П.В. Афанасьев, канд. техн. наук

Экономия ископаемых энергоресурсов и широкое использование возобновляемых источников энергии являются главными факторами, способными ослабить назревающий энергетический кризис в Украине. При этом наряду с поиском и освоением таких традиционных источников энергии, как газ, нефть и др., одним из перспективных направлений энергосбережения является использование энергии, накапливаемой в грунте, геотермальных водах, технологических выбросах и др.

Однако вследствие очень низкой температуры этих источников (обычно не превышающей 0 – 25 °С) эффективное использование их тепловой энергии возможно лишь в случае переноса этой энергии на более высокий температурный уровень, составляющий 50 – 90 °С. Практическая реализация такого переноса тепла осуществляется тепловыми насосами, принцип действия которых аналогичен принципу действия холодильника, точнее – «холодильника наоборот»: в холодильнике тепло переносится из внутренней камеры на радиатор, где оно рассеивается, а в тепловом насосе тепло из окружающей среды (грунта, водоема, воздуха и т.п.) переносится в систему отопления [1 – 4].

Хотя идея создания теплового насоса была высказана еще в 1852 году английским физиком лордом Кельвиным и реализована четыре года спустя, однако первый патент на их технологию был выдан в Швейцарии лишь в 1912 году, а первые действующие установки в Европе и США появились в 30-х годах прошлого века. Массовое использование тепловых насосов для нужд отопления и горячего водоснабжения началось в последней четверти прошлого века в связи с разразившимся мировым энергетическим кризисом [5].

Тепловые насосы, как будет показано далее, являются хорошими энергосберегающими устройствами: вырабатываемая ими экологически чистая энергия примерно в 1,5 раза дешевле энергии, получаемой от сжигания газа, в 3 – 4 раза дешевле электроэнергии, а срок службы таких насосов (практически не требующих технического обслуживания, а лишь периодической профилактики) составляет 15 – 25 лет. Эти достоинства тепловых насосов получили должную оценку в промышленно развитых странах мира, где в настоящее время количество находящихся в эксплуатации тепловых насосов превысило 30 млн. По прогнозам Мирового энергетического комитета, доля систем отопления с использованием тепловых насосов, получивших наибольшее распространение в мировом теплоснабжении, к 2020 году возрастет до 75 % [5].

Схема и технические характеристики тепловых насосов

Иллюстративная схема действия теплового насоса, получающего тепловую энергию с земной поверхности, из пробуренной в земле скважины или из водоема (озера, реки или моря), схематически показана на рис. 1, где обозначено: 1 – земляной контур, в котором циркулирует гликолевый хладагент; 2 – испаритель; 3 – компрессор, служащий для повышения давления; 4 – конденсатор; 5 – дополнительный охладительный элемент; 6 – расширительный вентиль; 7 – возврат хладагента в испаритель.

Как видно из рис. 1, в земляном контуре 1 циркулирует экологически безопасный хладагент в виде незамерзающей жидкости на основе гликоля, поглощающий тепловую энергию. Эта энергия в находящемся внутри насоса теплообменном элементе – испарителе 2 переходит к хладагенту (так как при испарении вещество поглощает тепло). Поскольку вещество имеет низкую температуру кипения, то вследствие этого оно вскипает и превращается в газ. При помощи компрессора 3 происходит увеличение давления хладагента, что вызывает увеличение его температуры. Далее в конденсаторе 4 хладагент передает тепловую энергию в систему отопления (при конденсации вещество отдает тепло). Дополнительный охладительный элемент 5 служит для того, чтобы «выжать» остаточную тепловую энергию, в результате чего хладагент переходит в жидкое состояние. В расширительном вентиле 6 давление падает; хладагент возвращается в испаритель 2, и цикл повторяется вновь.

Отметим, что в летний период холод земляного контура с температурой около +10 °C может быть использован для охлаждения помещений...

Полную версию статьи читайте в журнале