Посібник з читання
Теплові насоси зараз дуже популярні, особливо в Європі, де деякі країни працюють над забороною встановлення печей та котлів на викопному паливі на користь більш екологічних варіантів, включаючи енергоефективні теплові насоси. (Печі нагрівають повітря та розподіляють його трубами по всьому будинку, тоді як котли нагрівають воду для забезпечення гарячої води або парового опалення.) Цього року уряд США почав пропонувати податкові пільги для встановлення теплових насосів, які, як правило, коштують дорожче на початковому етапі, ніж традиційні печі, але є набагато ефективнішими в довгостроковій перспективі.
У сфері транспортних засобів на нових джерелах енергії обмежена ємність акумуляторів також спонукала галузь звернутися до теплових насосів. Тож, можливо, настав час швидко дізнатися, що означають теплові насоси та для чого вони потрібні.
Який найпоширеніший тип теплового насоса?
З огляду на нещодавній ажіотаж, ви можете бути здивовані, дізнавшись, що вже використовуєтетепловий насос- у вас, ймовірно, їх більше одного вдома і більше одного в машині. Ви просто не називаєте їх тепловими насосами: ви використовуєте терміни «холодильник» або «кондиціонер».
Фактично, ці машини є тепловими насосами, що означає, що вони переміщують тепло з відносно холодного місця до відносно гарячого. Тепло спонтанно перетікає від гарячого до холодного. Але якщо ви хочете перетворити його з холодного на гаряче, вам потрібно його «перекачати». Найкращою аналогією тут є вода, яка сама стікає з пагорба, але її потрібно перекачувати вгору по пагорбу.
Коли ви перекачуєте тепло, що міститься в якомусь холодильному накопичувачі (повітря, вода тощо), до гарячого накопичувача, холодний накопичувач стає холоднішим, а гарячий — гарячішим. Власне, саме для цього і призначений ваш холодильник або кондиціонер — він переміщує тепло з місця, де воно не потрібне, кудись ще, і вам байдуже, якщо ви витратите трохи зайвого тепла.
Як зробити практичний чилер з тепловим насосом?
Ключове розуміння, яке призвелотеплові насоси з'явилося на початку 19 століття, коли низка винахідників, зокрема Джейкоб Перкінс, зрозуміли, що можуть охолоджувати щось таким чином, не витрачаючи леткі рідини, які випаровувалися для досягнення охолодження. Замість того, щоб викидати ці пари в атмосферу, вони стверджували, що краще зібрати їх, конденсувати в рідину та повторно використовувати цю рідину як охолоджувач.
Саме для цього існують холодильники та кондиціонери. Вони випаровують рідкі холодоагенти та використовують холодну пару для поглинання тепла зсередини холодильника або автомобіля. Потім вони стискають газ, який конденсується назад у рідку форму. Ця рідина тепер гарячіша, ніж була спочатку, тому частина тепла, яке вона утримує, може легко (можливо, за допомогою вентилятора) потрапити в навколишнє середовище – чи то на вулицю, чи деінде на кухні.
Тим не менш: ви дуже добре знайомі з тепловими насосами; просто ви постійно називаєте їх кондиціонерами та холодильниками.
А тепер давайте проведемо ще один уявний експеримент. Якщо у вас віконний кондиціонер, ви можете навіть провести його як справжній експеримент. Встановіть його навпаки. Тобто, встановіть його елементи керування зовні вікна. Робіть це в прохолодну, суху погоду. Що станеться?
Як і слід було очікувати, він дме холодним повітрям у ваш двір і виділяє тепло у вашому будинку. Тож він все ще транспортує тепло, роблячи ваш дім комфортнішим, обігріваючи його. Звичайно, він охолоджує повітря зовні, але цей ефект стає мінімальним, коли ви відходите від вікон.
Тепер у вас є тепловий насос для опалення вашого будинку. Можливо, це не найкращий варіант.тепловий насос, але він працюватиме. Більше того, коли настане літо, ви також зможете перевернути його догори дном і використовувати як кондиціонер.
Звісно, насправді цього не робіть. Якщо ви спробуєте, він безсумнівно вийде з ладу при першому ж дощі, і вода потрапить у контролер. Натомість ви можете придбати собі комерційний тепловий насос типу "повітря-вода", який використовує той самий принцип для опалення вашого будинку.
