Прагнучи забезпечити комфортний та здоровий мікроклімат, багато власників приміщень встановлюють системи опалення та вентиляції, кондиціонери та очищувачі повітря, інше обладнання, що допомагає контролювати температуру, рівень вологості та забруднення повітря. Всі ці прилади часто вимагають значних витрат не тільки на етапі придбання та монтажу, але й під час експлуатації. Інженери, конструктори та винахідники регулярно працюють над тим, щоб запропонувати ринку нові рішення. Завдяки цьому сьогодні можна купити теплові насоси, які є більш екологічними та економічними, ніж багато інших пристроїв. Все більше людей, дізнаючись про переваги даного обладнання, вибирають його для будинків, квартир, комерційних та інших об'єктів. Ми з колегами зацікавились питанням — хто винайшов тепловий насос, коли та для чого його використовували раніше, адже часто початковий задум відрізняється від того, як потім реалізована ідея. Тепер ми хочемо поділитися інформацією з вами.
Історія винаходу: коли та де придумали тепловий насос
Для початку хочемо нагадати, що сучасні теплові насоси належати до електрообладнання, яке може збирати, переміщати та перетворювати низькопотенційну теплову енергію від поновлюваних джерел у високопотенційну. В основі роботи теплового насоса повітря-повітря, ґрунт-повітря, вода-вода, вода-повітря, повітря-вода, лежить той самий принцип, який використовується в роботі холодильних установок. Тому історія створення теплового насоса частково пов'язана з винаходом холодильників та морозильних камер. Якщо в природних умовах енергія передається від теплішого до холоднішого об'єкта, то теплові насоси можуть працювати на охолодження та обігрів внаслідок реалізації зворотного термодинамічного циклу та наявності контролю. Це рішення з'явилося далеко не відразу, йому передували різні дослідження, математичні розрахунки, теоретичні викладки.
Історія теплового насоса — від теорії до практики
Простежити всі теоретичні дослідження, які сприяли появі теплових насосів, дуже складно, адже на появу ідей, реалізованих в сучасному обладнанні, вплинули роботи:
Вільяма Каллена, який в 1755 році створив першу установку, що виробляє холод штучно;
- Олівера Еванса, який працював над інноваційними для того часу холодильними установками з компресорами. В результаті в 1805 р. він представив науковій спільноті свої розрахунки з термодинаміки та сформулював принципи перетворення енергії, які використовуються в наші дні;
- Саді Карно, який на початку 19 століття активно вів розробки, що сприяли появі теплового двигуна, що працює циклічно. Він у 1824 році сформулював та описав принцип роботи холодильних установок;
- Якоба Перкінсона, який отримав у 1834 році патент на установки, що працюють з циклічною компресією для охолодження.
Багато теоретиків та практиків ділилися зі світом своїми теоретичними розрахунками, ідеями та результатами практичних досліджень, пропонували товари для опалення та установки для генерації холоду. Певно сказати, хто придумав тепловий насос як ідею, неможливо, адже далеко не вся інформація дійшла до наших днів. На питання — коли був створений перший тепловий насос, більшість інтернет-ресурсів розповідають про лорда Кельвіна (Вільяма Томсона). Саме він вважається тим вченим, хто винайшов перший тепловий насос. У 1852 році він представив світові наукову працю, в якій докладно описав принцип роботи теплових насосів на основі перенесення енергії від природних (відновлюваних) джерел енергії в обрані зони. Його викладки мати теоретичний характер та сприяли тому, що цією темою зацікавилися інші вчені та винахідники.
