В 1940-х годах изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер прикоснулся к горячей трубе на выходе из холодильной камеры и задумался о том, что это тепло можно было бы использовать для нагрева воды. Он удлинил трубопроводы, которые отводят тепло из морозилки и поместил их в емкость с холодной водой.
Таким образом ему удалось обеспечить себя и свою семью горячей водой. Позднее он понял, что излишки тепла можно использовать еще и для обогрева собственного дома. Для этого он стал пропускать нагретую воду по трубе через змеевик, позади которого изобретатель разместил вентилятор.
Так у Вебера получилось решить сразу несколько проблем: охлаждать продукты, а полученное при этом тепло использовать для нагрева воды и отопления. Но одной морозилки было недостаточно для обогрева всего дома, поэтому изобретателю пришла еще одна идея – собирать тепло из недр земли прямо перед его домом.
Вебер знал, что на большой глубине земля хранит в себе накопленную энергию солнца. Поэтому он вкопал в землю медные трубы, заполненные солевым раствором. Этого было достаточно, чтобы нагревать трубы на несколько градусов. Так Вебер впервые применил на практике устройство, получившее название тепловой насос. Старая угольная печь его семье больше не понадобилась.
Принцип работы
Основное отличие теплового насоса от традиционных способов отопления в том, что энергия тратится не на прямой нагрев теплоносителя, а на перекачку и «умножение» тепла из окружающей среды.
Для передачи тепла здесь используется второй закон термодинамики, в основе которого лежит тезис: тепло всегда передается от более нагретого тела к менее нагретому.
Проще всего понять, как работает тепловой насос, если представить себе обычный холодильник. Только наоборот.
Современный тепловой насос состоит из трех независимых контуров:
- первый контур – незамерзающая жидкость для отбора тепла из природных источников;
- второй контур – хладагент, жидкость, которая кипит и испаряется даже при отрицательных температурах;
- третий контур – замкнутая система отопления.
Трубопроводы с незамерзающим раствором, температура которого должна быть ниже используемого тепла земли, воздуха или воды, подводят к окружающей среде. Для этого перед домом бурят глубокую скважину и опускают внутрь трубопроводы в виде петли.
Если позволяет площадь земельного участка, можно размещать трубы в виде горизонтального грунтового коллектора.
Если рядом с домом расположено озеро или пруд, можно использовать тепловую энергию воды. В этом случае трубы первого контура укладывают в водоем в виде горизонтального кольцевого коллектора.
Поглощая тепло из земли/воды, трубы возвращаются в дом, нагреваясь на несколько градусов и отдают тепло во внутренний контур теплового насоса, который заполнен хладагентом.
Получая тепло в теплообменнике-испарителе, хладагент закипает и превращается в пар, а затем в газообразном состоянии передается в компрессор, который сжимает его пары, тем самым нагревая его до температуры 50-60 градусов. Здесь можно вспомнить, как нагревается корпус велосипедного насоса, когда накачивают колесо. Атомы воздуха, которые отталкиваются от поршня внутри насоса, движутся вниз с большей скоростью, чем те, что движутся ему навстречу. А температура — есть ничто иное, как скорость движения молекул. Чем активнее движение, тем выше температура.
После этого нагретый и сжатый до горячего состояния хладагент отдает свое тепло системе отопления дома. Проходя через теплообменник отопительного контура, хладагент остывает и снова становится жидким.
На последнем этапе жидкий хладагент проходит через дроссель, где его давление и температура дополнительно снижаются, чтобы он вновь смог забрать тепло из окружающей среды. Этот эффект вы также можете вспомнить из жизни. Когда вы распыляете краску из баллончика, его корпус становится очень холодным.
Что в итоге?
Таким образом, тепловой насос позволяет отапливать дом, используя природное тепло. Несмотря на то, что для его сбора все равно нужно затратить какую-то часть электрической энергии, тепловой насос примерно на 80% экономичнее по сравнению с традиционными источниками обогрева. Он работает в автоматическом режиме, безопасен, так как не использует открытого огня, а при его работе не выделяются вредные для человека и природы вещества.
А еще тепловой насос отлично подходит для кондиционирования воздуха в летний период. Его переключают в летний режим с помощью трехходового крана, по сути просто меняя местами функции испарителя и конденсатора.
Главное помнить, что монтаж теплового насоса лучше доверить специалистам, так как неправильная установка часто является причиной неэффективности всей системы. Кроме того, окупается тепловой насос лишь через несколько лет работы.
