Тепловой насос для отопления дома: принцип работы

Тепловые насосы становятся всё более популярными. С помощью этих устройств можно отапливать (охлаждать) дома и организовывать горячее водоснабжение, значительно экономя.

Людям, далёким от физики, достаточно сложно понять принцип действия тепловых насосов, в связи с чем в интернетах муссируется множество заблуждений, которыми пользуются недобросовестные производители и продавцы. В данной статье мы попытаемся в доступной форме объяснить принцип действия и развеять некоторые мифы, которыми успел обрасти этот замечательный агрегат.

Плюсы

• Тепловые насосы экологичны
• Безопасны в эксплуатации
• С каждым годом всё более доступны по цене.

Основная причина использования тепловых насосов для отопления и/или горячего водоснабжения заключается в том, что они позволяют значительно экономить расход электроэнергии, в некоторых случаях экономия достигает более 500% по сравнению с обычным электрокотлом или бойлером, что очень актуально для негазифицированных районов и в домах с небольшой разрешённой мощностью электропотребления. Этот вопрос с каждым годом становится всё более актуальным, особенно в свете роста тарифов на энергоносители.

Сам термин «тепловой насос» является более маркетинговым, чем физическим, но зато он чётко обозначает сам принцип работы этой тепловой машины. Даже далёкому человеку становится ясно, что такая машина «качает тепло» и переносит его из одного места в другое.

Принцип работы

Со школьной скамьи нам известно, что в обычных условиях более холодное вещество не может отдавать своё тепло более горячему, а наоборот, оно нагревается от него до тех пор, пока их температуры не сравняются. Это святая правда. Но тепловой насос создаёт такие условия, что более холодная среда начинает отдавать своё тепло более тёплой, охлаждаясь при этом ещё больше.

Простейший заезженный пример теплового насоса — холодильник. В нём тепло выкачивается из более холодной камеры в более тёплое помещение кухни. Морозилка при этом ещё больше охлаждается, а кухня ещё больше нагревается от радиатора, расположенного на задней панели холодильника.

Принцип работы большинства тепловых насосов основан на свойствах промежуточных теплоносителей (газов, чаще всего фреонов), которые используются в этих машинах. Именно фреоны и являются тем посредником, который позволяет забирать тепло у более холодного тела, отдавая его более горячему.

Наверняка вы замечали, что если быстро выпускать сжатый газ из балончика для заправки зажигалок, то он, испаряясь, охлаждает балончик, который даже в жаркую погоду может покрыться инеем. Справедливо и обратное: при сжатии газ нагревается. Памятуя об этом, вам будет совсем не сложно понять принцип действия теплового насоса, простейшая схема которого изображена на рисунке.

Компоненты теплового насоса

Простейший тепловой насос состоит из четырёх важнейших узлов:

• испаритель;
• конденсатор;
• компрессор;
• капилляр.

Компрессор сжимает фреон до жидкого состояния в конденсаторе, который при этом нагревается. Именно это тепло можно использовать в отоплении или в горячем водоснабжении, организовав простейший теплообмен между горячим конденсатором и более холодным помещением или бойлером.

Проходя через конденсатор, сжиженный фреон охлаждается, отдав тепло при теплообмене в радиаторы отопления или трубам теплого пола, и начинает конденсироваться. Проходя через капилляр в испаритель, фреон снова становится газообразным, охлаждая при этом испаритель (помните иней на балончике?).

Чтобы процесс не прекращался, нужно постоянно подводить тепло к испарителю, иначе фреон там просто перестанет испаряться, ведь температура испарителя при постоянной работе компрессора может сильно опуститься. Даже температуры минус тридцать, подводимой к испарителю, может быть достаточно для поддержания испарения, ведь температура испарения газов, используемых в тепловых насосах, гораздо ниже этого значения.

Допустим, температура испарения фреона равна минус шестьдесят градусов по Цельсию, а мы обдуваем испаритель морозным уличным воздухом, с температурой в минус тридцать — фреон, естественно, будет испаряться, забирая тепло даже у такого холодного воздуха. Таким образом и получается, что тепловой насос как бы перекачивает температуру из более холодной среды в более тёплую.

На что смотреть при покупке?

Такой эффект порождает множество мифов, которыми пользуются недобросовестные «продаваны», чтобы лучше продавать свою продукцию.

Самый распространённый миф — это утверждение, что КПД тепловых насосов превышает единицу. Понятно, что это утверждение — чистый бред. На самом деле КПД тепловых машин не может быть больше единицы, и даже у современных тепловых насосов он достаточно мал — меньше, чем у самого дешёвого масляного обогревателя. Люди просто часто путают КПД и так называемый COP (КОП).

КОП — это скорее экономический коэффициент, чем физический. Он показывает соотношение платной электроэнергии для перекачки бесплатного тепла с улицы к величине тепла, поступающего в помещение. Т.е. КОП 5 — это упрощенно означает, что для перекачки 5кВт халявного тепла с улицы в дом мы затратили 1кВт платной электроэнергии. Просто КОП не учитывает бесплатную тепловую энергию с улицы, а считает только ту, которую получили в результате и что для этого потратили.

Другой миф тоже связан с КОП: в паспортах тепловых насосов и на ценниках у продавцов гордо указывается одна-единственная величина КОП, которая просто вводит покупателей в заблуждение. Дело в том, что КОП тепловых насосов — величина переменная, а не постоянная. И многие недобросовестные дельцы об этом умалчивают, потому что указывают КОП для самых благоприятных условий, когда он чуть ли не максимальный. И это уже гораздо опаснее, чем заблуждения про сверхединичность КПД, т.к. чревато реальными последствиями.

Представьте, что вы уверовали, что будете тратить 1кВт электроэнергии на производство 5кВт тепла для того же отопления зимой, потому что в паспорте теплового насоса указано, что COP=5. Купили необходимой мощности тепловой насос, собрали систему отопления… А в самый неподходящий момент, когда морозы самые лютые, ваш отопитель жрёт не 1 к 5, а 1 к 2 в самом лучшем случае, или вообще не в состоянии выдать необходимое тепло для обогрева. И тут приходит понимание, что отапливаться конкретно этой системой можно лишь в межсезонье… Очень неприятная ситуация — отдать кучу денег и всё равно в морозы отапливаться дешёвыми масляными радиаторами, и только из-за того, что понадеялись на КОП и стабильную, неснижаемую выработку тепла.

А выработка тепла и КОП у тепловых насосов непостоянна. И связано это именно с непостоянным количеством тепла, подводимого к испарителю. К примеру, если вы берёте тепло для испарителя из воздуха, то с падением температуры на улице падает и КОП. При -30С на улице КОП воздушных тепловых насосов практически равен единице, т.е. даже простой ТЭН станет более экономичным в качестве отопителя, не говоря уж про амортизацию и повышенный износ дорогостоящего оборудования в таких условиях. И падение КОП — это ещё полбеды. Часто некоторые модели воздушных тепловых насосов просто не в состоянии выдавать необходимую для отопления мощность при значительном снижении температуры на улице.

Тепловые насосы, использующие для нагрева испарителя тепло земли или воды, тоже подвержены падению производительности и КОП, т.к. по ходу отопительного сезона они могут вымораживать ту среду, из которой качают тепло, но такие машины более стабильны.

В любом случае, несмотря на отдельные недостатки, будущее у тепловых насосов весьма перспективное, а простота конструкции позволяет любителям сделать тепловой насос своими руками. Про тепловые насосы с твёрдым рабочим телом и магнитным охлаждением постараюсь рассказать в другой статье, ибо они не нашли массового применения из-за дороговизны материалов.