Для чего нужны тепловые насосы и каковы их особенности

Тепловой насос – это устройство, которое предназначено для «перекачки» теплоты с более низкого температурного уровня на более высокий. То есть при установке теплового насоса мы забираем энергию в виде теплоты от холодного источника (наружного воздуха, грунта, воды) и отдаем её горячему источнику (более нагретому воздуху в помещении). Но, поскольку самопроизвольный (без какого-либо подвода энергии извне) переход теплоты возможен только от более нагретого тела к более холодному, то для того чтобы запустить процесс в обратную сторону и передать теплоту от холодного источника к горячему необходимо затратить дополнительную энергию компенсации. Можно провести аналогию между обычным воздушным насосом и тепловым насосом. Воздушный насос перекачивает воздух из области низкого давления в область высокого давления, при этом затрачивая механическую энергию (в случае обычного велосипедного насоса – мускульную силу человека). А самопроизвольно процесс может происходить только в обратную сторону. То есть самопроизвольно давление в шине может только понизиться, но само колесо (без внешних воздействий) накачаться не может. То же самое происходит и с тепловым насосом, только он перекачивает теплоту, а не воздух из зоны с более низкой температурой в зону более высокой температуры, при этом затрачивая энергию компенсации.

В зависимости от вида энергии компенсации, которую потребляет тепловой насос, данные аппараты разделяют на абсорбционные и компрессионные. Компрессионный тепловой насос в большинстве случаев потребляет электроэнергию и затем преобразует её в механическую энергию. Однако есть случаи, когда в качестве привода использую напрямую механическую энергию (например привод от вала газопоршневого агрегата).

Абсорбционный тепловой насос потребляет в качестве энергии привода тепловую энергию.

В быту чаще всего используются компрессионные тепловые насосы, которые потребляют электрическую энергию.

Рассмотрим принцип работы парокомпрессионного теплового насоса на примере работы теплового насоса воздух-воздух. В систему теплового насоса входит два контура: внешний контур с циркулирующим в нем нагреваемым теплоносителем и внутренний контур теплового насоса с циркулирующим внутри легкокипящим фреоном. Сначала циркулирующий во внутреннем контуре фреон подается в компрессор, где он сжимается, повышает своё давление и при этом значительно увеличивает свою температуру. Далее фреон поступает в конденсатор. В конденсаторе теплота от нагретого фреона, циркулирующего во внутреннем контуре, передается во внешний контур, нагревая при этом теплоноситель идущий на отопление. (В случае теплового насоса воздух-воздух фреон в конденсаторе нагревает воздух, который затем поступает в помещение). После конденсатора фреон поступает в дроссель, где снижается его давление и понижается его температура. После дросселя фреон поступает в испаритель (теплообменник, при помощи которого фреон забирает теплоту от своего «холодного» источника и при этом переходит в газообразное состояние.) В роли «холодного источника» в тепловых насосах воздух-воздух служит наружный воздух. Далее фреон снова поступает в компрессор и цикл повторяется.

В зависимости от вида «холодного источника» в тепловом насосе, различают геотермальные, воздушные и водяные тепловые насосы. В геотермальном тепловом насосе в качестве среды для нагрева фреона в испарителе используется земля, в водяных – вода из водоема, а в воздушных – наружный воздух. Каждый из этих видов тепловых насосов имеет свои преимущества и недостатки. Водяные и геотермальные тепловые насосы обладают более высокой эффективностью, за счет относительной стабильности температуры почвы и воды в водоеме, в сравнении с воздушными тепловыми насосами (температура почвы редко опускается ниже 8 ͦ С, а температура воды не опускается ниже 0 ͦ С). Однако для работы геотермальных тепловых насосов в землю необходимо закапать коллектор теплового насоса, а это дополнительные затраты на производство земляных работ. Также следует отметить, что не всегда есть возможность выделения необходимой площади под коллекторы земляных насосов, поэтому данный вид теплового насоса получил распространение при частном строительстве, где нет большого дефицита свободных площадей земли. Сфера применения водяного теплового насоса ещё меньше, чем у земляного, т.к. для его работы необходимо наличие водоема возле отапливаемого здания.

Если сравнивать эффективность и экономичность теплового насоса с другими видами теплового оборудования, то можно смело сказать, что тепловые насосы в 3-4 раза более экономичны, чем электрические нагреватели прямого нагрева, однако уступают в экономичности водяному отоплению.