Тепловой насос. Принцип действия

Тепловой насос— это термотрансформатор, преобразующий низкопотенциальную энергию окружающей среды, непригодную для использования в отопительных системах, в высокопотенциальную, которая служит для отопления помещений и нагрева воды в системе ГВС. Аналогтеплового насоса— холодильник — сегодня есть в каждом доме. В холодильной камере холодильник забирает тепло от продуктов питания, охлаждая их, и выбрасывает это тепло в окружающую среду через радиаторную решетку на задней стенке. А тепловой насос забирает тепло у окружающей среды и передает его в систему отопления[15].

Схематично тепловой насос можно представить в виде рабочего контура, состоящего из четырех основных элементов, - испарителя, компрессора, конденсатора и сбросного клапана. К рабочему контуру примыкает первичный (внешний) контур, в котором циркулирует рабочее вещество (вода, антифриз или воздух), собирающее тепло окружающей среды, и вторичный – вода в системах отопления и горячего водоснабжения здания.

Испаритель – пластинчатый теплообменник, где с одной стороны циркулирует холодный жидкий хладагент (вещество с низкой температурой кипения, обычно фреон), а с другой стороны на противотоке циркулирует рабочее вещество первичного контура.

Первичный контур – это контур с низкопотенциальной тепловой энергией (энергия, температуры которой недостаточно для непосредственного нагрева отопительного контура). В качестве источника энергии первичного контура может быть использовано тепло грунта (грунтовые зонды с антифризом), грунтовых вод (две скважины: подающая и поглощающая), наружного воздуха и т.п.

В испарителе хладагент забирает тепло первичного контура, закипает и испаряется. Соответственно понижается температура выхода первичного контура.

Компрессор всасывает газообразный хладагент, сжимает его, резко повышая таким образом его температуру. Горячий газообразный хладагент выталкивается в конденсатор.

Конденсатор - по устройству такой же теплообменник, как и испаритель, где со стороны рабочего контура циркулирует горячий хладагент, а со стороны вторичного контура – вода или антифриз.

Горячий хладагент, вступая в тепловой контакт с теплоносителем системы отопления или водой из системы горячего водоснабжения (ГВС), конденсируется, передавая свое тепло системе отопления или ГВС. При этом жидкий фреон стекает на дно конденсатора, откуда за счет перепада давлений продавливается через сбросной клапан в испаритель. Температура его при этом резко понижается. После этого рабочий цикл начинается сначала.

Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии, например, электрических, газовых или дизельных котлов, заключается в том, что при производстве тепла 75% энергии берется из окружающей среды, а остальные 25% - это электрическая энергия, необходимая для работы компрессора теплового насоса. Тепловой насос "выкачивает" солнечную энергию, накопленную за теплое время года в окружающей среде. То есть для производства 4 кВт тепловой энергии необходимо затратить всего лишь 1 кВт энергии электрической – налицо существенная экономия на оплате электроэнергии.

Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической энергии называется коэффициентом трансформации (или КПД теплового насоса), и служит показателем эффективности его работы. Современные тепловые насосы имеют высокий коэффициент трансформации - от 2 до 7 в зависимости от используемого источника тепловой энергии и применяемой системы отопления. Чем меньше разница температур между природным источником тепловой энергии и подачей отопительного контура, тем коэффициент трансформации больше. Это фактически означает, что 60-75% потребностей здания в теплоснабжении тепловой насос обеспечивает бесплатно, и тепло обходится в среднем в 4,5 раза дешевле, чем при использовании электрических обогревателей.