недостатки компрессионных тепловых насосов

К недостаткам этих тепловых насосов можно отнести, во-первых, само наличие компрессора, неизбежно создающего шум и подверженного износу, а во-вторых, необходимость использования специального хладагента и соблюдение абсолютной герметичности на всём его рабочем пути. Впрочем, бытовые компрессионные холодильники, непрерывно работающие по 20 лет и более без какого-либо ремонта, - совсем не редкость. Ещё одна особенность - довольно высокая чувствительность к положению в пространстве. На боку или вверх ногами вряд ли заработает и холодильник, и кондиционер. Но это связано с особенностями конкретных конструкций, а не с общим принципом работы.

Как правило, компрессионные тепловые насосы и холодильные установки проектируются в расчёте на то, что на входе компрессора весь хладагент находится в парообразном состоянии. Поэтому попадание на вход компрессора большого количества неиспарившегося жидкого хладагента может вызвать в нём гидравлический удар и, как результат, серьёзную поломку агрегата. Причиной такой ситуации может быть как износ аппаратуры, так и слишком низкая температура конденсатора - поступающий в испаритель хладагент слишком холодный и испаряется слишком вяло. Для обычного холодильника такая ситуация может возникнуть, если пытаться его включить в очень холодном помещении (например, при температуре около 0°С и ниже) либо если он только что внесён в нормальное помещение с мороза. Для работающего на обогрев компрессионного теплового насоса это может случится, если пытаться отогреть им промороженное помещение при том, что на улице тоже холодно. Не очень сложные технические решения устраняют эту опасность, но они удорожают конструкцию, а при штатной эксплуатации массовой бытовой техники в них нет нужды - такие ситуации не возникают.

Использование компрессионных тепловых насосов

В силу своей высокой эффективности именно этот тип тепловых насосов получил практически повсеместное распространение, вытеснив все остальные в различные экзотические области применения. И даже относительная сложность конструкции и её чувствительность к повреждениям не могут ограничить их широкое использование - почти на каждой кухне стоит компрессионный холодильник или морозильник, а то и не один!

Испарительные абсорбционные (диффузионные) тепловые насосы

Рабочий цикл испарительных абсорбционных тепловых насосов весьма схож с рабочим циклом испарительных компрессионных установок, рассмотренных чуть выше. Главное различие заключается в том, что если в предыдущем случае разрежение, необходимое для испарения хладагента, создаётся при механическом отсосе паров компрессором, то в абсорбционных агрегатах испарившийся хладагент поступает из испарителя в блок абсорбера, где поглощается (абсорбируется) другим веществом - абсорбентом. Тем самым пар удаляется из объёма испарителя и там восстанавливается разрежение, обеспечивающее испарение новых порций хладагента. Необходимым условием является такое «сродство» хладагента и абсорбента, чтобы силы их связывания при поглощении смогли создать существенное разрежение в объёме испарителя. Исторически первой и до сих широко используемой парой веществ является аммиак NH3 (хладагент) и вода (абсорбент). При поглощении пары аммиака растворяются в воде, проникая (диффундируя) в её толщу. От этого процесса произошли альтернативные названия таких тепловых насосов - диффузионные или абсорбционно-диффузионные.
Для того чтобы вновь разделить хладагент (аммиак) и абсорбент (воду), отработавшую и богатую аммиаком водо-аммиачную смесь нагревают в десорбере внешним источником тепловой энергии вплоть до кипения, затем несколько охлаждают. Первой конденсируется вода, но при высокой температуре сразу после конденсации она способна удержать очень мало аммиака, поэтому основная часть аммиака остаётся в виде пара. Здесь находящиеся под давлением жидкую фракцию (воду) и газообразную (аммиак) разделяют и по отдельности охлаждают до температуры окружающей среды. Остывшая вода с малым содержанием аммиака направляется в абсорбер, а аммиак при охлаждении в конденсаторе становится жидким и поступает в испаритель. Там давление падает, и аммиак испаряется, снова охлаждая испаритель и забирая извне тепло. Затем вновь соединяют пары аммиака с водой, удаляя из испарителя излишки аммиачных паров и поддерживая там низкое давление. Обогащённый аммиаком раствор опять направляется в десорбер на разделение. В принципе, для десорбции аммиака кипятить раствор не обязательно, достаточно просто нагреть его близко к температуре кипения, и «лишний» аммиак улетучится из воды. Но кипячение позволяет провести разделение наиболее быстро и эффективно. Качество такого разделения является главным условием, определяющим разрежение в испарителе, а стало быть, эффективность работы абсорбционного агрегата, и многие ухищрения в конструкции направлены именно на это. В результате, по организации и количеству стадий рабочего цикла абсорбционно-диффузионные тепловые насосы, пожалуй, являются наиболее сложными из всех распространённых типов подобного оборудования.

