Що таке тепловий насос?

Теплові насоси (ТН) — це обладнання, яке використовує теплову енергію навколишнього середовища для обігріву приміщень. На перший погляд, це суперечить законам фізики, але логічний казус вирішується циклічною зміною агрегатного стану та інших параметрів холодоагенту.

Тобто, система зовнішнього контуру збирає тепло з таких джерел, як ґрунт, повітря, водойми, і передає накопичену енергію на потреби споживача. Це може бути опалення будинку, ГВП, нагрів води для басейну та інше. Водночас, механізм роботи теплового насоса широко використовується в промисловості — технологічні процеси, сільське господарство, будівництво тощо.

Фактори, за якими теплові насоси є суттєво вигіднішою альтернативою газовому та електричному опаленню. Сонце, що нагріває водойми, глибинні шари ґрунту та атмосферу (повітря), працює на користь людини. Така теплова енергія вигідно вирізняється 4-ма факторами:

• безкоштовна;
• невичерпна;
• відновлювана;
• не завдає шкоди екології.

Додаткові корисні аспекти: тепловий насос — це універсальне та економічне у споживанні обладнання. Механізм роботи і будова теплового насоса такі, що установку можна використовувати для нагріву води або повітря, підключати до системи опалення будинку та інших контурів. Водночас коефіцієнт трансформації обладнання (COP) сягає значень від 2 до 7. Тобто, за 1 кВт витраченої електроенергії тепловий насос виробляє до 7 кВт тепла. Це значно перевершує аналогічні показники газових та електричних систем опалення будинку або нагріву води та повітря.

Принцип дії теплового насоса: як працює обладнання для побутових споживачів?

Тепловий насос можна розділити на два контури з циркулюючим холодоагентом. У першій системі відбувається поглинання тепла за рахунок випаровування робочої речовини (зазвичай фреону). У другий контур теплового насоса холодоагент надходить уже в газоподібному стані. Тут фреон спочатку стискається в компресорі, а потім конденсується, віддаючи тепло. Основу механізму роботи теплових насосів становить зворотний термодинамічний цикл, який включає по дві адіабати та ізотерми.

Поетапна схема роботи теплового насосу

Повний цикл теплового насоса складається з чотирьох фаз, під час яких фізичний стан холодоагенту змінюється двічі. Розглянемо кожен етап докладніше:

1. Поглинання тепла із зовнішніх джерел. На цій стадії відбувається закипання фреону. Холодоагент у вигляді рідини надходить у контур випарника насоса, який безпосередньо контактує з теплоносієм. Відповідно до другого закону термодинаміки, тепло від більш нагрітої речовини передається до фреону, що має нижчу температуру. Холодоагент у контурі теплового насоса закипає та випаровується, перетворюючись на газ.
2. Нагрівання фреону. Холодоагент у газоподібному стані надходить у компресор теплового насоса, де відбувається його стиснення, що суттєво підвищує температуру речовини.
3. Передача тепла. Нагрітий газ подається в конденсатор. Тут холодоагент має вищу температуру, ніж робоче середовище, тому тепло передається робочому середовищу, а холодоагент конденсується в рідину.
4. Повернення в початковий стан. Рідина в конденсаторі все ще має відносно високу температуру для повторення циклу. Холодоагент продавлюється через перепускний клапан, де на виході рідина розширюється, що призводить до падіння тиску та зниження температури. Охолоджений фреон знову відбирає теплову енергію в контурі випарника, і цикл повторюється.

Що маємо на практиці?

Основні цілі використання теплових насосів у побутовій сфері — опалення оселі взимку, охолодження повітря влітку та нагрівання води цілодобово. Тобто обладнання є універсальним і багатофункціональним: один тепловий насос замінює обігрівач або систему опалення, бойлер і повітряний кондиціонер.

