Теоретически работу тепловых насосов обосновал французский физик Сади Карно еще в 1824 году. Практическое же воплощение циклу Карно дал англичанин Вильям Томсон, лорд Кельвин, спустя 28 лет. Его «умножитель тепла», по сути, холодильник наоборот, использовал в качестве рабочего тела (хладагента) воздух, от наружного же воздуха получал тепло. Пробная модель была запущена в Швейцарии. Страна кантонов стала одним из передовиков развития новой технологии: перед Второй мировой войной здесь создали первую крупную установку мощностью 175 кВт. Теплонаносная система использовала тепло речной воды и отапливала Цюрихскую ратушу. Что немаловажно, установка стала одной из первых, способных работать в реверсивном режиме: летом она охлаждала воздух внутри ратуши. Подобные эксперименты проводились в Швейцарии, Англии, США. В 1970-ых, после мировых энергетических кризисов, тепловые установки стали особенно актуальны – началась серьезная работа по их внедрению в массовое производство. И цель была достигнута. Сегодня тепловые насосы – не просто система отопления. Они многофункциональны, что дает им фору в сравнении с любыми другими технологиями. Посудите сами: на базе тепловых насосов можно устроить и водяное отопление, и теплые полы, и подачу горячей воды, и охлаждение воздуха в квартире, и осушку подвалов… К тому же, это один из самых экологичных видов отопления. Потому и ценят тепловые насосы в развитых странах, где они пользуются огромных спросом – вот уже несколько десятилетий.

Тепловой насос — это универсальный прибор, сочетающий в себе отопительный котел, источник горячего водоснабжения и кондиционер. Основное отличие от всех остальных источников тепла заключается в исключительной возможности использовать возобновляемую низкотемпературную энергию окружающей среды на нужды отопления и нагрева воды. Эти устройства называют «тепловыми насосами», поскольку они позволяют как бы "перекачивать" тепло из низкотемпературного источника в высокотемпературный.
При производстве тепла теплонасос 80% энергии получает из окружающей среды. Таким образом, при использовании теплового насоса мы платим только за те 20% энергии, которые необходимы для работы компрессора. А остальная энергия достается нам бесплатно.

Тепловые насосы бывают разной тепловой мощности — от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Они могут работать с различными источниками тепла, находящимися в разных агрегатных состояниях. В связи с этим, их можно разделить на следующие типы: вода–вода, вода–воздух, воздух–вода, воздух–воздух. Выпускаются ТНУ, предназначенные для работы с источниками низкопотенциального тепла самых разных температур, вплоть до отрицательной. Они могут использоваться в качестве приемника высокопотенциального тепла, требующего различной температуры, даже выше 1000С. В зависимости от этого тепловые насосы можно разделить на низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные.

Тепловые насосы различаются также по техническому устройству. В этом плане можно выделить два направления: парокомпрессионные и абсорбционные ТНУ. Тепловые насосы для своей работы могут использовать и другие виды энергии, кроме электрической, например, они могут работать на различных видах топлива.

Различные комбинации видов источников низкопотенциального тепла и приемников высокопотенциального тепла дают большое разнообразие типов тепловых насосов. Вот некоторые примеры:

• ТНУ, использующий тепло грунтовых вод для отопления;
• ТНУ, использующий тепло естественного водоема для горячего водоснабжения;
• ТНУ–кондиционер воздуха, использующий морскую воду в качестве источника и приемника тепла;
• ТНУ–кондиционер воздуха, использующий наружный воздух в качестве источника и приемника тепла;
• ТНУ для нагрева воды плавательного бассейна, использующий тепло наружного воздуха;
• ТНУ, утилизирующий тепло сточных вод в системе теплоснабжения;
• ТНУ, утилизирующий тепло инженерно–технического оборудования в системе теплоснабжения;
• ТНУ для охлаждения молока и одновременно нагрева воды для горячего водоснабжения на молочных фермах;
• ТНУ для утилизации тепла от технологических процессов в первичном подогреве приточного воздуха.

Этот список можно продолжать и далее...

Большое разнообразие теплонасосной техники выпускается серийно, но тепловые насосы могут изготавливаться и по специальным проектам. Имеются экспериментальные установки, опытно–промышленные образцы, а также много теоретических разработок.

В случае, если на объекте предусматривается применение нескольких тепловых насосов, которые будут предназначены для производства как тепла, так и холода, эффективность их работы многократно возрастет, если они будут объединены в единую систему. Это так называемые кольцевые теплонасосные системы (КТНС). Такие системы целесообразно использовать на средних и крупных объектах.

Принцип работы теплового насоса отображен в цикле Карно, опубликованном в 1824 г. в его диссертации. Практическую теплонасосную систему предложил лорд Кельвин в 1852 г. под названием «умножитель тепла».