«Изюминкой» принципа работы является то, что для выработки холода здесь используется нагрев рабочего тела (вплоть до его кипения). При этом вид источника нагрева непринципиален, - это может быть даже открытый огонь (пламя горелки), поэтому использование электричества необязательно. Для создания необходимой разности давлений, обуславливающей движение рабочего тела, иногда могут использоваться механические насосы (обычно в мощных установках при больших объёмах рабочего тела), а иногда, в частности в бытовых холодильниках, - элементы без подвижных частей (термосифоны).

Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат (АДХА) холодильника «Морозко-ЗМ».1 - теплообменник;2 - сборник раствора;3 - аккумулятор водорода;4 - абсорбер;5 - регенеративный газовый теплообменник;6 - дефлегматор («обезжиживатель»); 7 - конденсатор;8 - испаритель; 9 - генератор;10 - термосифон; 11 - регенератор;12 - трубки слабого раствора; 13 - пароотводящая трубка;14 - электронагреватель; 15 - термоизоляция.

Первые абсорбционные холодильные машины (АБХМ) на аммиачно-водяной смеси появились во второй половине XIX века. В быту из-за ядовитости аммиака они тогда большого распространения не получили, но весьма широко использовались в промышленности, обеспечивая охлаждение вплоть до –45°С. В одноступенчатых АБХМ теоретически максимальная холодопроизводительность равна количеству затраченного на нагрев тепла (реально, конечно, заметно меньше). Именно этот факт подкреплял уверенность защитников той самой формулировки второго начала термодинамики, о которой говорилось в начале этой страницы. Однако сейчас и абсорбционные тепловые насосы преодолели это ограничение. В 1950-х годах появились более эффективные двухступенчатые (два конденсатора или два абсорбера) бромистолитиевые АБХМ (хладагент - вода, абсорбент - бромид лития LiBr). Трёхступенчатые варианты АБХМ запатентованы в 1985-1993 годах. Их образцы-прототипы по эффективности превосходят двухступенчатые на 30–50% и приближаются к массовым моделям компрессионных установок.

Достоинства абсорбционных тепловых насосов

Главное достоинство абсорбционных тепловых насосов - это возможность использовать для своей работы не только дорогое электричество, но и любой источник тепла достаточной температуры и мощности - перегретый или отработанный пар, пламя газовых, бензиновых и любых других горелок - вплоть до выхлопных газов и даровой солнечной энергии.

Второе достоинство этих агрегатов, особенно ценное в бытовых применениях, - это возможность создания конструкций, не содержащих движущихся деталей, а потому практически бесшумных (в советских моделях этого типа иногда можно было услышать тихое бульканье или лёгкое шипение, но, конечно, это не идёт ни в какое сравнение с шумом работающего компрессора).

