В качестве альтернативного источника тепла может использоваться не только солнечная энергия, но и энергия земли. Сделать это помогут устройства, называемые тепловыми насосами. Принцип их действия, который можно назвать «холодильником наоборот», был разработан еще полтора столетия назад.

Однако лишь в начале этого века, когда цены на энергоносители резко пошли вверх, а ограниченность запасов природных ресурсов стала оче­видной, такой принцип теплоснабжения оказался необходимым и эффективным решением. Сегодня тепловые насосы - это наиболее современная технология отопления, доведенная до стадии массового производства.

Основу эксплуатируемого сегодня в мире парка теплонасосного оборудования составляют парокомпрессионные тепловые насосы, но применяются также и абсорбционные, электрохимические и термоэлектрические. Эффективность тепловых насосов принято характеризовать величиной безразмерного коэффициента трансформации энергии К тр, определяемого для идеального цикла Карно. Коэффициент трансформации теплового насоса, или теплонасосной системы теплоснабжения (ТСТ) Ктр представляет собой отношение полезного тепла, отводимого в систему теплоснабжения потребителю, к энергии, затрачиваемой на работу теплонасосной системы теплоснабжения, и численно равен количеству полезного тепла, получаемого при температурах Тоut и Тin, на единицу энергии, затраченной на привод ТН или ТСТ. Реальный коэффициент трансформации отличается от идеального, описанного формулой (1 1), на величину коэффициента h, учитывающего степень термодинамического совершенства ГТСТ и необратимые потери энергии при реализации цикла. В таблице  приведены зависимости реального и идеального коэффициентов трансформации (К тр) теплонасосной системы теплоснабжения от температуры источника тепла низкого потенциала Тin и температурного потенциала тепла, отводимого в систему отопления Тоut. При построении зависимостей, степень термодинамического совершенства ТСТ h была принята равной 0,55, а температурный напор (разница температур хладона и теплоносителя) в конденсаторе и в испарителе тепловых насосов был равен 7 °C. Эти значения степени термодинамического совершенства h и температурного напора между хладоном и теплоносителями системы отопления и теплосбора представляются близкими к действительности с точки зрения учета реальных параметров теплообменной аппаратуры (конденсатор и испаритель) тепловых насосов, а также сопутствующих затрат электрической энергии на привод циркуляционных насосов, систем автоматизации, запорной и управляющей арматуры. В общем случае степень термодинамического совершенства теплонасосных систем теплоснабжения h зависит от многих параметров, таких, как: мощность компрессора, качество производства комплектующих теплового насоса и необратимых энергетических потерь, которые, в свою очередь, включают: — потери тепловой энергии в соединительных трубопроводах; — потери на преодоление трения в компрессоре; — потери, связанные с неидеальностью тепловых процессов, протекающих в испарителе и конденсаторе, а также с неидеальностью теплофизических характеристик хладонов; — механические и электрические потери в двигателях и прочее.

В табл.1-1 представлены «средние» значения степени термодинамического совершенства h для некоторых типов компрессоров, используемых в современных теплонасосных системах теплоснабжения.

Таблица 1 1 Эффективность некоторых типов компрессоров, используемых в современных теплонасосных системах теплоснабжения 

Как и холодильная машина, тепловой насос потребляет энергию на реализацию термодинамического цикла (привод компрессора). Коэффициент преобразования теплового насоса — отношение теплопроизводительности к электропотреблению — зависит от уровня температур в испарителе и конденсаторе и колеблется в различных системах в диапазоне от 2,5 до 5, то есть на 1 кВт затраченной электрической энергии тепловой насос производит от 2,5 до 5 кВт тепловой энергии. Температурный уровень теплоснабжения от тепловых насосов 35 — 55 °C. Экономия энергетических ресурсов достигает 70 %. Промышленность технически развитых стран выпускает широкий ассортимент парокомпрессионных тепловых насосов тепловой мощностью от 5 до 1000 кВт.

Принцип работы теплового насоса.

C тепловыми насосами каждый из нас знаком с самого детства. Это обыкновенный бытовой холодильник.  Холодильник переносит тепло из внутренней камеры на радиатор(задняя стенка), и мы пользуемся холодом внутри холодильника. Тепловой насос - это холодильник «наоборот». Он переносит рассеянное тепло из окружающей среды в наш дом.
Большинство населения пока не знакомы с понятием "тепловой насос", но постоянно используют тепловые насосы в обычных холодильниках и кондиционерах.  Холодильники и кондиционеры стали настолько надежными, удобными и привычными, что мы перестали обращать внимание на их работу. 
Таким же привычным является отопление зданий тепловыми насосами, например для жителей Евросоюза.  Принцип работы теплового насоса  похож на обычный кондиционер реверсивного типа (отопление и охлаждение). В отличие от кондиционеров, тепловой насос адаптирован для работы при любых погодных условиях и минусовых температурах. Главная проблема кондиционеров - значительное уменьшение производительности, COP и остановка кондиционеров при минусовых температурах, когда отопление наиболее важно. Эта проблема решена в тепловых насосах. Тепловой насос следует рассматривать как любое другое отопительное устройство, которое используется для производства тепла, и в отношении которого действуют все законы, касающиеся энергии. Как и у каждого способа отопления, у теплового насоса есть свои особенности, сильные и слабые стороны. Теплотехнические расчёты у всех способов получения тепла одинаковые. Правила термодинамики действуют как при дровяном печном отоплении, так и при управляемой через Интернет климатической установке. 

Принцип работы основного элемента теплового насоса –  компрессора отображен в цикле Карно.

В соответствии с изображенным принципом действия, тепловой насос берет тепловую энергию из одного места, « сжимает» ее, и отдает в другое место.

Например, в обычном холодильнике тепло отбирается морозильной камерой из продуктов и отводится на заднюю стенку холодильника, при этом задняя стенка холодильника нагревается.

1. Принцип действия теплового насоса основан на сборе тепла из почвы, воды, или воздуха и передаче в систему отопления здания. В геотермальной тепловой системе для сбора тепла незамерзающая жидкость течет по трубе, расположенной в почве или водоеме возле здания, к тепловому насосу. Рассол (незамерзающая жидкость) течет (циркулирует) в коллекторе и поглощает тепловую энергию из земли, воды. Тепловой насос имеет теплообменный элемент, называемый испарителем. Тепловая энергия в нем переходит от рассола к хладагенту (при испарении вещество поглощает тепло). Это вещество имеет низкую температуру кипения, что заставляет его вскипеть и превратиться в газ.
2. Давление хладагента увеличивается с помощью компрессора, что приводит к увеличению его температуры.
3. В конденсаторе хладагент передает тепловую энергию в отопительную систему дома (при конденсации вещество отдает тепло). Дополнительный охладительный элемент выжимает остаточную тепловую энергию, и хладагент переходит в жидкую форму.
4. В расширительном вентиле давление падает, соответственно падает и температура хладагента. Хладагент возвращается в испаритель, и процесс повторяется.

04.04.2012 16:48