Тепловий насос дуже енергоощадний у процесі роботи. Для виробництва 1 кВт тепла витрачається лише 0,2 - 0,35 кВт електроенергії. Для порівняння, витрати на опалення будинку за допомогою газових котлів у 2-3 рази вищі за поточних тарифів. Якщо додати ще й нагрівання води, то загальна економія може сягати 80%. Єдиним суттєвим недоліком опалення будинку тепловим насосом є початкові витрати на встановлення обладнання. Але це відносно. Система теплового насоса окупиться вже через 4–5 років, тоді як експлуатаційний ресурс теплових насосів значно довший. Термін служби якісного обладнання від 20 років.

Які джерела тепла використовує тепловий насос?

Обладнання може поглинати і переносити енергію з будь-яких об'єктів, які нагріваються сонячними променями. Найбільш затребувані джерела:

• ґрунт - шари, розташовані нижче рівня промерзання на 0.5 - 1.2 метра;
• повітряні потоки всередині приміщень;
• різні типи водяних резервуарів - зазвичай контур для відбору тепла прокладають на дні;
• атмосферне повітря;
• ґрунтові води;
• гірські та скельні породи (найчастіше використовують у теплових насосах для промисловості).

Цікавий факт. Системи теплових насосів здатні поглинати тепло навіть з атмосферного повітря за температури нижче 0°C. Молекули продовжують рух до позначки в -273°C. Відповідно, теплова енергія в повітрі виробляється при -10°C і нижчих температурах, але в менших обсягах.

Типи ефективного енергозберігаючого обладнання

Якщо класифікувати теплові насоси для опалення будинку за механізмом роботи, то можна виділити три види — компресійні, абсорбційні та напівпровідникові. На побутовому рівні використовується тільки перший тип, тому на ньому й сконцентруємо увагу. Щодо способу відбору енергії, теплові насоси розподіляють також на три категорії:

• Геотермальне обладнання. Найширша група теплових насосів, що має внутрішню класифікацію.
• Повітряні (аеротермальні) пристрої. Складаються з двох підгруп. У першій джерелом теплової енергії є атмосферне повітря. У другій — це системи вентиляції.
• Теплові насоси, що функціонують на вторинній, уже виробленій енергії. Наочний приклад — труби центрального опалення.

Останній варіант частіше використовується на підприємствах, одночасно вирішуючи проблему утилізації паразитної теплової енергії. Тому детальніше розглянемо лише перші два типи обладнання.

Геотермальний тепловий насос: що це таке?

Устаткування працює завдяки енергії, присутній у нижніх шарах ґрунту та підземних водах. У роботі геотермального насоса використовується таке явище, як теплова інерція. Відомо, що температура ґрунту, розташованого нижче рівня промерзання, дорівнює середньорічному аналогічному показнику для атмосферного повітря цього регіону. Тобто це десь 5–10°C.

Важливим фактором є те, що температура ґрунту та підземних вод практично не змінюється протягом року. Тобто користувач отримує надійне та стабільне джерело теплової енергії.

За способом розташування колектора розрізняють чотири види геотермальних насосів:

• горизонтальний — встановлюється на глибині 129 см нижче рівня промерзання і є найвигіднішим з економічної точки зору;

• вертикальний тепловий насос — використовують свердловини глибиною до 200 метрів, рекомендується для житла з дефіцитом земельних ділянок;
• спіральний — варіант, що є комбінацією перших двох видів;
• водяний — найдешевший тип, але має обмеження за глибиною та об'ємом водойми.

Ще один тип геотермального теплового насоса — обладнання з безпосереднім передаванням енергії. У цьому разі колектор відсутній. Відбір теплової енергії здійснюється холодоагентом, що циркулює вздовж мідної труби. Геотермальний тип насоса є найдорожчим видом обладнання, оскільки потребує попереднього вивчення ґрунту. Також важливим критерієм є питома потужність теплової енергії. Цей показник варіюється в інтервалі 8–32 Вт/кв.м, відповідно до характеристик ґрунту.