Наконец, в бытовых моделях рабочее тело (обычно это водо-аммиачная смесь с добавлением водорода или гелия) в используемых там объёмах не представляет большой опасности для окружающих даже в случае аварийной разгерметизации рабочей части (это сопровождается весьма неприятной вонью, так что не заметить сильную утечку невозможно, и помещение с аварийным агрегатом придётся покинуть и проветрить «автоматически»; сверхмалые же концентрации аммиака естественны и абсолютно безвредны). В промышленных установках объёмы аммиака велики и концентрация аммиака при утечках может быть смертельной, но в любом случае аммиак числится экологически безопасным, - считается, что в отличии от фреонов он не разрушает озоновый слой и не вызывает парниковый эффект.

Недостатки абсорбционных тепловых насосов

Главный недостаток этого типа тепловых насосов - более низкая эффективность по сравнению с компрессионными.

Второй недостаток - сложность конструкции самого агрегата и довольно высокая коррозионная нагрузка от рабочего тела, либо требующая использования дорогих и труднообрабатываемых коррозионно-стойких материалов, либо сокращающая срок службы агрегата до 5..7 лет. В результате стоимость «железа» получается заметно выше, чем у компрессионных установок той же производительности (прежде всего это касается мощных промышленных агрегатов).

В-третьих, многие конструкции весьма критичны к размещению при установке - в частности, некоторые модели бытовых холодильников требовали установки строго горизонтально, и уже при отклонении на несколько градусов отказывались работать. Использование принудительного перемещения рабочего тела с помощью помп в значительной степени снимает остроту этой проблемы, но подъём бесшумным термосифоном и слив самотёком требуют очень тщательного выравнивания агрегата.

В отличии от компрессионных машин абсорбционные не так боятся слишком низких температур - просто их эффективность снижается. Но я недаром поместил этот абзац в раздел недостатков, потому что это не значит, что они могут работать в лютую стужу - на морозе водный раствор аммиака банально замёрзнет в отличие от используемых в компрессионных машинах фреонов, температура замерзания которых обычно ниже –100°C. Правда, если лёд ничего не порвёт, то после оттаивания абсорбционный агрегат продолжит работу, даже если его всё это время не отключали из сети, - ведь механических насосов и компрессоров в нём нет, а мощность подогрева в бытовых моделях достаточно мала, чтобы кипение в районе нагревателя не стало слишком интенсивным. Впрочем, всё это уже зависит от особенностей конкретной конструкции...

Использование абсорбционных тепловых насосов

Несмотря на несколько меньшую эффективность и относительно более высокую стоимость по сравнению с компрессионными установками, применение абсорбционных тепловых машин абсолютно оправдано там, где нет электричества или где есть большие объёма бросового тепла (отработанный пар, горячие выхлопные или дымовые газы и т.п. - вплоть досолнечного нагрева). В частности, выпускаются специальные модели холодильников, работающие от газовых горелок, предназначенные для путешественников-автомобилистов и яхтсменов.

В настоящее время в Европе газовые котлы иногда заменяют абсорбционными тепловыми насосами с нагревом от газовой горелки или от солярки - они позволяют не только утилизировать теплоту сгорания топлива, но и «подкачивать» дополнительное тепло с улицы или из глубины земли!

Как показывает опыт, в быту вполне конкурентоспособны и варианты с электронагревом, прежде всего в диапазоне малых мощностей - где-то от 20 и до 100 Вт. Меньшие мощности - вотчина термоэлектрических элементов, а при бóльших пока безусловны преимущества компрессионных систем. В частности, среди советских и пост-советских марок холодильников этого типа были популярны «Морозко», «Север», «Кристалл», «Киев» с типичным объёмом холодильной камеры от 30 до 140 литров, хотя существуют и модели на 260 литров («Кристалл-12»). Кстати, оценивая потребление энергии, стоит учитывать тот факт, что компрессионные холодильники почти всегда работают в коротко-периодическом режиме, а абсорбционные обычно включаются на гораздо более длительный срок или вообще работают непрерывно. Поэтому, даже если номинальная мощность нагревателя будет гораздо меньше мощности компрессора, соотношение среднесуточного потребления энергии может быть совсем другим.

