Сучасні теплові насоси вважаються одними з альтернативних і екологічних джерел енергії, на противагу традиційним — вугіллю, газу та нафти.

Дуже часто принцип роботи теплового насоса порівнюють з роботою звичайного побутового холодильника. Холодильник відбирає тепло у продуктів, потім викидає отримане тепло в приміщення через радіаторну решітку. Через високотехнологічну складову обладнання для опалення приміщення тепловим насосом є надто важливим вибір фахівців для його встановлення, тому монтаж теплового насосу краще довірити перевіреній компанії, яка виконає всі роботи на професійному рівні.

Тепловий насос «витягує» тепло з зовнішнього середовища і віддає отриману енергію в систему опалення. При цьому, виходить, що тепло від холодного джерела переноситься до теплого, що суперечить законам фізики. Що ж дає можливість тепловому насосу «розвернути» природний напрям теплового потоку?

Принцип роботи теплового насоса

Тепловий насос працює, завдяки термодинамічному циклу Карно.

Основний компонент циклу — холодоагент. Холодоагент це робоча рідина здатна закипати при низьких температурах. Крім того працездатність циклу забезпечують ще чотири важливі елементи: компресор, розширювальний клапан (ТРВ), випарник і конденсатор.

Холодоагент, що знаходиться в рідкій фазі проходить через ТРВ і надходить у випарник, цей процес супроводжується зниженням тиску холодоагенту. У випарнику відбувається поглинання тепла від навколишнього середовища (для повітряного теплового насоса навколишнє середовище — повітря, грунтового — розсіл, водяного — вода). При цьому, холодоагент закипає. На виході з випарника холодоагент перебуває в пароподібному стані. Далі, він надходить в компресор, в якому відбувається стиснення. У процесі стиснення, тиск холодоагенту підвищується, це супроводжується одночасним підвищенням його температури.

Після компресора, холодоагент надходить в конденсатор, який є тепловіддаючим вузлом теплового насоса. У конденсаторі холодоагент віддає тепло і конденсується. Це тепло передається системі опалення і ГВС. На виході з конденсатора холодоагент знаходиться в рідкій фазі і знову надходить на ТРВ. Цикл повторюється.

Нижче, ми розберемо п’ять основних фізичних явищ дозволяють зрозуміти принцип роботи теплового насоса.

1. Тепло міститься в повітрі і землі, навіть, при негативних температурах
Однією з перешкод на шляху до розуміння принципу роботи теплового насоса є хибна думка, що неможливо отримати тепло при негативних температурах повітря або грунту. Щоб розвіяти цю оману, покажемо, що ж являє собою теплота.

Теплота — це форма енергії пов’язана з рухом частинок (молекул, атомів, іонів). У загальноприйнятій і звичній шкалі Цельсія, 0˚ — це температура замерзання води. При цьому, тепла в повітрі міститься значно менше ніж при 40 ˚ С спеки, але, все ж, воно є і його можна використовувати. Рух частинок повністю зупиняється при температурі — 273˚С, що відповідає 0˚ за шкалою Кельвіна.

2. Теплота надходить від джерела з високою температурою до середовища з низькою температурою
Згідно з другим законом термодинаміки, теплота надходить від тіла з вищою температурою до тіла з низькою температурою. Щоб «розвернути» потік тепла, в тепловому насосі використовуються два теплообмінника.

У першому теплообміннику (випарнику) холодоагент з низькою температурою поглинає тепло від теплого навколишнього середовища (повітря, грунт або вода). У другому теплообміннику (конденсаторі), вже гарячий холодоагент (після стиснення в компресорі) передає тепло рідини з меншою температурою в контурі опалення.

3. Стиснення газу підвищує температуру, розширення знижує температуру
Підвищення температури робочої рідини в тепловому насосі відбувається за рахунок стиснення.

Коли газ стискається, температура збільшується. Це відбувається внаслідок значного збільшення вібрації частинок. З іншого боку, розширення газу або рідини призводить до зниження тиску і температури середовища. Розширення відбувається в розширювальному клапані ТРВ (терморегулюючий вентиль). Робота компресора нагадує процес накачування повітрям матраца.

4. Фазовий перехід робочого середовища
Якщо температура рідини підвищилася до точки кипіння, то настає перехідна фаза. Під час цієї «паузи», рідка і газоподібна (пар) фаза робочого середовища існують одночасно. Цей процес триває, поки вся рідина не перетвориться в пар.

Все поглинене тепло йде на випаровування і не викликає зростання температури.

Це тепло називають прихованою теплотою, і його кількість у різних речовин по-різному. Хоча це тепло і називають прихованим, відповідно до закону збереження енергії воно нікуди не дівається. Все поглинене під час випаровування (кипіння) тепло, потім виділяється при конденсації, тобто зворотному фазовий перехід з пари в рідину. Цей принцип широко використовується для ефективної роботи теплового насоса.

5. Температура випаровування і конденсації робочої середовища залежить від тиску
Температура, при якій робоче середовище конденсується або випаровується, залежить від тиску. Стискаючи газоподібний холодоагент, компресор, також, значно підвищує тиск. При великому тиску процес конденсації відбувається при відносно високих температурах, дозволяючи віддавати тепло в конденсаторі теплового насоса в систему опалення.

Принцип роботи теплового насоса, в першу чергу, заснований саме на цій властивості холодоагенту. При певному тиску тепловий насос відбирає тепло з навколишнього середовища навіть при температурі -20 ˚ і віддає тепло з температурою 60˚С.

У природі це явище можна порівняти з кипінням води в горах при розрядженому повітрі. На висоті 3 000 м тиск становить 0,7 бар. В таких умовах вода кипить вже при температурі 90 ˚. На рівні моря, при атмосферному тиску рівному 1 бар, вода кипить при температурі 100 ˚. Зі збільшенням тиску, збільшується і температура кипіння води.