 

Рис. 1

Использование геотермальных тепловых насосов для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения здания или комплекса зданий.

В соответствии с изображенным принципом действия, тепловой насос берет тепловую энергию, перекачивает ее, и отдает в другое место.

Например, в обычном холодильнике тепло отбирается морозильной камерой из холодильника и выбрасывается в кухню, при этом задняя стенка холодильника становится горячей
В реверсивных кондиционерах, работающих на отопление, расположенный снаружи здания блок забирает тепло из воздуха и отдает внутреннему блоку в здание. Однако, при температурах около плюс пяти градусов, наружный блок кондиционера начинает покрываться инеем и льдом из конденсата воздуха, что уменьшает эффективность теплопередачи. Для удаления льда кондиционер начинает периодически отапливать наружный блок электричеством, при этом мощность отопления падает, расход электроэнергии увеличивается. При дальнейшем снижении температуры в итоге эффективность отопления на кондиционерах становится равной нулю, отопление прекращается, кондиционер останавливается.

При отоплении геотермальными теплонасосами, попросту говоря, наружный блок вкапывается в землю или погружается в озеро рядом со зданием. При этом, независимо от температуры воздуха во дворе, внешний блок остается свободным от льда, эффективность теплопередачи остается высокой.
Принцип действия отопления геотермальными тепловыми насосами основан на сборе тепла из почвы или воды, и передаче собранного тепла отоплению здания. Для сбора тепла незамерзающая жидкость течет по трубе, расположенной в почве или водоеме, к тепловому насосу. Тепловой насос, подобно холодильнику, отбирает около 8 °С у незамерзающей жидкости, при этом жидкость охлаждается. Жидкость снова течет по трубе, восстанавливает свою температуру и поступает к тепловому насосу. Отобранные тепловым насосом градусы передаются системе отопления и/или на подогрев горячей воды.
Возможно отбирать тепло у подземной воды - подземная вода с температурой

около 10 °С подается из скважины к тепловому насосу, который охлаждает воду до +1...+2°С, и возвращает воду под землю.

Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус двести семьдесят три градуса Цельсия - так называемый «абсолютный ноль». То есть тепловой насос может отобрать тепло у любого предмета - земли, водоема, льда, подземной скалы, плывуна и т.д.

В климатических условиях Украины для отопления здания энергия забирается из грунта (или водоема) и отдается в систему отопления здания. Если же здание, например, летом, нужно охлаждать (кондиционировать), то происходит обратный процесс - тепло забирается из здания и сбрасывается в землю (водоем). Тот же тепловой насос может работать зимой на отопление, а летом на охлаждение здания. Очевидно, что теплонасос одновременно может выполнять вытекающие функции - греть воду для горячего бытового водоснабжения, кондиционировать через фанкойлы, греть бассейн, охлаждать например ледовый каток, подогревать крыши и дорожки от льда... То есть одно оборудование может взять на себя все функции по тепло-холодоснабжению здания.

За последний год тепловые насосы заняли свою нишу на пока что ближайшем к нам и нашим рыночным отношениям российском климатическом рынке в числе других популярных технологий. Обсуждение достоинств и недостатков теплонасосных установок (ТНУ) проходило как на страницах отраслевой прессы, так и на тематических конференциях и круглых столах. О тепловых насосах в последнее время появилось много информации — как в русскоязычном Интернет, так и в специализированных СМИ. Тем не менее, по–прежнему крайне мало публикаций об интегрированных теплонасосных системах. Цель данной статьи — несколько восполнить этот пробел, обобщить некоторые из вопросов, возникающих у специалистов при первом знакомстве с кольцевыми теплонаносными системами, и коротко ответить на них.
Итак, про тепловые насосы известно, что это климатическое оборудование, способное утилизировать тепло окружающей среды, с помощью компрессора поднимать температуру теплоносителя до нужного уровня и передавать это тепло туда, где оно необходимо.

Извлечь из окружающей среды тепло можно почти всегда. Ведь «холодная вода» — понятие субъективное, основанное на наших ощущениях. Даже самая холодная речная вода содержит некоторое количество теплоты. Но известно, что тепло переходит только от более нагретого тела к более холодному. Тепло можно принудительно направить от холодного тела к теплому, тогда холодное тело еще больше остынет, а теплое нагреется. Используя тепловой насос, который "выкачивает" тепло из воздуха, речной воды или земли, еще более понижая их температуру, можно обогреть здание. В классическом случае считается, что, затрачивая на работу 1 кВт электроэнергии, ТНУ может произвести от 3 до 6 кВт тепловой энергии. На практике это означает, что мощностью двух–трех бытовых лампочек в зимний период можно обогреть жилую комнату средних размеров. Летом, работая в обратном режиме, тепловой насос может охлаждать воздух в помещениях здания. Тепло из здания будет удаляться, поглощаясь атмосферой, рекой или землей.

