Принцип роботи теплового насоса. Як працює тепловий насос?

Дедалі більше інтернет-користувачів цікавляться альтернативами способами опалення: тепловими насосами.

Для більшості це абсолютно нова і невідома технологія, тому й виникають запитання на кшталт: “Що таке тепловий насос?”, “Який вигляд має тепловий насос?”, “Як працює тепловий насос?” тощо.

Тут ми постараємося просто і доступно дати відповіді на всі ці та ще багато інших запитань, пов’язаних із тепловими насосами.

 

Що таке Тепловий Насос?

Тепловий насос – пристрій (іншими словами “тепловий котел”), який відбирає розсіяне тепло з навколишнього середовища (ґрунт, вода або повітря) і переносить його в опалювальний контур вашого будинку.

Завдяки сонячним променям, які безперервно надходять в атмосферу і на поверхню землі відбувається постійна віддача тепла. Саме таким чином поверхня землі цілий рік отримує теплову енергію.

Повітря частково поглинає тепло від енергії сонячних променів. Залишки сонячної теплової енергії майже повністю поглинається землею.

Крім того, геотермальне тепло з надр землі постійно забезпечує температуру ґрунту +8°С (починаючи з глибини 1,5-2 метри і нижче). Навіть холодною зимою температура на глибині водойм залишається в діапазоні +4-6°С.

Саме це низькопотенційне тепло ґрунту, води і повітря переносить тепловий насос з навколишнього середовища в опалювальний контур приватного будинку, попередньо підвищивши температурний рівень теплоносія до необхідних +35-80°С.

ВІДЕО: Як працює тепловий насос Грунт-Вода?

 

Що робить Тепловий Насос?

Теплові насоси – теплові машини, які призначені для виробництва тепла з використанням зворотного термодинамічного циклу. Теплові насоси переносять теплову енергію від джерела з низькою температурою в систему опалення з більш високою температурою. У процесі роботи теплового насоса відбуваються витрати енергії, що не перевищують обсяг виробленої енергії.

В основі роботи теплового насоса лежить зворотний термодинамічний цикл (зворотний цикл Карно), що складається з двох ізотерм і двох адіабат, але на відміну від прямого термодинамічного циклу (прямого циклу Карно) процес протікає у зворотному напрямі: проти годинникової стрілки.

У зворотному циклі Карно навколишнє середовище виступає в ролі холодного джерела тепла. Під час роботи теплового насоса тепло зовнішнього середовища завдяки здійсненню роботи передається споживачеві, але з уже вищою температурою.

Передати тепло від холодного тіла (ґрунт, вода, повітря) можливо тільки за умови затрати роботи (у випадку з тепловим насосом – затрати електричної енергії на роботу компресора, циркуляційних насосів тощо) або іншого компенсаційного процесу.

Ще тепловий насос можна назвати “холодильником навпаки”, тому що тепловий насос – це та сама холодильна машина, тільки на відміну від холодильника тепловий насос забирає тепло ззовні та переносить його в приміщення, тобто обігріває приміщення (холодильник же охолоджує шляхом відбору тепла з холодильної камери та викидає його через конденсатор назовні).

Як працює Тепловий Насос?

Тепер поговоримо про те, як працює тепловий насос. Для того, щоб зрозуміти принцип роботи теплового насоса, нам потрібно розібратися в кількох речах.

1 Тепловий насос здатний витягувати тепло навіть за мінусової температури.

Більшість майбутніх домовласників не можуть зрозуміти принцип роботи теплового насоса “Повітря-Вода ” (в принципі будь-якого повітряного теплового насоса), оскільки не розуміють, як можна витягати тепло з повітря за від’ємної температури взимку. Повернімося до основ термодинаміки і згадай визначення теплоти.

Теплота – форма руху матерії, що являє собою безладний рух частинок, які утворюють тіло (атомів, молекул, електронів тощо).

Навіть за температури 0˚С (нуль градусів за Цельсієм), коли замерзає вода, у повітрі все ще є теплота. Її значно менше, ніж, наприклад, за температури +36˚С, але тим не менш і за нульової, і за від’ємної температури відбувається рух атомів, а отже, і відбувається виділення теплоти.

Рух молекул і атомів повністю припиняється за температури -273˚С (мінус двісті сімдесят три градуси за Цельсієм), що відповідає абсолютному нулю температури (нуль градусів за шкалою Кельвіна). Тобто і взимку при мінусовій температурі в повітрі є низькопотенційне тепло, яке можна витягувати і переносити в будинок.

2. Робоча рідина в теплових насосах – холодоагент (фреон).

Що таке холодильний агент? Холодоагент – робоча речовина в тепловому насосі, яка відбирає теплоту від об’єкта, що охолоджується, під час випаровування і передає тепло робочому середовищу (наприклад, воді або повітрю) під час конденсації.

Особливість холодоагентів у тому, що вони здатні закипати і за негативних, і за відносно низьких температур. Крім того холодоагенти можуть переходити з рідкого стану в газоподібний і навпаки. Саме під час переходу з рідкого стану в газоподібний (випаровування) відбувається поглинання теплоти, а під час переходу з газоподібного в рідкий (конденсації) відбувається передача теплоти (відділення тепла).

3. Робота теплового насоса можлива завдяки його чотирьом ключовим компонентам.

