История создания тепловых насосов

Принцип действия теплового насоса основан на цикле Карно, опубликованном в его диссертации еще в 1824 году. А в 1852 году схему теплонаносной установки предложил англичанин Вильям Томсон (будущий лорд Кельвин). В описании своего научного труда Томсон указывал, что «ограниченность энергетических ресурсов не позволит бесконечно сжигать топливо в печах для отопления» и что его «умножитель тепла» будет потреблять меньше топлива, чем обычные печи.

А уже в 1912 в Швейцарии был выдан первый патент на тепловой насос. В 20-30-х года 19-го века началось бурное развитие технологии. В первую очередь благодаря развитию холодильной промышленности – и холодильник и тепловой насос работают на уже известном цикле Карно с той лишь разницей, что первый снижает температурный потенциал среды (охлаждение), а второй его повышает (нагрев). В Шотландии в 1927 году инженер Холдейн собрал для своего собственного дома первую теплонаносную установку. Летом она работала только ночью, запасая теплую воду и одновременно вырабатывая лед. Коэффициент мощности первого теплового насоса составлял 2/3, а источником первоначального тепла служил наружный воздух.

В начале 30-х в США был собран второй тепловой насос. Он предназначался для отопления и кондиционирования административного здания высотой 13 этажей и объемом 107 тыс. кубических метров.

Следом за США и Великобританией последовали Швейцария, Франция, Италия. В 1937-1939 в Цюрихе в здании ратуши был установлен тепловой насос «вода-вода» теплопроизводительностью 81,4 кВт (по некоторым данным – 137 кВт). Установка использовала тепло речной воды, обеспечивала отопление здания при +60С, а летом работала на охлаждение. 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.

Автором идеи грунтовых (земляных) геотермальных тепловых насосов, которые получили в дальнейшем практическое применение, особенно для северных стран, считается изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер. В середине 40-х годов ХХ столетия Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе с морозильной камеры 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 такой способ извлечения тепла грунта считается самым эффективным.

Итак, уже к середине прошлого века человечество не только узнало, что такое низкопотенциальное тепло, но и научилось отбирать его из всех доступных сред, включая сточные воды. В настоящее время счет установленным тепловым насосам идет буквально на миллионы. Тепловые насосы в ряде стран генерируют более 50% всей вырабатываемой тепловой энергии (Швеция, например).

В СССР историю тепловых насосов принято считать с работ физика В. А. Михельсона. Он впервые проанализировал возможность применения тепловых насосов для теплоснабжения зданий, а также указал причины, тормозящие широкое применение теплонасосного отопления: дешевизну органического топлива, а также высокую стоимость оборудования.

Работа В. А. Михельсона, датированная 1930 г., до сих пор не потеряла своей актуальности. Автор, в частности, пишет: "…. Дешевизне минерального топлива, по-видимому, наступил конец. Острый топливный кризис не есть явление местное и временное, но явление общее и длительное, обусловленное глубокими физическими, экономическими и социальными причинами. Поэтому нельзя жалеть никаких затрат и усилий для облегчения и преодоления этого кризиса".