Посібник з читання
Теплові насоси сьогодні в моді, особливо в Європі, де деякі країни працюють над забороною встановлення печей і котлів, які працюють на викопному паливі, на користь більш екологічних варіантів, зокрема енергоефективних теплових насосів. (Печі нагрівають повітря та розподіляють його по трубах по всьому будинку, тоді як бойлери нагрівають воду для забезпечення гарячої води або опалення парою.) Цього року уряд США почав пропонувати податкові пільги для встановлення теплових насосів, які, як правило, коштують дорожче, ніж традиційні печі. але вони набагато ефективніші в довгостроковій перспективі.
У сфері транспортних засобів з новою енергією, оскільки ємність акумулятора обмежена, це також спонукало галузь звернутися до теплових насосів. Тож, можливо, настав час швидко дізнатися, що таке теплові насоси та що вони роблять.
Який тип теплового насоса найпоширеніший?
З огляду на останній шум, ви можете бути здивовані, дізнавшись, що ви вже використовуєте aтепловий насос- у вас, ймовірно, є більше ніж один у вашому домі та більше ніж один у вашому автомобілі. Ви просто не називаєте їх тепловими насосами: ви використовуєте терміни «холодильник» або «кондиціонер».
Насправді ці машини є тепловими насосами, що означає, що вони переміщують тепло з відносно холодного місця у відносно гаряче. Тепло спонтанно переходить від гарячого до холодного. Але якщо ви хочете перетворити його з холодного на гаряче, його потрібно «накачати». Найкращою аналогією тут є вода, яка сама стікає з пагорба, але її потрібно накачати на пагорб.
Коли ви перекачуєте тепло, яке міститься в якомусь холодильному сховищі (повітря, вода тощо), у гаряче сховище, холодне сховище стає холоднішим, а гаряче – гарячішим. Це, власне, те, про що ваш холодильник або кондиціонер – він переносить тепло з непотрібного місця в інше місце, і вас не хвилює, якщо ви витрачаєте трохи додаткового тепла.
Як зробити практичний чиллер з тепловим насосом?
Ключове розуміння, яке далотеплові насоси прийшло на початку 19 століття, коли ряд винахідників, у тому числі Джейкоб Перкінс, зрозуміли, що вони можуть охолоджувати щось таким чином, не витрачаючи летких рідин, які випаровуються для досягнення охолодження. Замість того, щоб викидати ці пари в атмосферу, стверджували вони, було б краще зібрати їх, сконденсувати в рідину та повторно використовувати цю рідину як охолоджувач.
Для цього потрібні холодильники та кондиціонери. Вони випаровують рідкі холодоагенти та використовують холодну пару для поглинання тепла зсередини холодильника чи автомобіля. Потім вони стискають газ, який конденсується назад у рідку форму. Ця рідина тепер гарячіша, ніж на початку, тому частина тепла, яке вона утримує, може легко (можливо, за допомогою вентилятора) витікати в навколишнє середовище - будь то на вулиці чи в іншому місці на кухні.
Тим не менш, ви добре знайомі з тепловими насосами; Просто ви постійно називаєте їх кондиціонерами та холодильниками.
А тепер проведемо ще один уявний експеримент. Якщо у вас є віконний кондиціонер, ви можете навіть зробити це як справжній експеримент. Встановити назад. Тобто встановіть його елементи управління за вікном. Робіть це в прохолодну суху погоду. Що станеться?
Як і слід було очікувати, він задуває холодне повітря у ваш двір і виділяє тепло у ваш будинок. Таким чином, він все ще транспортує тепло, роблячи ваш дім комфортнішим завдяки його нагріванню. Звичайно, це охолоджує повітря на вулиці, але цей ефект стає мінімальним, коли ви перебуваєте подалі від Windows.
Тепер у вас є тепловий насос для опалення вашого будинку. Це може бути не найкращимтепловий насос, але це буде працювати. Більше того, коли настане літо, ви також можете перевернути його догори дном і використовувати як кондиціонер.
