Как работает тепловой насос?

Тепловой насос – это технология, которая окончательно перешла из разряда «экзотики для энтузиастов» в стандарт инженерных систем для частных домов и промышленности.

В условиях глобального энергоперехода и стремления к декарбонизации, понимание принципов работы этого устройства становится базовой грамотностью для каждого домовладельца.

Вопреки распространенному мнению, тепловой насос не «создает» тепло из ничего. Он перемещает его, используя фундаментальные законы термодинамики.

В этой статье мы разберем физику процесса, ключевые узлы и факторы эффективности этой системы.

Фундаментальный принцип

Основная идея теплового насоса проста: даже в холодном зимнем воздухе, промерзшем грунте или ледяной воде содержится тепловая энергия.

Молекулы вещества находятся в движении до тех пор, пока температура не достигнет абсолютного нуля.

Тепловой насос работает по принципу, обратному холодильнику. Если холодильник забирает тепло из продуктов и отдает его наружу (через решетку сзади), то тепловой насос забирает энергию из внешней среды и концентрирует её внутри помещения.

С точки зрения физики, работа системы описывается уравнением баланса энергии:

Qh = Qc + W

Где:

• Qh – тепловая энергия, переданная системе отопления;
• Qc – низкопотенциальное тепло, забранное из внешней среды;
• W – электрическая энергия, затраченная на работу компрессора.

Основные компоненты системы

Чтобы реализовать перенос тепла от холодного тела к горячему, тепловой насос использует замкнутый контур, заполненный специальным веществом – хладагентом.

Хладагент обладает уникальным свойством: он закипает при очень низких (отрицательных) температурах.

Ключевые узлы:

1. Испаритель. Теплообменник, в котором жидкий хладагент контактирует с внешней средой (воздухом или водой) и испаряется, поглощая тепло.
2. Компрессор. «Сердце» системы. Он сжимает газообразный хладагент, из-за чего его температура резко возрастает (согласно закону Шарля).
3. Конденсатор. Здесь горячий газ под давлением отдает тепло воде в системе отопления или воздуху в помещении, превращаясь обратно в жидкость.
4. Расширительный вентиль (ТРВ). Резко снижает давление хладагента, из-за чего его температура падает еще сильнее, и цикл повторяется.

Четыре такта теплового цикла

Процесс работы можно разделить на последовательные этапы:

• Этап 1: сбор энергии. Хладагент в жидком состоянии поступает в испаритель. Температура хладагента ниже температуры внешней среды (например, -20°C при наружном воздухе -10°C). За счет разницы температур хладагент закипает и переходит в газ.
• Этап 2: сжатие. Газ попадает в компрессор. При сжатии давление увеличивается в несколько раз, а температура газа поднимается до +60°C … +90°C.
• Этап 3: передача тепла. Горячий газ проходит через конденсатор. Через него же циркулирует вода из труб теплого пола или радиаторов. Газ остывает, отдает энергию дому и конденсируется в жидкость.
• Этап 4: охлаждение. Жидкий хладагент проходит через узкое отверстие расширительного вентиля. Давление падает, хладагент мгновенно охлаждается до сверхнизких температур и снова готов забирать тепло с улицы.

Типы тепловых насосов

Классификация систем основывается на источнике «бесплатного» тепла:

Технологические тренды

Индустрия не стоит на месте, и современные системы отличаются от моделей пятилетней давности:

1. Переход на хладагент R290 (пропан). Он экологичен и позволяет достигать температур теплоносителя до $+75°C$, что дает возможность использовать тепловые насосы даже со старыми чугунными радиаторами.
2. ИИ-управление. Алгоритмы прогнозируют погоду и стоимость электроэнергии (если тариф динамический), аккумулируя тепло в бетонной стяжке пола, когда энергия самая дешевая.
3. Гибридные системы. Интеграция с солнечными панелями. В солнечный день тепловой насос работает фактически бесплатно, превращая фотоэлектрическую энергию в тепловую с эффективностью более 500%.

Тепловой насос – это не «вечный двигатель», а высокоэффективный инструмент перераспределения энергии.

Его работа основана на циклическом изменении агрегатного состояния хладагента и использовании энергии сжатия.

При правильном расчете и качественном утеплении здания, эта технология позволяет снизить затраты на отопление в 3–5 раз по сравнению с электрокотлом и является наиболее экологически чистым способом обогрева на сегодняшний день.