Как работает тепловой насос?

Принцип работы теплового насоса основан на базовых физических явлениях:

  • когда вещество испаряется, оно поглощает теплоту, а когда конденсируется, отдаёт теплоту;
  • когда давление меняется, меняется температура испарения и конденсации вещества: чем выше давление, тем выше температура и наоборот.

Ниже представлена схема, где показаны основные компоненты теплового насоса — испаритель, конденсер, компрессор и контур, по которому прогоняется хладагент. Соответственно можно получать с одной стороны тепло, а с другой холод.

схема работы теплового насоса

Со стороны обогрева подключаются системы отопления или горячего водоснабжения. Также обогрев может использоваться для сброса энергии, когда система работает в режиме кондиционирования. Для этого к обогреву подключается теплообменный контур с внешней средой: воздухом, водой или грунтом в зависимости от типа теплового насоса

Со стороны охлаждения подключается система для кондиционирования, а также теплообменный контур со средой — источником энергии: воздухом, водой или грунтом.

Большинство современных тепловых насосов работают как на отопление так и на охлаждение, по необходимости. Поэтому в них обычно встраивается возможность переключения контуров теплообмена то на охлаждение, то на обогрев.

Для работы агрегатов теплового насоса используется электрическая энергия. Также электричество требуется для обеспечения работы теплообменных контуров (прокачки теплоносителя, обдува и т. п.). Каждый тепловой насос характеризуется мощностью потребляемой электроэнергии и количеством производимой тепловой энергии или охлаждения. Соотношение величины вырабатываемой (отбираемой) тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициент трансформации (coefficient of performance — COP). Эта величина характеризует эффективность теплового насоса и зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эффективность. По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество источника низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом деле, при этом растёт эффективность теплового насоса, поскольку при слабом охлаждении источника тепла не происходит значительного роста разницы температур.

Например, коэффициент трансформации = 4. Это значит, что на 1 кВт затраченой электроэнергии тепловой насос обеспечит 4 кВт тепловой энергии. Для сравнения — обычный электронагреватель на 1 кВт затрачиваемой электроэнергии производит 1 кВт тепловой.

Эффективность работы теплового насоса и коэффициент трансформации (COP) — величина непостоянная. Например, когда воздушный тепловой насос использует в качестве тепла воздух с температурой +5 и дает для отопления воздух в помещении +35, то разница составит 30 градусов и коэффициент COP будет = 3. Если температура воздуха на улице будет -5, то разница температур составит 40 градусов и значение COP, например, до 2. Чем ниже температура исходной среды и чем выше требуемая температура нагрева, тем меньше будет эффективность насоса.