Вихревые тепловые насосы

Вихревые тепловые насосы используют для разделения теплого и холодного воздухаэффект Ранка. Суть эффекта заключается в том, что газ, тангенциально подаваемый в трубу на высокой скорости, внутри этой трубы закручивается и разделяется: из центра трубы можно отбирать охлаждённый газ, а с периферии - нагретый. Этот же эффект, хотя и в гораздо меньшей степени, действует и для жидкостей.

Достоинства вихревых тепловых насосов

Главное достоинство этого типа тепловых насосов - простота конструкции и большая производительность. Вихревая труба не содержит движущихся деталей, и это обеспечивает ей высокую надёжность и долгий срок службы. Вибрация и положение в пространстве практически не оказывают влияния на её работу.

Мощный поток воздуха хорошо предотвращает обмерзание, а эффективность вихревых труб слабо зависит от температуры входного потока. Очень важно и практическое отсутствие принципиальных температурных ограничений, связанных с переохлаждением, перегревом или замерзанием рабочего тела.

В некоторых случаях играет свою роль возможность достижения рекордно высокого температурного разделения на одной ступени: в литературе приводятся цифры охлаждения на 200° и более. Обычно одна ступень охлаждает воздух на 50..80°С.

Недостатки вихревых тепловых насосов

К сожалению, эффективность этих устройств в настоящее время заметно уступает эффективности испарительных компрессионных установок. Кроме того, для эффективной работы они требуют высокой скорости подачи рабочего тела. Максимальная эффективность отмечается при скорости входного потока, равной 40..50% от скорости звука - такой поток сам по себе создаёт немало шума, а кроме того, требует наличия производительного и мощного компрессора - устройства тоже отнюдь не тихого и довольно капризного.

Отсутствие общепризнанной теории этого явления, пригодной для практического инженерного использования, делает конструирование таких агрегатов занятием во многом эмпирическим, где результат сильно зависит от удачи: «угадал - не угадал». Более-менее надёжный результат даёт только воспроизведение уже созданных удачных образцов, а результаты попыток существенного изменения тех или иных параметров не всегда предсказуемы и иногда выглядят парадоксальными.

Использование вихревых тепловых насосов

Тем не менее, в настоящее время использование таких устройств расширяется. Они оправданы в первую очередь там, где уже есть газ под давлением, а также на различных пожаро- и взрывоопасных производствах - ведь подать в опасную зону поток воздуха под давлением зачастую гораздо безопаснее и дешевле, чем тянуть туда защищённую электропроводку и ставить электродвигатели в специальном исполнении.

Пределы эффективности тепловых насосов

Почему же тепловые насосы до сих пор не получили широкого распространения для обогрева (пожалуй, единственный относительно распространённый класс таких устройств - это кондиционеры с инвертором)? Причин этому несколько, и помимо субъективных, связанных с отсутствием традиций обогрева с помощью этой техники, есть и объективные, главные среди которых - обмерзание теплоотборника и относительно узкий диапазон температур для эффективной работы.

В вихревых (прежде всего газовых) установках проблем переохлаждения и обмерзания обычно нет. Они не используют изменение агрегатного состояния рабочего тела, а мощный поток воздуха выполняет функции системы «No Frost». Однако эффективность их намного меньше, чем у испарительных тепловых насосов.

Переохлаждение

В испарительных тепловых насосах высокая эффективность обеспечивается за счёт изменения агрегатного состояния рабочего тела - перехода из жидкости в газ и обратно. Соответственно, этот процесс возможен в относительно узком интервале температур. При слишком высоких температурах рабочее тело всегда останется газообразным, а при слишком низких - будет испаряться с большим трудом или вообще замёрзнет. В результате при выходе температуры за рамки оптимального диапазона наиболее энергоэффективный фазовый переход становится затруднённым или вовсе исключается из рабочего цикла, и КПД компрессионной установки существенно падает, а если хладагент останется постоянно жидким, то она вообще работать не будет.

