С.В. Коровкин, главный специалист АО «Атомэнергопроект»

Тепловой насос – это агрегат, трансформирующий низкопотенциальное тепло окружающей среды (вода, воздух, грунт) в высокопотенциальное тепло горячей воды или воздуха для отопления зданий.

Принцип его работы основан на том, что при сжатии газы нагреваются, а при расширении охлаждаются. Если организовать процессы сжатия и расширения газа при циркуляции по замкнутому контуру таким образом, что сжатый (горячий) газ проходит через теплообменник, расположенный в помещении, а расширенный (холодный) газ проходит через теплообменник, расположенный «на улице», то получим систему, нагревающую помещение за счет охлаждения «улицы».

Конечно, на привод компрессора, прокачивающего газ через теплообменники, необходимо затрачивать электроэнергию, но на каждый киловатт затраченной электрической мощности можно получить 3÷4 киловатта тепловой мощности. Таким образом стоимость отопления с помощью теплового насоса оказывается сопоставимой с другими способами отопления.

Отопление зданий тепловыми насосами наиболее распространено в странах Западной Европы и США. В России эта технология до сих пор является экзотикой. Объясняется это тем, что температура грунта и температура подземных вод примерно равна среднегодовой температуре воздуха в данной местности. На большей части России она не превышает +4ᴼС (в Германии около +10ᴼС).

Извлечь из грунта или воды такой температуры тепловую энергию весьма непросто.

Грунтовые теплообменники для одинаковой тепловой мощности у нас должны быть почти в 3 раза протяженнее, чем в той же Германии. Грунтовый теплообменник представляет собой сложное инженерное сооружение, глубиной около 100 м.

Стоимость грунтового теплообменника без учета остального теплононасосного оборудования для дома площадью 150 м² превышает миллион рублей.

Система работает, используя в качестве теплоносителя гликоль, загрязненность которого надо постоянно контролировать, а утечки восполнять. Объем гликоля в системе сотни литров, так что его восполнение довольно дорогостоящая процедура.

Воздух, как источник тепла в нашем климате непригоден, так как при падении температуре ниже -10ᴼС затраты электроэнергии на работу системы становятся сопоставимы с количеством вырабатываемой тепловой энергии. Кроме того, воздушный теплообменник уже при температуре воздуха ниже +5ᴼС обмерзает и вообще прекращает работать.

Огромными запасами тепловой энергии обладают подземные воды, которые имеются практически в любом месте нашей страны.

Однако, до настоящего времени не существовало теплообменного оборудования, способного работать с одной стороны с фреоном контура теплового насоса с температурой -25ᴼС, а с другой стороны с водой при температуре +4ᴼС. Образуются ледяные пробки и теплообменник разрывается.

Несколько лет назад нашим коллективом (к.т.н., инженер-системотехник Винокуров Н.П., эксперт по международному патентному праву и инновациям Тутунина Е.В. и автор данной статьи) был разработан уникальный мембранный генератор жидкокристаллического льда, область применения которого весьма широка – от создания новых пищевых продуктов (особенно интересным продуктом оказалось жидкокристаллическое пиво) и физиотерапевтических процедур до опреснения и очистки воды, в том числе жидких радиоактивных отходов.

В процессе создания новой технологии было обнаружено несколько интересных эффектов, проявляющихся при кристаллизации воды. В частности, был обнаружен и изучен эффект самоочистки поверхности теплообмена при пногократном фазовом переходе вода-лед-вода.

Полученные результаты позволили создать теплообменник с регулируемым обмерзанием.

Теплообменник представляет собой спиральную медную трубку с кипящим фреоном при температуре -25ᴼС, опущенную в бак с водой. Длина трубки рассчитывается в зависимости от тепловой мощности системы. Для обеспечения интенсивного теплосъема и создания режима регулируемого обледенения вода в баке интенсивно перемешивается путем подачи на дно бака воздуха из воздушного компрессора (барботаж).

В настоящее время в продаже имеются чрезвычайно экономичные, производительные и надежные воздушные компрессоры, предназначенные для аэрации септиков и бассейнов.

Эффективность такого компрессора чрезвычайно высока. В баке объемом 100 л для создания эффективного барботажа достаточно компрессора мощностью всего 15 Вт!

Полученные методики позволили создать эффективно и безаварийно работающую уже в течении двух отопительных периодов теплонасосную опытно-промышленную установку, извлекающую тепловую энергию из колодезной воды с температурой +4ᴼС и ниже.

1 – фреоновый компрессор, 2 – конденсатор, 3 – дроссель, 4 – испаритель, 5 – водяной бак, 6 – подводящий трубопровод, 7 – водяной насос, 8 – программируемый таймер, 9 – водозаборный колодец, 10- сливной трубопровод, 11- сливной колодец, 12 – воздушный компрессор

Работа установки показана на видеоролике:  https://cloud.mail.ru/stock/gZaK3GbWJ5Vjw95uvFRe1xd5 

Особенностью процесса является периодическая подача воды из водозаборного колодца в бак, интенсивное ее охлаждение за счет барботажа и вытеснение охлажденной воды в сливной колодец при подаче новой порцией «теплой» воды. Режим работы водяного насоса задается программируемым таймером.  Длительность времени работы насоса выбрана такой, чтобы охладить воду в баке до +1ᴼС, то есть из воды «выкачивается» почти вся тепловая энергия.

В опытно-промышленной установке фреоновый компрессор электрической мощностью 0.3 кВт обеспечивает тепловую мощность 1 кВт. Из колодца глубиной 5 м откачивается 200 литров в час. Мощность воздушного компрессора, как уже говорилось, составляет 15 Вт. Интересно, что эта мощность в конечном итоге тоже идет на нагрев воды в баке и тепловым насосом перекачивается в отапливаемое помещение.

Важно отметить, что полученный режим регулируемого обледенения и оттаивания позволяет использовать воду любого качества без очистки, что совершено недопустимо для остальных видов теплообменников. В процессе работы на поверхности теплообмена периодически нарастает и тает слой льда толщиной около 1 мм. Лед имеет высокую теплопроводность (2.2 Вт/м×град), поэтому это не сказывается на эффективности процесса теплообмена. В тоже время слой льда, во-первых, защищает металлическую поверхность теплообменника от повреждения частицами песка, и, во-вторых, снимает возможные отложения ила и других органических веществ.

Данная система в несколько раз дешевле существующих теплонасосных систем и по конкурентоспособности сопоставима с отоплением природным газом. Тем более, что магистральный газ есть не везде, а подземные воды имеются на большей части страны. Для отопления домов оптимальными источниками воды являются артезианские скважины, технология бурения которых и насосное оборудование которых хорошо освоены. Одной скважины достаточно для отопления здания площадью до 300 м².