1852 рік — період, коли були винайдені теплові насоси
Як ми вже сказали вище, на питання, в якому році був створений перший тепловий насос, більшість джерел розповідає про наукову працю, в якій Вільям Томсон у співавторстві з Джеймсом Прескотом Джоулем виклали розрахунки, що підтверджують зміну температури газоподібної речовини в залежності від тиску. Основний постулат говорить, що при швидкому розширенні газу, якщо не відбувається теплообмін із зовнішнім середовищем, температура речовини знижується. Пізніше адіабатичну зміну температур у контурі з якісною теплоізоляцією назвали «ефектом Джоуля-Томсона». Проведені ними досліди з переміщення газу по трубках, в яких спостерігався постійний перепад тиску, коштом часткового перекриття дроселів, установки мембран, вентилів та інших перешкод, підштовхнули інших винахідників на винахід теплового насоса. Оскільки вчені використовували енергію повітря, то саме їхні роботи лягли потім в основу проектування та винаходу теплового насоса повітря-вода та повітря-повітря.
Як працювали теплові насоси Томсона-Джоуля — просто про складне
У лабораторії, де винайшли тепловий насос, був створений контур, для роботи якого повітря всмоктувалося з вулиці за допомогою циліндрів. Потім воно розширювалося в теплообмінник, що забезпечувало зниження температури. Після цього починався процес переміщення по капілярному контуру, в якому поступово змінювався тиск. Стиснене повітря після додаткового нагрівання надходило в приміщення, яке потрібно було обігрівати. Вся система приводилася в дію паровою машиною, що працювала на твердому паливі.
Коли з'явилися теплові насоси, за словами винахідників, перші прототипи могли обігрівати приміщення, використовуючи близько 3 % енергії від обсягу, який витрачався іншими установками для прогріву радіатора для опалення того часу. До того ж в процесі досліджень стало зрозуміло, що системи, які вивчалися Саді Карно та Вільямом Томсоном, можуть використовуватися як для обігріву, так й для охолодження.
Історія розвитку теплових насосів — вдосконалення та інновації
Після того як світу були презентовані наукові праці, що доводять, що зміна тиску газу в теплоізольованому контурі сприяє нагріванню та охолодженню, багато вчених в різних куточках планети почали працювати над практичним застосуванням цих знань. З цього моменту історія винаходу теплового насоса стала активно розвиватися.
1855 рік — презентація вдосконаленого теплового насоса
Вивчивши роботи лорда Кельвіна, австрійський вчений та першопроходець в області переробки корисних копалин, Петер Ріттер фон Ріттінгер представив в 1855 році світу свою установку з тепловим насосом. Також він підготував кілька робіт, в яких більш детально описав роботу системи та її можливості в різних вихідних умовах, ніж це було зроблено лордом Кельвіном.
1873 рік — презентація компресорної машини, що працює на охолодження
Сьогодні кожен з нас може замовити монтаж теплових насосів у Києві та інших населених пунктах, які будуть працювати не тільки на обігрів, але й на охолодження. А для жителів Європи в 19 столітті, справжньою подією стала презентація винаходу німецького інженера Карла фон Лінде. Він увійшов в історію, як той, хто зробив перший тепловий насос, що використовувався для охолодження в комерційних цілях.
Його система була оснащена компресором, як та сучасні холодильники, але замість фреону в якості робочої речовини використовувався аміак. Таке рішення багато хто називав проривом в еволюції холодильних установок.
1912 рік — презентована ідея отримання тепла з ґрунту
Якщо до початку 20 століття більшість дослідників розглядали як джерело енергії навколишнє повітря, то тепер ситуація змінилася. Якщо ви поцікавитеся, в якому році винайшли тепловий насос, що працював з ґрунтом, то дізнаєтеся про роботи Генріха Золі, який жив та працював у швейцарському Цюріху. Саме він у 1912 році презентував свої дослідження та описав роботу газотурбінних установок, що приводяться в рух паровими машинами для поглинання енергії землі. Сьогодні, вивчивши доступну техніку, ви зустрінете далеко не один гібридний тепловий насос, який працює на основі викладених Золі принципів, тоді його ідея була новою та далеко не відразу набула популярності.
Практично через 8 років, вивчивши роботи Золі, в 1920 році В.А. Міхельсон запропонував світу свій проект. Його установка комплектувалась паровим компресором та повинна була використовувати тепло, яке накопичилося ґрунтом в сонячні дні. Однак установки того часу були примітивними та потребували доопрацювання.