Обмерзание

Отбор тепла из воздуха

Даже если температуры всех блоков теплового насоса остаются в нужных рамках, во время работы блок для отбора тепла - испаритель - всегда покрывается каплями влаги, конденсирующимися из окружающего воздуха. Но жидкая вода стекает с него сама по себе, не особо препятствуя теплообмену. Когда же температура испарителя становится слишком низкой, капли конденсата замерзают, а вновь конденсирующаяся влага сразу превращается в иней, который так и остаётся на испарителе, постепенно образуя толстую снеговую «шубу» - именно это происходит в морозилке обычного холодильника. В результате эффективность теплообмена существенно снижается, и тогда приходится останавливать работу и оттаивать испаритель. Как правило, в испарителе холодильника температура понижается на 25..50°С, а в кондиционерах в связи с их спецификой температурный перепад поменьше - 10..15°С.Зная это, становится понятно, почему большинство кондиционеров не удастся настроить на температуру ниже +13..+17°С - этот порог установлен их конструкторами во избежание обледенения испарителя, ведь режим его оттаивания обычно не предусматривается. Это же является одной из причин, по которой практически все кондиционеры с инверторным режимом не работают даже при не очень больших отрицательных температурах - лишь в самое последнее время стали появляться модели, рассчитанные на работу при морозах до–25°C. В большинстве случаев уже при –5..–10°C затраты энергии на оттаивание становятся сравнимы с количеством закачанной с улицы теплоты, и перекачка тепла с улицы оказывается неэффективной, особенно если влажность наружного воздуха близка к 100%, - тогда внешний теплоотборник покрывается льдом особенно быстро.

Отбор тепла из грунта и воды

В связи с этим в качестве незамерзающего источника «холодного тепла» для тепловых насосов в последнее время всё шире рассматривается тепло из земных глубин. При этом имеются в виду отнюдь не разогретые слои земной коры, находящиеся на многокилометровой глубине, и даже не геотермальные водные источники (хотя, если повезёт и они окажутся рядом, было бы глупо пренебречь таким подарком судьбы). Имеется в виду «обычное» тепло слоёв грунта, расположенных на глубине от 5 до 50 метров. Как известно, в средней полосе грунт на таких глубинах имеет температуру порядка +5°С, которая очень мало меняется в течении всего года. В более южных районах эта температура может достигать +10°С и выше. Таким образом, перепад температур между комфортной +25°С и грунтом вокруг теплоотборника весьма стабилен и не превышает 20°С независимо от мороза за окном (следует отметить, что обычно температура на выходе теплового насоса составляет +50..+60°С, но и перепад температур в 50°С вполне по силам для тепловых насосов, включая современные бытовые холодильники, спокойно обеспечивающие в морозилке –18°С при температуре в комнате выше +30°С).