Звичайно, не робіть цього насправді. Якщо ви спробуєте, він, безсумнівно, вийде з ладу під час першого дощу і потрапляння води в контролер. Замість цього ви можете придбати комерційний тепловий насос із джерелом повітря, який використовує той самий принцип для опалення вашого будинку.
Проблема, звичайно, в тому, що горілка дорога, і її швидко закінчиться, щоб охолодити вино. Навіть якщо ви заміните горілку більш дешевим спиртом, ви незабаром будете скаржитися на витрати.
Деякі з цих пристроїв мають так звані реверсивні клапани, які дозволяють тому самому пристрою виконувати подвійну роль: вони можуть перекачувати тепло ззовні всередину або зсередини назовні, забезпечуючи як тепло, так і кондиціювання повітря, як описано нижче.
Чому теплові насоси ефективніші за електричні обігрівачі?
Теплові насоси є більш ефективними, ніж електричні обігрівачі, оскільки їм не потрібна електроенергія для виробництва тепла. Електроенергія, яку використовує aтепловий насосгенерує деяку кількість тепла, але, що важливіше, він перекачує тепло ззовні у ваш дім. Співвідношення тепла, що виділяється в будинок, до енергії, що надходить до електричного компресора, називається коефіцієнтом корисної дії, або COP.
Простий електричний обігрівач, який забезпечує все тепло, що виділяється електричним нагрівальним елементом, має COP 1. З іншого боку, COP теплового насоса може бути на порядок вищим.
Однак COP теплового насоса не є фіксованим значенням. Вона обернено пропорційна різниці температур між двома резервуарами, в які закачується тепло. Тим не менш, якщо ви перекачуєте тепло з не надто холодного резервуара в не надто гарячу будівлю, COP буде великим значенням, що означає, що ваш тепловий насос дуже ефективно використовує електроенергію. Але якщо ви спробуєте перекачати тепло з надзвичайно холодного резервуара у вже теплу будівлю, значення COP зменшиться, що означає, що ефективність страждає.
Результат – це те, чого ви інтуїтивно очікуєте: найкраще використовувати найтепліше, що тільки можете знайти, як відкритий тепловий резервуар.
Повітряні теплові насоси, які використовують зовнішнє повітря як резервуар тепла, є найгіршим варіантом у цьому відношенні, оскільки зовнішнє повітря дуже холодне протягом зимового опалювального сезону. Ще кращими є ґрунтові теплові насоси (також відомі як геотермальні теплові насоси), оскільки навіть взимку ґрунт на середній глибині все ще досить теплий.
Яке найкраще джерело тепла для теплових насосів?
Проблема з наземним джереломтеплові насосиполягає в тому, що вам потрібен спосіб отримати доступ до цього прихованого резервуару тепла. Якщо у вас достатньо місця навколо вашого будинку, ви можете вирити канави та закопати купу труб на прийнятній глибині, наприклад, на глибині кількох метрів. Потім ви можете циркулювати рідину (зазвичай суміш води та антифризу) через ці труби, щоб поглинати тепло від землі. Крім того, ви можете просвердлити глибокі отвори в землі і встановити в ці отвори вертикально труби. Але все це обійдеться дорого.
Ще одна стратегія, доступна для небагатьох щасливчиків, — це видобуток тепла з сусідньої водойми, занурюючи трубу у воду на певну глибину. Вони називаються водяними тепловими насосами. Деякі теплові насоси використовують більш незвичайну стратегію вилучення тепла з повітря, що виходить з будівлі, або від сонячної гарячої води.
У дуже холодному кліматі, якщо це можливо, доцільно встановити ґрунтовий тепловий насос. Можливо, саме тому більшість теплових насосів у Швеції (яка має одну з найбільших теплових насосів на душу населення) цього типу. Але навіть у Швеції є великий відсоток повітряних теплових насосів, що спростовує поширене твердження (принаймні в 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 ви зіткнетеся з рішенням про те, як опалювати свій будинок, подумайте про використання теплового насоса замість традиційної печі чи котла.
Час публікації: 19 жовтня 2023 р