Преимущества тепловых насосов:
1.Экономичность. Позволяет получить на 1 кВт фактически затраченной энергии 3-6 кВт тепловой энергии или до 2,5 кВт мощности по охлаждению на выходе.
2.Энергосбережение. Применение тепловых насосов - это сбережение невозобновляемых энергоресурсов. Теплонасос производит тепло, черпая возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, не используя традиционные энергоносители.
3.Экологичность. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования, как для окружающей среды, так и для людей находящихся в помещении.
4.Безопасность. Нет открытого пламени, нет выхлопа, нет сажи, нет запаха солярки, исключена утечка газа, разлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута, или солярки.
5.Надежность. Минимум подвижных частей с высоким ресурсом работы. Независимость от поставки топочного материала и его качества. Защита от перебоев электроэнергии. Практически не требует обслуживания. Срок службы составляет 15-25 лет.
6.Комфорт. Тепловой насос работает бесшумно (не громче холодильника), а погодозависимая автоматика и мультизональный контроль создают желаемый микроклимат в помещениях. Использование в летний период в качестве кондиционера.
7.Универсальность. Использует (утилизирует) рассеянное тепло естественного (тепловая энергия воды, воздуха, почвы) или техногенного происхождения (тепло промышленных и сточных вод, вентиляционных труб и дымовых газов, технологических процессов и т.д.). Совместим с любой циркуляционной системой отопления и вентиляции. Современный дизайн позволяет устанавливать в любых помещениях. Широкий диапазон мощностей.

Анализ зарубежного опыта в области отопления и горячего водоснабжения показывает, что там уже достаточно давно и в настоящее время очень широко используется теплонасосная техника. Сегодня в мире работает свыше 10 млн. тепловых насосов различной мощности - от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Рынок тепловых насосов достаточно устойчив к конъюнктурным колебаниям и составляет примерно миллион продаж в год. По прогнозу Мирового Энергетического Комитета, к 2020 году в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения от тепловых насосов составит не менее 75%. Приведенные примеры свидетельствуют о том, что в мировой практике меняется стратегия теплоснабжения: происходит переход от традиционного сжигания органического топлива к использованию тепловых насосов для получения рассеянного или сбросного техногенного тепла.

В странах с более суровыми климатическими условиями целесообразно применять ТНУ двойного назначения, в которых в отопительный период теплоснабжение зданий осуществляется преимущественно от теплового насоса (80-90% годового теплопотребления), а пиковые нагрузки (при низких температурах) покрываются электрокотлами или котлами на органическом топливе.

Совершенствование ТН осуществляется по следующим направлениям:

• Совершенствование конструкций отдельных элементов: компрессора, конденсатора, испарителя, регулирующей аппаратуры и т.д.
• Оптимизация параметров термодинамических процессов в элементах установки.
• Поиск новых хладагентов, обеспечивающих высокие показатели при увеличении разности давлений в конденсаторе и испарителе, в том числе и подбор смесевых рабочих тел.

Повышение эффективности ТН, при использовании азеотропных смесей, имеющих фазовые переходы (кипение и испарение) при переменной температуре объясняется снижением потерь эксергии в конденсаторе и испарителе из-за снижения средней разности температур между потоками смеси и водой. Применение азеотропных смесей позволит увеличить теплопроизводительность ТН примерно на 30% и соответственно на 10-12%.
Кроме экономии топлива, применение ТН существенно снижает загрязнение окружающей среды:

• Внедрение ТНУ на объектах промышленного и гражданского строительства сопровождается существенным энергосберегающим и экологическим эффектами.

В зависимости от условий эксплуатации экономия топлива составляет по сравнению с котельными от 6 до 10 кг у.т. на 1 ГДж выработанного тепла или от 30 до 40% по величине КПД.

• Разработка и использование ТН в странах СНГ значительно отстает от  развития в зарубежных странах, особенно таких как США, Япония, Швеция, Норвегия. В настоящее время более 30 зарубежных фирм выпускают ТН.
• Для использования ТН в промышленности должны быть следующие предпосылки:
• Наличие «сбросной» или оборотной воды с температурой 10-400С, которая может быть использована в качестве НПИТ.
• Наличие потребителей тепла (воды) с температурой 60-80оС.
• Наличие относительно дешевой электроэнергии и дефицит топлива.
• Применение ТН целесообразно в первую очередь на тех предприятиях, на которых имеются котельные, и, во вторую очередь, на предприятиях, которые не обеспечиваются полностью теплом от ТЭЦ в силу полной загруженности последних.