Навіщо потрібний тепловий насос?

Друге правило термодинаміки говорить: «Теплота мимовільно переходить від тіл нагрітіших до тіл менш нагрітим». А чи можна змусити тепло рухатися у зворотному напрямку? Звичайно, але в цьому випадку будуть потрібні додаткові витрати енергії (робота).

Системи, які переносять тепло у зворотному напрямку, називають тепловими насосами.

Тепловий насос є парокомпресійною холодильною установкою, яка складається з наступних основних компонентів: компресора, конденсатора, розширювального вентиля і випарника. Газоподібний холодоагент надходить на вхід компресора. Компресор стискає газ, при цьому його тиск та температура збільшуються (універсальний газовий закон Менделєєва-Клапейрона). Гарячий газ подається в теплообмінник, званий конденсатором, в якому він охолоджується, передаючи своє тепло повітрю або воді, і конденсується - переходить у рідкий стан. Далі на шляху рідини високого тиску встановлений розширювальний вентиль, що знижує тиск холодоагенту. Компресор та розширювальний вентиль ділять замкнутий гідравлічний контур на дві частини: бік високого тиску та бік низького тиску.

Проходячи через розширювальний вентиль частина рідини випаровується і температура потоку знижується. Далі цей потік надходить у теплообмінник (випарник), пов'язаний із навколишнім середовищем (наприклад, повітряний теплообмінник на вулиці). При низькому тиску рідина випаровується (перетворюється на газ) за температури нижче, ніж температура зовнішнього повітря або грунту. В результаті частина тепла зовнішнього повітря або ґрунту переходить у внутрішню енергію холодоагенту. Газоподібний холодоагент знову надходить у компресор - контур замкнувся. Можна сказати, що робота компресора йде не так на "виробництво" теплоти, як на її переміщення. Тому витрачаючи всього 1 кВт електричної потужності на привід компресора можна отримати теплоподачу конденсатора близько 5 кВт. Тепловий насос нескладно змусити працювати у зворотному напрямку, тобто використовувати його для охолодження повітря у приміщенні влітку.

Опалення за допомогою теплових насосів

Системи опалення, засновані на застосуванні теплового насоса, відрізняються екологічною чистотою, оскільки працюють без спалювання палива та не виробляють шкідливих викидів в атмосферу. Крім того, вони характеризуються економічністю: при підведенні до теплового насоса, наприклад, 1 кВт електроенергії, залежно від режиму роботи та умов експлуатації, він дає до 3-5 кВт теплової енергії.

Серед переваг теплового насоса вказують зниження капітальних витрат за рахунок відсутності газових комунікацій, збільшення безпеки житла завдяки відсутності вибухонебезпечного газу, можливість одночасного отримання від однієї установки опалення, гарячого водопостачання та кондиціювання. Більшість теплових насосів можуть працювати як опалення, так і охолодження повітря.

Системи опалення за допомогою теплових насосів бувають моновалентні та бівалентні. Відмінність між двома видами полягає в тому, що моновалентні системи мають одне джерело тепла, яке повністю покриває річну потребу в опаленні. Бівалентні системи мають у своєму складі два джерела тепла для розширення діапазону робочих температур. Наприклад, тепловий насос працює до температури зовнішнього повітря мінус 25 градусів, а при подальшому зниженні температури на додаток до нього підключається газовий або твердопаливний котел для компенсації зниження продуктивності теплового насоса. Зазвичай різні інженерні системи житла призначалися до виконання однієї функції. І лише з появою теплових насосів класу «повітря-вода» з'явилася можливість від однієї установки отримати опалення приміщень, гаряче водопостачання та кондиціювання повітря.

Переваги для житла за такої централізації такі: повна автономність, висока комфортність, мінімальні капітальні витрати на обладнання, висока живучість установки, мінімальне енергоспоживання, максимальна гнучкість у роботі, а також мінімальний вплив на навколишнє середовище. Незалежність теплового насоса від ліній газопостачання не просто забезпечує автономність житла, а різко збільшує його безпеку через відсутність у будинку вибухонебезпечних речовин.