Руководство по чтению
Тепловые насосы в наши дни в моде, особенно в Европе, где некоторые страны работают над запретом установки печей и котлов на ископаемом топливе в пользу более экологичных вариантов, включая энергоэффективные тепловые насосы. (Печи нагревают воздух и распределяют его по трубам по всему дому, а котлы нагревают воду для горячего водоснабжения или парового отопления.) В этом году правительство США начало предлагать налоговые льготы за установку тепловых насосов, которые, как правило, стоят дороже традиционных печей, но в долгосрочной перспективе оказываются гораздо более эффективными.
В сфере новых энергетических транспортных средств ограниченная ёмкость аккумуляторов также побудила отрасль обратиться к тепловым насосам. Возможно, пришло время поскорее узнать, что такое тепловые насосы и как они работают.
Какой тип теплового насоса наиболее распространён?
Учитывая недавнюю шумиху, вы можете быть удивлены, узнав, что вы уже используететепловой насос— у вас, вероятно, есть несколько таких насосов дома и несколько в машине. Просто вы не называете их тепловыми насосами, а используете термины «холодильник» или «кондиционер».
По сути, эти устройства являются тепловыми насосами, то есть переносят тепло из относительно холодного места в относительно теплое. Тепло самопроизвольно перетекает от горячего к холодному. Но чтобы превратить его из холодного в теплое, нужно «перекачать». Лучшая аналогия здесь — вода, которая сама стекает с холма, но её нужно перекачивать наверх.
Когда вы перекачиваете тепло, содержащееся в каком-либо холодном хранилище (воздухе, воде и т. д.), в горячее хранилище, холодное хранилище становится холоднее, а горячее — горячее. Именно в этом и заключается предназначение вашего холодильника или кондиционера: он переносит тепло из ненужного места в другое, и вам неважно, что вы теряете немного тепла.
Как сделать практичный охладитель с тепловым насосом?
Ключевое понимание, которое привело ктепловые насосы Это произошло в начале XIX века, когда ряд изобретателей, включая Джейкоба Перкинса, поняли, что можно охлаждать предметы таким образом, не тратя впустую летучие жидкости, которые испарялись при охлаждении. Они утверждали, что вместо того, чтобы выбрасывать эти пары в атмосферу, лучше собирать их, конденсировать в жидкость и использовать её повторно в качестве хладагента.
Именно для этого и предназначены холодильники и кондиционеры. Они испаряют жидкий хладагент и используют холодный пар для поглощения тепла из холодильника или автомобиля. Затем они сжимают газ, который конденсируется обратно в жидкость. Эта жидкость теперь горячее, чем была изначально, поэтому часть накопленного ею тепла может легко (возможно, с помощью вентилятора) выйти наружу – будь то на улицу или в другое место на кухне.
Тем не менее: вы очень хорошо знакомы с тепловыми насосами; просто вы продолжаете называть их кондиционерами и холодильниками.
А теперь давайте проведём ещё один мысленный эксперимент. Если у вас есть оконный кондиционер, вы можете провести его как настоящий эксперимент. Установите его наоборот. То есть, установите его органы управления за окном. Делайте это в прохладную, сухую погоду. Что произойдёт?
Как и ожидалось, он нагнетает холодный воздух во двор и нагревает дом. Таким образом, он продолжает переносить тепло, делая дом более комфортным за счёт обогрева. Конечно, он охлаждает воздух снаружи, но этот эффект становится минимальным, как только вы отходите от окон.
Теперь у вас есть тепловой насос для обогрева дома. Возможно, это не лучший вариант.тепловой насос, но он будет работать. Более того, летом его можно перевернуть и использовать как кондиционер.
Конечно, не делайте этого на самом деле. Если вы попытаетесь, система, несомненно, выйдет из строя при первом же дожде и попадании воды в контроллер. Вместо этого вы можете приобрести коммерческий тепловой насос, работающий по тому же принципу и обогревающий ваш дом.
