Историю создания тепловых насосов принято исчислять с 1852 года, с того момента, когда выдающийся британский физик и инженер Уильям Томсон (он же лорд Кельвин) предложил практическую теплонасосную систему, которую назвал «умножителем тепла».
Однако, любым практическим решениям и опытным образцам всегда предшествуют глубокие теоретические труды и долгие практические опыты. Поэтому, некоторые современные исследователи считают годом рождения теплового насоса 1824 — год создания первой холодильной машины, когда 28-летний французский физик, основоположник термодинамики, Сади Карно сформулировал принципы ее работы.
Но, вернемся к лорду Кельвину. В 1852 году сэр Уильям Томсон разработал концепцию работы теплового насоса и открыл совместно с Джеймсом Прескоттом Джоулем эффект охлаждения газа при адиабатическом расширении.
Рис. 1. Уильям Томсон (лорд Кельвин)
«Эффект Джоуля-Томсона» — изменение температуры газа в результате медленного протекания под действием постоянного перепада давления сквозь дроссель – местное препятствие потоку газа (капилляр, вентиль или пористую перегородку, расположенную в трубе на пути потока). Течение газа сквозь дроссель (дросселирование) должно происходить без теплообмена газа с окружающей средой, т.е. адиабатически. Опытным путем было установлено, что при медленном стационарном адиабатическом протекании газа через пористую перегородку его температура изменяется.
Рис. 2.Схема теплового насоса Томсона
Как видно, предложенный Томсоном тепловой насос использует в качестве рабочего тела воздух.
Воздух с улицы 1 засасывался входным цилиндром 2 теплового насоса 4 и, расширяясь, охлаждался. Проходя через теплообменник 3, он нагревался до температуры воздуха улицы. Далее после сжатия в выходном цилиндре 6 ТН дополнительного подогретый при этом воздух 7 поступал в обогреваемое помещение. Тепловой насос 4 приводился в действие маленькой паровой машиной 5.
Томсон заявил, что его тепловой насос способен давать необходимое тепло при использовании только 3% энергии, затрачиваемой на прямое отопление. Как уже упоминалось ранее с этого момента развитие холодильной и теплонасосной техники развивалось параллельно и человечество использовало компрессионную машину, как для создания искусственного холода, так и тепла.
Рассмотрим ключевые открытия и достижения в области дальнейшего развития теплонасосных систем на благо человечеству.
В 1855 году австрийским инженером Петером Риттер фон был спроектирован и установлен первый известный тепловой насос. Риттингер детализировал и усовершенствовал концепцию теплового насоса, предложенную лордом Кельвином.
В 1873 году немецкий инженер-изобретатель Карл фон Линде строит в Мюнхене (Германия) первую компрессионную холодильную машину на аммиаке. Линде отличался от пионеров раннего «коммерческого» охлаждения тем, что решал проблему охлаждения только с теоретических позиций. Один из историков в области холодильной техники сказал о Линде: «…он одновременно и ученый, и профессор, и инженер, и производственник - редко, когда все эти качества присущи одному человеку».
В 1912 году в Цюрихе (Швейцария) инженером мексиканского происхождения Генрихом Золи, известным исследователем в области паровых машин и газотурбинных установок, был получен патент на технологию геотермальных тепловых насосов, т.е. на идею извлечения тепла из грунта.
Среди теоретических работ российских ученых видное место занимал геофизик и метеоролог профессор Владимир Александрович Михельсон, который в 1920 году разработал подобный проект парокомпрессионной установки с аккумулированием солнечного тепла в грунте.
В 1927 году в Шотландии, инженер Джон Холдейн сконструировал первую теплонасосную установку для своего дома. Этот первый тепловой насос, представлял из себя холодильную машину с электроприводом в 5 кВт. Источником тепла у данной машины был уличный воздух (по сути, это аэротермическая установка, работающая по принципу воздух-вода). Был даже вычислен COP первого бытового теплового насоса, его значение равнялось 2,3.