Для того, щоб зрозуміти принцип роботи теплового насоса, його будову можна розділити на 4 основні елементи:

1. Компресор, який стискає холодоагент для підвищення його тиску і температури.
2. Розширювальний клапан – терморегулювальний вентиль, який різко знижує тиск холодоагенту.
3. Випарник – теплообмінник, у якому холодоагент із низькою температурою поглинає тепло від навколишнього середовища.
4. Конденсатор – теплообмінник, у якому вже гарячий холодоагент після стиснення передає тепло в робоче середовище опалювального контуру.

Саме ці чотири компоненти дають змогу холодильним машинам виробляти холод, а тепловим насосам – тепло. Для того, щоб розібратися як працює кожен компонент теплового насоса і для чого він потрібен, пропонуємо переглянути відео про принцип роботи ґрунтового теплового насоса.

ВІДЕО: Принцип роботи теплового насоса Грунт-Вода

Принцип роботи теплового насоса

Тепер спробуємо детально описати кожен етап роботи теплового насоса. Як уже говорилося раніше – в основі роботи теплових насосів лежить термодинамічний цикл. Це означає, що робота теплового насоса складається з декількох етапів циклу, які повторюються знову і знову в певній послідовності.

Робочий цикл теплового насоса можна розділити на чотири такі етапи:

1. Поглинання тепла з навколишнього середовища (кипіння холодоагенту).

У випарник (теплообмінник) надходить холодоагент, який перебуває в рідкому стані і має низький тиск. Як ми вже знаємо, за низької температури холодоагент здатний закипати і випаровуватися. Процес випаровування необхідний для того, щоб речовина поглинула тепло.

Згідно з другим законом термодинаміки тепло передається від тіла з високою температурою до тіла з нижчою температурою. Саме на цьому етапі роботи теплового насоса холодоагент із низькою температурою, проходячи теплообмінником, відбирає тепло від теплоносія (розсолу), який раніше піднявся зі свердловин, де відібрав низькопотенційне тепло ґрунту (у випадку з ґрунтовими тепловими насосами Грунт-Вода).

Річ у тім, що температура ґрунту під землею в будь-яку пору року становить +7-8°С. Під час використання геотермального теплового насоса типу Грунт-Вода встановлюються вертикальні зонди, якими циркулює розсіл (теплоносій). Завдання теплоносія – нагрітися до максимально можливої температури під час циркуляції глибинними зондами.

Коли теплоносій відібрав тепло з ґрунту, він надходить у теплообмінник теплового насоса (випарник), де “зустрічається” з холодоагентом, який має нижчу температуру. І згідно з другим законом термодинаміки відбувається теплообмін: тепло від більш нагрітого розсолу передається менш нагрітому холодоагенту.

Тут дуже важливий момент: поглинання тепла можливе під час випаровування речовини і навпаки, віддача теплоти відбувається під час конденсації. Під час нагрівання холодоагенту від теплоносія він змінює свій фазовий стан: холодоагент переходить із рідкого стану в газоподібний (відбувається процес закипання холодоагенту, він випаровується).

Пройшовши через випарник холодоагент перебуває в газоподібній фазі. Це вже не рідина, а газ, який відібрав тепло у теплоносія (розсолу).

2. Стиснення холодоагенту компресором.

На наступному етапі холодоагент у газоподібному стані потрапляє в компресор. Тут компресор стискає фреон, який за рахунок різкого збільшення тиску нагрівається до певної температури.

Аналогічним чином працює і компресор звичайного побутового холодильника. Єдина суттєва відмінність компресора холодильника від компресора теплового насоса – значно менша продуктивність.

ВІДЕО: Як працює холодильник із компресором

 

3. Передача тепла в систему опалення (конденсація).

Після стиснення в компресорі холодоагент, який має високу температуру, надходить у конденсатор. У цьому разі конденсатор – це теж теплообмінник, у якому під час конденсації відбувається віддача теплоти від холодоагенту до робочого середовища опалювального контуру (наприклад, до води в системі теплих підлог, або радіаторів опалення).

У конденсаторі холодоагент із газової фази знову переходить у рідку. Цей процес супроводжується виділенням тепла, яке використовується для системи опалення в будинку і гарячого водопостачання (ГВП).

4. Зниження тиску холодоагенту (розширення).

Тепер рідкий холодоагент потрібно підготувати до повторення робочого циклу. Для цього холодоагент проходить через вузький отвір термо-регулюючого вентиля (розширювального клапана). Після “продавлювання” через вузький отвір дроселя холодоагент розширюється, внаслідок чого падає його температура і тиск.

Цей процес можна порівняти з розпиленням аерозолю з балончика. Після розпилення балончик на короткий час стає холоднішим. Тобто відбулося різке падіння тиску аерозолю внаслідок продавлювання назовні, температура відповідно теж падає.

Тепер холодоагент знову перебуває під таким тиском, за якого він здатний закипіти і випаровуватися, що необхідно нам для поглинання тепла від теплоносія.

Завдання ТРВ (термо-регулювальний вентиль) – знизити тиск фреону шляхом розширення його на виході з вузького отвору. Тепер фреон знову готовий закипати і поглинати тепло.

Цикл знову повторюється доти, доки система опалення та ГВП не отримає від теплового насоса необхідний обсяг тепла.