Тем не менее, если закопать один компактный, но мощный теплообменник, вряд ли удастся достичь желаемого эффекта. По сути теплоотборник в этом случае выступает в роли испарителя морозильной камеры, и если в месте, где он размещён, нет мощного притока тепла (геотермального источника или подземной реки), он быстро заморозит окружающий грунт, на чём вся откачка тепла и закончится. Решением может быть отбор тепла не из одной точки, а равномерно с большого подземного объёма, однако стоимость строительства теплоотборника, охватывающего на немалой глубине тысячи кубометров грунта, скорее всего сделает это решение абсолютно невыгодным экономически. Менее затратный вариант - бурение нескольких скважин с интервалом в несколько метров друг от друга, как это было сделано в экспериментальном подмосковном «активном доме», но и это недёшево - каждый, кто делал у себя скважину для воды, может самостоятельно прикинуть затраты на создание геотермального поля хотя бы из десятка 30-метровых скважин. Кроме того, постоянный отбор тепла, хоть и менее сильный, чем в случае компактного теплообменника, всё равно снизит температуру грунта вокруг теплоотборников по сравнению с исходной. Это приведёт к уменьшению эффективности работы теплового насоса при его длительной эксплуатации, причём период стабилизации температуры на новом уровне может занять несколько лет, в течение которых условия извлечения тепла будут ухудшаться. Впрочем, можно попытаться частично компенсировать зимние потери тепла его усиленной закачкой на глубину в летнюю жару. Но даже не учитывая дополнительные затраты энергии на эту процедуру, польза от неё будет не слишком большой - теплоёмкость грунтового теплоаккумулятора разумных размеров достаточно ограничена, и на всю русскую зиму её явно не хватит, хотя такой запас тепла всё же лучше, чем ничего. Кроме того, здесь очень большое значение имеет уровень, объём и скорость течения грунтовых вод - обильно увлажнённый грунт с достаточно высокой скоростью течения воды не позволит сделать «запасы на зиму» - протекающая вода унесёт закачанное тепло с собой (даже мизерное перемещение грунтовых вод на 1 метр в сутки всего за неделю снесёт запасённое тепло в сторону на 7 метров, и оно окажется вне рабочей зоны теплообменника). Правда, то же течение грунтовых вод будет снижать степень остывания грунта зимой - новые порции воды принесут новое тепло, полученное ими вдали от теплообменника. Поэтому, если рядом есть глубокое озеро, большой пруд или река, никогда не промерзающие до дна, то лучше не копать грунт, а поместить относительно компактный теплообменник в водоём - в отличие от неподвижного грунта даже в непроточном пруду или озере конвекция свободной воды способна обеспечить гораздо более эффективный подвод тепла к теплоотборнику со значительного объёма водоёма. Но здесь необходимо убедиться, что теплообменник ни при каких условиях не переохладится до точки замерзания воды и не начнёт намораживать лёд, поскольку разница между конвекционным теплообменом в воде и теплопередачей ледяной шубы огромна (в то же время теплопроводность замёрзшего и незамёрзшего грунта часто отличается не так уж сильно, и попытка использовать огромную теплоту кристаллизации воды в грунтовом теплоотборе при определённых условиях может себя оправдать).

Принцип действия геотермального теплового насоса основан на сборе тепла из почвы или воды, и передаче в систему отопления здания. Для сбора тепла незамерзающая жидкость течет по трубе, расположенной в почве или водоеме возле здания, к тепловому насосу. Тепловой насос, подобно холодильнику, охлаждает жидкость (отбирает тепло), при этом жидкость охлаждается приблизительно на 5 °С. Жидкость снова течет по трубе в наружном грунте или воде, восстанавливает свою температуру, и снова поступает к тепловому насосу. Отобранное тепловым насосом тепло передается системе отопления и/или на подогрев горячей воды.

Возможно отбирать тепло у подземной воды - подземная вода с температурой около 10 °С подается из скважины к тепловому насосу, который охлаждает воду до +1...+2°С, и возвращает воду под землю. Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус двести семьдесят три градуса Цельсия - так называемый "абсолютный ноль".

То есть тепловой насос может отобрать тепло у любого предмета - земли, водоема, льда, скалы и т.д. Если же здание, например летом, нужно охлаждать (кондиционировать), то происходит обратный процесс - тепло забирается из здания и сбрасывается в землю (водоем). Тот же тепловой насос может работать зимой на отопление, а летом на охлаждение здания. Очевидно, что тепловой насос может греть воду для горячего бытового водоснабжения, кондиционировать через фанкойлы, греть бассейн, охлаждать, например ледовый каток, подогревать крыши и дорожки от льда...
Одно оборудование может выполнить все функции по тепло-холодоснабжению здания.