Как работает тепловой насос воздух-вода
Тепловой насос — это не нагреватель, а тепловая помпа. Он не производит тепло из электричества (как ТЭН или электрокотёл), а перекачивает уже существующее низкопотенциальное тепло наружного воздуха внутрь здания, концентрируя его до нужной температуры. Именно поэтому из 1 кВт электроэнергии получается 3–5 кВт тепла — без нарушения законов физики.
В основе работы лежит обратный термодинамический цикл (цикл Карно), известный с XIX века и применяемый в каждом холодильнике и кондиционере. Только если холодильник «выкачивает» тепло из камеры наружу, тепловой насос делает обратное: выкачивает тепло из наружного воздуха и отдаёт его системе отопления.
Внутри теплового насоса по замкнутому контуру циркулирует хладагент — специальное вещество (R32, R454B или пропан R290), которое легко переходит между жидкой и газообразной фазой при удобных нам температурах. Хладагент проходит четыре ключевых элемента: испаритель, компрессор, конденсатор и терморегулирующий вентиль. На каждой стадии меняется его давление, температура и фазовое состояние — и эта последовательность изменений и есть «насосное действие», которое переносит тепло снаружи внутрь.
Ниже — интерактивная схема цикла. Наведите курсор на любой элемент, чтобы узнать, что именно происходит с хладагентом в этой точке.
Наведите курсор на элемент схемы (испаритель, компрессор, конденсатор, ТРВ), чтобы увидеть, что происходит с хладагентом на каждой стадии цикла.
Четыре стадии работы — шаг за шагом
Извлечение тепла из воздуха
Вентилятор прогоняет наружный воздух через испаритель. Внутри испарителя — хладагент при −15 °C, холоднее воздуха. Воздух отдаёт часть своего тепла хладагенту, охлаждается на 3–5 °C и выбрасывается обратно. Хладагент закипает и превращается в холодный газ.
Сжатие газа компрессором
Компрессор всасывает холодный газ под низким давлением (3–5 бар) и сжимает его до 20–30 бар. По законам термодинамики при сжатии температура газа резко растёт — с −10 °C до 80–100 °C. Это «концентрация» рассеянного низкопотенциального тепла в высокопотенциальное.
Передача тепла воде в конденсаторе
Горячий газ проходит через пластинчатый теплообменник (конденсатор), где с другой стороны течёт вода системы отопления. Газ отдаёт своё тепло воде, нагревая её до 35–80 °C. При остывании горячий газ конденсируется обратно в жидкость.
Расширение и охлаждение в ТРВ
Жидкий хладагент под высоким давлением проходит через узкое сечение клапана и резко расширяется. Давление падает до 3–5 бар, температура — до −15 °C. Хладагент снова готов забирать тепло из воздуха. Цикл замыкается и повторяется тысячи раз в час.
Откуда берётся «лишнее» тепло
Главный вопрос, который возникает при первом знакомстве с тепловым насосом: «как из 1 кВт электричества получается 4 кВт тепла, это же нарушение закона сохранения энергии?» Ответ простой: закон не нарушается, потому что тепло не создаётся из ничего — оно перекачивается из наружного воздуха. Энергетический баланс выглядит так:
Тепло наружного воздуха — это солнечная энергия, накопленная в атмосфере. Даже при −20 °C воздух содержит огромное количество энергии (по абсолютной шкале Кельвина это +253 K — далеко от абсолютного нуля). Тепловой насос только «выгребает» эту энергию и поднимает её температуру до полезной для нас — 35–80 °C.
Что думают про тепловые насосы — и как на самом деле
«В −20 °C тепловой насос не работает»
Современные инверторные тепловые насосы воздух-вода рассчитаны на работу до −25…−30 °C. Даже в мороз COP остаётся выше 1.8–2.2 — то есть на 1 кВт электричества вырабатывается 1.8–2.2 кВт тепла. Это всё равно вдвое выгоднее прямого электронагрева.
«КПД больше 100% — обман»
Тепловой насос не производит тепло из воздуха — он его перекачивает. Электричество тратится только на работу компрессора. Из 4 кВт тепла на выходе 3 кВт «бесплатно» извлечены из наружного воздуха, а 1 кВт — это работа компрессора. Поэтому COP = 4.
«Вода нагревается только до 40 °C»
Промышленные ТН воздух-вода Falke выдают подачу до 75–80 °C. Этого достаточно для классических радиаторов, фанкойлов и ГВС. Для тёплого пола нужно всего 35–40 °C — в этом режиме SCOP максимальный.
Хотите рассчитать тепловой насос для своего объекта?
Изучите методику подбора по линейке Falke — там разобрано, как соотнести тепловую нагрузку здания с мощностью ТН в реальных режимах работы.
Частые вопросы
Смежная статья по теме
Моновалентная схема: тепловой насос как единственный источник тепла
Как использовать тепловой насос без электрокотла — простейшая схема обвязки и условия применимости.
Читать статью