Проблема, конечно, в том, что водка дорогая, и она быстро закончится, чтобы охладить вино. Даже если вы замените водку более дешёвым медицинским спиртом, вы вскоре начнёте жаловаться на дороговизну.
Некоторые из этих устройств имеют так называемые реверсивные клапаны, которые позволяют одному и тому же устройству выполнять двойную функцию: оно может перекачивать тепло снаружи внутрь или изнутри наружу, обеспечивая как отопление, так и кондиционирование воздуха, как описано ниже.
Почему тепловые насосы эффективнее электрических обогревателей?
Тепловые насосы более эффективны, чем электрические обогреватели, поскольку им не требуется электричество для выработки тепла. Электричество, потребляемоетепловой насосКонечно, он генерирует некоторое количество тепла, но, что ещё важнее, он перекачивает тепло извне в ваш дом. Отношение количества тепла, выделяемого в доме, к энергии, передаваемой электрическому компрессору, называется коэффициентом полезного действия (КПД).
Простой электрический обогреватель, который обеспечивает все тепло, вырабатываемое электрическим нагревательным элементом, имеет КПД, равный 1. С другой стороны, КПД теплового насоса может быть на порядок выше.
Однако КПД теплового насоса не является фиксированной величиной. Он обратно пропорционален разнице температур между двумя резервуарами, в которые перекачивается тепло. При этом, если перекачивать тепло из не слишком холодного резервуара в не слишком жаркое здание, КПД будет большим, что означает высокую эффективность использования электроэнергии тепловым насосом. Однако, если попытаться перекачать тепло из очень холодного резервуара в уже теплое здание, КПД снизится, что приведет к снижению эффективности.
Результат тот, которого вы интуитивно ожидаете: лучше всего использовать в качестве наружного резервуара тепла самое теплое, что вы сможете найти.
Воздушные тепловые насосы, использующие наружный воздух в качестве накопителя тепла, являются в этом отношении наихудшим вариантом, поскольку в зимний отопительный сезон наружный воздух очень холодный. Ещё лучше — грунтовые тепловые насосы (также известные как геотермальные тепловые насосы), поскольку даже зимой земля на средних глубинах остаётся довольно тёплой.
Какой источник тепла лучше всего подходит для тепловых насосов?
Проблема с наземным источникомтепловые насосызаключается в том, что вам нужен способ доступа к этому скрытому резервуару тепла. Если у вас достаточно места вокруг дома, можно вырыть канавы и закопать несколько труб на разумной глубине, например, на несколько метров. Затем по этим трубам можно прокачивать жидкость (обычно смесь воды и антифриза) для поглощения тепла из земли. В качестве альтернативы можно пробурить глубокие скважины в земле и установить в них трубы вертикально. Однако всё это обойдется дорого.
Другой способ, доступный лишь немногим счастливчикам, — извлекать тепло из близлежащего водоёма, опуская трубу в воду на определённую глубину. Такие тепловые насосы называются водяными тепловыми насосами. Некоторые тепловые насосы используют более необычный подход: извлекают тепло из воздуха, выходящего из здания, или из солнечной воды, нагретой с помощью нагрева воды.
В условиях очень холодного климата имеет смысл, если это возможно, установить геотермальный тепловой насос. Вероятно, именно поэтому большинство тепловых насосов в Швеции (где один из самых высоких показателей тепловых насосов на душу населения) относятся к этому типу. Но даже в Швеции высока доля воздушных тепловых насосов, что опровергает распространённое утверждение (по крайней мере, в США) о том, что тепловые насосы подходят только для отопления домов в мягком климате.
Поэтому, где бы вы ни находились, если вы можете позволить себе более высокие первоначальные расходы, в следующий раз, когда перед вами встанет вопрос о том, как отапливать свой дом, рассмотрите возможность использования теплового насоса вместо традиционной печи или котла.
Время публикации: 19 октября 2023 г.