Основы тепловых насосов были впервые заложены в 1824 году Николя Карно. Первоначально известные как разновидность холодильного цикла, тепловые насосы претерпели значительные изменения в 1850 году, когда Лорд Кельвин предложил использовать холодильные машины для целей отопления. Таким образом, тепловые насосы впервые были внедрены на практике.
Перед Второй мировой войной многие инженеры активно работали над развитием тепловых насосов. Хотя после 1950-х годов наблюдались значительные технологические достижения, высокая стоимость установки ограничивала их распространение.
В 1973 году, в условиях мирового энергетического кризиса, тепловые насосы вновь приобрели популярность. Они эффективно используют тепло с низкой температурой из окружающей среды. Принцип работы современных тепловых насосов технически аналогичен холодильнику, используемому в быту.
Принцип работы
Тепловой насос может работать как автономно, так и с дополнительными системами. Тепло низкой температуры, получаемое из воздуха, воды или грунта, испаряет хладагент. Затем пар подаётся в компрессор, где происходит повышение температуры и подача тепла в систему распределения.
Тепловые насосы могут использоваться для отопления зимой и охлаждения летом. По сравнению с традиционными системами на основе ископаемого топлива, тепловые насосы обеспечивают экономию энергии более 50%. Существуют три основных типа:
- Воздушные тепловые насосы
- Водяные тепловые насосы
- Геотермальные (грунтовые) тепловые насосы
Энергоэффективность и коэффициенты
Эффективность тепловых насосов определяется через COP (Coefficient of Performance) — коэффициент полезного действия. COP показывает отношение полезного тепла к затраченной энергии. Для оценки эффективности охлаждения используется EER (Energy Efficiency Ratio).
Несмотря на все преимущества, тепловые насосы пока не получили широкого распространения в массовом использовании, но постепенно становятся более популярными. Особенно централизованные тепловые насосные системы начинают активно применяться в Турции благодаря экономическим преимуществам.
Преимущества тепловых насосов
- Энергосбережение: до 40–50% по сравнению с традиционными системами отопления
- Экологичность: снижение выбросов CO₂, отсутствие отходов
- Многофункциональность: подходят для различных задач одновременно
- Отсутствие дымохода и отходящих газов — чистый источник энергии
- Продление срока службы оборудования при правильном проектировании и эксплуатации
Основные компоненты теплового насоса
Тепловой насос использует воздух, воду или грунт в качестве источника тепла. Наиболее стабильный источник — грунт, хотя первоначальная стоимость выше.
Тепловые насосы работают на фреоновых хладагентах в замкнутых контурах:
- Испаритель: холодный хладагент поглощает тепло из источника и испаряется.
- Компрессор: пар сжимается, увеличивая температуру и давление.
- Конденсатор: хладагент отдает тепло в систему.
- Дроссельный клапан: снижает давление и температуру перед повторным циклом.
Тепловой насос и холодильник используют один и тот же цикл, но с разными целями:
- Холодильник: поддержание низкой температуры среды
- Тепловой насос: поддержание высокой температуры среды
Условия для эффективной работы
Для высокой производительности теплового насоса важны следующие условия:
- Стабильная температура источника тепла
- Высокая температура источника
- Достаточное количество тепла и минимальное влияние географических условий
- Отсутствие коррозионного воздействия
- Чистота источника тепла
Эффективность работы насоса в значительной степени зависит от характеристики теплового источника.