Датой первой установки следующего типа тепловых насосов «вода-вода» принято считать 1936 год. Тогда, в Цюрихе был произведен монтаж теплонасоса под названием «Rotasco», мощностью 175 кВт, который снабжал теплой водой ратушу. Источником тепла служила речная вода.
Рис. 3. Здание университета Цюриха и принципиальная схема системы тепловых насосов, рисунок 1942 года
Следующий этап — это создание геотермального теплового насоса «земля-вода». В 1940- х годах изобретатель Роберт Вебер, проводя эксперименты с морозильной камерой, прикоснулся к горячей трубе на выходе и понял, что тепло просто выбрасывается наружу. Изобретатель задумался над тем, как использовать это тепло, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В результате Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть тепла от нагретой воды попадала в воздух. Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника тепла можно нагревать и воду, и воздух одновременно, поэтому Вебер усовершенствовал свое изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять тепло по дому с целью его отопления. Со временем именно у Вебера появилась идея «выкачивать» тепло из земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон. На сегодняшний день такая технология извлечения тепла с грунта называется непосредственным кипением и считается самой эффективной.
В 1950-е годы было выпущено много мелких тепловых насосов домашнего применения. Наиболее примечателен холодильник-нагреватель Ферранти, осуществляющий одновременно охлаждение пищевой кладовой и подачу отведенного тепла при повышенной температуре для нагрева воды. Аккумулятором тепла служил бак на 136 л, нагреваемый зимой мощностью 0.7 кВт и летом в жаркие месяцы мощностью 1.3 кВт. Мощность компрессора 400 Вт, температура кладовки снижается в среднем на 11° С. Интересно, что установка была отнесена к предметам роскоши и на нее произведена наценка на 60%, что отпугнуло возможных покупателей.
Тепловой насос в Наффилд-колледже (Оксфорд), который существует и в настоящие дни, хотя и не работает, был запроектирован в 1954 г. Источник тепла – сточные воды с температурой 15-24° С. Привод компрессора от дизеля мощностью 31 кВт, общий СОР составляет около 4. Стоимость тепла, выдаваемая этим тепловым насосом, была выше, по сравнению с теплом от котельной, и ниже, по сравнению с тепловым насосом с электроприводом. Такое соотношение делало эту установку вполне конкурентоспособной.
Было установлено, что коммерческий успех будет выше, если производить «агрегированные» установки, полностью собранные на заводе-изготовителе. В 1952 году такие тепловые насосы поступили на рынок в большом количестве. В первый год было выпущено 1000 ед., в 1954 году — в 2 раза больше, а в 1957 — в 10 раз больше.
В 1963 году было выпущено 76000 тепловых насосов, причем большинство из них установлено в южных штатах, где требуется летнее охлаждение и отопление зимой. Такие тепловые насосы успешно конкурировали с обычными котлами, дающими только тепло. Проблемы возникли, когда эти установки начали применять в холодных северных штатах и выявился их недостаточный ресурс. За «агрегированными» тепловыми насосами установилась репутация ненадежных устройств. Это привело к прекращению роста производства в начале 60-х годов.
Толчком к дальнейшему интенсивному развитию теплонаносных систем послужил энергетический кризис 1973 года. Буквально за 3 года, рынок в США достиг значения 300 000 установок в год (для примера, в России он до сих пор находится в районе 1000 штук в год).
В наши дни темпы роста производства тепловых насосов ежегодно увеличиваются на 30-40%. Если взглянуть на страны-лидеры отрасли, то в Японии уже установлено более 10 млн тепловых насосов, в США ежегодно выходит с конвейера 1 млн установок, а жители Швеции получают от тепловых насосов более 50% тепла.
Подробнее о том, как работает тепловой насос, читайте в нашей статье «Тепловой насос — «холодильник» наоборот?»