1927 рік — перша система опалення на основі теплового насоса
Якщо аналізувати всю інформацію про те, в якому році з'явилися теплові насоси, найбільш схожі на сучасні, то варто відзначити роботу Джона Холдена, який в 1927 році в Шотландії встановив у своєму будинку систему, створену власноруч. Конструкція була схожа на холодильну машину, що працювала від електроприводу на 5 кВт. Ця аеротермічна установка отримувала тепло від вуличного повітря та передавала його воді. Його установка давала можливість обігрівати приміщення з коефіцієнтом СОР більше 2, що стало проривом для того часу.
1940-ві роки — використання тепла від холодильних установок для нагріву води
Сьогодні багато хто активно використовує альтернативні джерела опалення в Україні, не замислюючись про те, як винайшли тепловий насос, та прийшли до думки використовувати низькопотенційну енергію природи на благо. Одним з тих, хто сприяв цьому, став Роберт Вебер. Він у 1940-х роках випадково з'ясував, що під час роботи холодильних камер виділяється теплова енергія. Заради експерименту він вирішив пропустити гарячу трубу через бак з водою. Таким чином, він створив аналог бойлера непрямого нагріву та забезпечив своїх близьких гарячою водою. Оскільки обсяг нагрітої води перевищував потреби в ній, заради експерименту частину нагрітої води він пустив по змійовиках, та внаслідок цього обігрівав будинок.
Продовжуючи розмірковувати над удосконаленням системи, він спробував брати тепло з ґрунту навколо будинку. Для цього він закопав мідні труби та заповнив їх фреоном. Таке рішення названо «безпосереднім кипінням», та на цей час воно все ще актуальне та вважається високоефективним.
1950-ті роки — розширення асортименту теплових насосів
Активний розвиток промисловості та науки сприяв тому, що на ринку з'являлися нові холодильні установки та електрокотли для опалення. Серед інших на увагу заслуговує система Ферранті, яка одночасно охолоджувала комору з продуктами та обігрівала інші приміщення. Основним елементом виступав акумулюючий тепло бак та компресор потужністю 0,4 кВт. При витратах енергії 0,7 кВт взимку та влітку до 1,3 кВт, система змінювала температуру в середньому на 11 °С. На той момент таке рішення було доступне лише заможним верствам населення, оскільки витрати на обігрів перевищували ті, що були при підключенні до центральних котелень. До того ж початкова ціна на водонагрівачі з тепловим насосом такого типу була високою. Знизити її вдалося, коли виготовлення систем поставили на конвеєр — в 1952 р. їх випустили близько 1000 штук, а в 1957 році вже близько 10 000 штук.
1963 рік — визнання ринком теплових насосів
Регулярне зростання цін на енергоносії сприяло популяризації теплових насосів. До 1963 року було випущено та встановлено понад 76 тис. установок, які працювали, як та сучасні кондиціонери тепло холод в Україні. Основним користувачем обладнання стали південні штати США, оскільки для них було актуальним якісне кондиціонування влітку та економічний обігрів взимку. М'який клімат дозволив ефективно замінити 2 пристрої (кондиціонер та котел) на один. Але при спробах використовувати подібні системи в штатах з більш холодним кліматом, стало ясно, що ресурсу установок недостатньо. Тому темп виробництва та продажів знизився. На цей момент теплові насоси активно застосовуються в різних країнах в ролі додаткових приладів, які приваблюють економічністю та екологічністю.
Сподіваємося, що прочитавши цю статтю, ви змогли скласти своє уявлення про те, хто та коли винайшов перший тепловий насос для обігріву приміщень, використання в холодильних установках та інших галузях. Якщо ви вирішите встановити у себе подібне обладнання, але ще не впевнені, що можете грамотно вибрати тепловий насос самостійно, зверніться за консультацією до експертів ВЕНКОН. Ми не тільки продаємо техніку, але й в штаті нашої компанії є інженерно-проектний відділ, технічні фахівці, які виконують монтаж та обслуговування установок, тому ми можемо запропонувати широкий спектр послуг та різнопланову інформацію.