Проблема, звичайно, полягає в тому, що горілка дорога, і вона швидко закінчиться, щоб охолодити вино. Навіть якщо ви заміните горілку дешевшим спиртом, ви незабаром будете скаржитися на витрати.
Деякі з цих пристроїв мають так звані реверсивні клапани, які дозволяють одному й тому ж пристрою виконувати подвійну роль: вони можуть перекачувати тепло ззовні всередину або зсередини назовні, забезпечуючи як опалення, так і кондиціонування повітря, як описано нижче.
Чому теплові насоси ефективніші за електричні обігрівачі?
Теплові насоси ефективніші за електричні обігрівачі, оскільки їм не потрібна електроенергія для вироблення тепла. Електроенергія, що використовуєтьсятепловий насоссправді генерує певну кількість тепла, але що ще важливіше, він перекачує тепло ззовні у ваш будинок. Співвідношення тепла, що виділяється в будинок, до енергії, що подається на електричний компресор, називається коефіцієнтом перетворення, або COP.
Простий електричний обігрівач, який забезпечує все тепло, що генерується електричним нагрівальним елементом, має коефіцієнт перетворення енергії (COP) 1. З іншого боку, COP теплового насоса може бути на порядок вищим.
Однак, коефіцієнт перетворення (COP) теплового насоса не є фіксованою величиною. Він обернено пропорційний різниці температур між двома резервуарами, в які перекачується тепло. Тим не менш, якщо ви перекачуєте тепло з не надто холодного резервуара до не надто гарячої будівлі, значення COP буде великим, а це означає, що ваш тепловий насос дуже ефективно використовує електроенергію. Але якщо ви спробуєте перекачати тепло з надзвичайно холодного резервуара до вже теплої будівлі, значення COP зменшиться, а це означає, що страждає ефективність.
Результат такий, як ви інтуїтивно очікуєте: найкраще використовувати найтепліше, що ви можете знайти, як зовнішній резервуар тепла.
Теплові насоси типу «повітря-вода», які використовують зовнішнє повітря як резервуар тепла, є найгіршим варіантом у цьому плані, оскільки зовнішнє повітря дуже холодне протягом зимового опалювального сезону. Ще кращими є геотермальні теплові насоси (також відомі як геотермальні теплові насоси), оскільки навіть взимку земля на середній глибині все ще досить тепла.
Яке найкраще джерело тепла для теплових насосів?
Проблема з наземним джереломтеплові насосиполягає в тому, що вам потрібен спосіб отримати доступ до цього закопаного резервуара тепла. Якщо у вас достатньо місця навколо будинку, ви можете викопати канави та закопати купу труб на розумній глибині, наприклад, на кілька метрів. Потім ви можете циркулювати рідину (зазвичай суміш води та антифризу) через ці труби, щоб поглинати тепло з землі. Або ж ви можете просвердлити глибокі отвори в землі та встановити труби вертикально в ці отвори. Однак все це буде дорого.
Ще одна стратегія, доступна небагатьом щасливчикам, полягає в тому, щоб витягувати тепло з найближчої водойми, зануривши трубу у воду на певну глибину. Такі теплові насоси називаються тепловими насосами вода-вода. Деякі теплові насоси використовують більш незвичайну стратегію витягування тепла з повітря, що виходить з будівлі, або з сонячної гарячої води.
У дуже холодному кліматі має сенс встановити геотермальний тепловий насос, якщо це можливо. Ймовірно, саме тому більшість теплових насосів у Швеції (яка має одну з найбільших кількості теплових насосів на душу населення) є саме такого типу. Але навіть у Швеції великий відсоток теплових насосів повітря-вода, що спростовує поширене твердження (принаймні у Сполучених Штатах), що теплові насоси підходять лише для опалення будинків у м’якому кліматі.
Тож, де б ви не були, якщо ви можете дозволити собі вищі початкові витрати, наступного разу, коли вам доведеться вирішувати, як опалювати свій будинок, подумайте про використання теплового насоса замість традиційної печі чи котла.
Час публікації: 19 жовтня 2023 р.