Гідротермальні теплові насоси: що потрібно знати?

Джерелом енергії для обладнання виступають ґрунтові води. Аналогічно до геотермального насоса, температура середовища, що постачає тепло, залишається незмінною впродовж року і тримається на рівні 10°C. Це також дорогий тип обладнання, але не в експлуатації. Істотних витрат потребують дослідження глибини водяного горизонту і монтаж теплової системи. У процесі використання гідротермальний тепловий насос економічний і окупається протягом перших чотирьох років експлуатації або швидше, оскільки має коефіцієнт трансформації 5 і вище.

Теплові насоси типу повітря-вода: важливі факти

Відрізняються від геотермального обладнання значним зниженням кошторисної вартості. Також скорочується час, необхідний для монтажу. Встановлення аеротермальних (повітряних) теплових насосів не вимагає попереднього аналізу властивостей ґрунту і складних земляних робіт: буріння свердловин, риття траншей тощо.

Проте повітряний тип обладнання дуже чутливий до кліматичних умов. Аеротермальний тепловий насос стабільно функціонує за температури повітря до -25°C. Другий важливий критерій — середня або низька вологість. Інакше існує ризик обмерзання обладнання, через що може бути витрачено багато часу на відтавання.

Отже, для суворих зим аеротермальні насоси потребують бінарної схеми використання — необхідно мати резервне джерело тепла. В інших аспектах це чудовий варіант, який виділяється низькою ціною і високим коефіцієнтом трансформації — 5 і більше. Особливою надійністю, довготривалим терміном служби та енергоефективністю вирізняються теплові насоси типу повітря-вода компанії Mycond.

Що таке тепловий насос повітря-повітря

Це агрегат, що функціонує за принципом роботи кондиціонера. Джерелом тепла для обладнання є зовнішнє повітря або вентиляційні системи. Базове призначення такого насоса — обігрів приміщень. Деякі моделі цього обладнання мають додаткові засоби для нагріву води.

Переваги теплових насосів 

У побутовій сфері основною перевагою є незалежність споживача від підвищення тарифів на опалення та газ. Інші причини для встановлення теплового насоса:

• Універсальність. Один насос можна використовувати для різних цілей — тепла підлога, опалення будинку, нагрівання води тощо.
• Економічність. Витрати на комунальні послуги знижуються на 50–80%.
• Потужність. Насос забезпечує достатню кількість тепла для виконання всіх функцій, будь то опалення будинку, нагрівання води або підключення до інших систем.
• Властивості джерел енергії. Важливо, щоб холодоагент насоса отримував достатньо тепла ззовні.
• Кліматичні умови. Це має значення переважно для аеротермальних теплових насосів. Якщо умови не оптимальні, потрібно мати резервне обладнання і правильно визначити точку бівалентності для його запуску.
• Надійність. Термін експлуатації теплових насосів становить 15–20 років.
• Екологічність. Під час експлуатації теплових насосів відсутній викид CO₂ в атмосферу та інші шкідливі явища для навколишнього середовища.
• Автоматичний контроль. Керування тепловим насосом не потребує додаткових навичок. Контроль здійснюється за допомогою сучасних цифрових датчиків.
• Легкість встановлення. Встановлення теплових насосів не вимагає погоджень, нагляду, повірки приладів та іншої бюрократії.

Отже, теплові насоси — це економічний та універсальний тип обладнання з високим коефіцієнтом трансформації. Пристрої вигідно вирізняються широкими функціональними можливостями. Один агрегат може нагрівати воду, опалювати приміщення, підтримувати необхідну температуру в системі «тепла підлога». Обладнання практично не потребує догляду і характеризується високою надійністю. Термін експлуатації теплових насосів сягає 15–20 років. Єдина вимога до споживача — зробити правильний вибір. Найкраще для цього звернутися до досвідченої команди фахівців.