Теплові насоси: принцип роботи, ефективність, типи

Тепловий насос завойовує все більшу популярність на ринку альтернативних систем опалення в Україні.

Він відмінно вписується в нову енергетичну політику країни, обладнання відносно недороге і ефективне, але головний плюс технології ТН – багатофункціональність. Тепловий насос не тільки нагріває приміщення і воду. Є також і можливість охолоджувати приміщення в теплу пору року.

Далі ми розглянемо принцип роботи ТН, його практичну ефективність і приклади роботи системи на найпопулярніших моделях на ринку.

Принцип роботи теплового насосу

Ідея першого теплового насосу належить британському інженеру Вільяму Томсону, який ще у 1852 опублікував технологію “помножувача тепла”, що стало першим прототипом повітряного теплового насосу. ТН працює як компресор у холодильних машинах: пристрій забирає тепло з одного місця (наприклад, з повітря на вулиці, грунту, води тощо), передає його теплоносію у компресорі, а теплоносій (вода або антифриз) потім передає високопотенційне тепло в опалювальне приміщення. Тим самим методом можна й охолоджувати будинок, передаючи тепло з приміщення назовні – такі теплові насоси називаються “реверсивними”. Також ТН може працювати як на систему ГВП, так і на опалювальну систему.

Робота теплового насосу складається з 3 циклів та наочно продемонстрована в відео від відомого виробника такого обладнання компанії VAILLANT:

Економічність та ефективність теплового насосу

Тепловий насос використовує відновлювальні джерела енергії (ВДЕ), майже не впливаючи на оточуючу середу, тому використання такого обладнання заохочується на державному рівні. В Законі України “Про альтернативні джерела енергії” визначено, що обладнання, яке використовує аеротермальну, гідротермальну або геотермальну енергію, відноситься до технологій, які використовують ВДЕ. Важливо зазначити, що тепловий насос визнається обладнанням, яке використовує ВДЕ за умови, якщо кількість виробленої теплової енергії вища за кількість ТЕ, витраченої на виробництво електроенергії, яку ТН використав.

На стороні теплових насосів також і європейське законодавство. Зокрема Резолюція ЄС по Стратегії опалення та охолодження (EU Strategy on Heating and Cooling) визнає технології прямого спалювання безперспективними і виводить на перший план комбінування приладів, які працюють на ВДЕ, в тому числі й теплові насоси.

Особливість роботи ТН в тому, що його ефективність залежить від різниці температур між джерелом теплової енергії та необхідної кінцевою температурою: чим менша різниця температур, тим вищий коефіцієнт перетворення – СОР (Coefficient of Performance). Число коефіцієнту перетворення дорівнює відношенню виробленої теплової енергії до вживаної електричної енергії. Якщо СОР дорівнює 4 – це означає тепловий насос виробив в 4 рази більше теплової енергії ніж використав електричної для роботи. Щоб досягти СОР = 4, температура джерела ТЕ має бути плюсовою. В той самий час, якщо температура зовнішнього середовища -20°C, СОР впаде до 2.

З цього випливає два висновки: по-перше, використовувати ТН самостійно у зимній період в українському кліматі неможливо або просто економічно не вигідно; по-друге, теплові насоси вигідніше використовувати для опалювальних систем, ніж для нагріву води у системі ГВП. Найефективніша модель опалювальної системи – комбінування ТН з котлами на біопаливі. Така “бівалента схема” давно перевірена на практиці, обидва агрегати підключаються до единої системи опалення, в якій ТН несе основне навантаження і котел включається в роботу в критичні моменти сезону. Інший варіант – ТН використовується в системі “теплої підлоги”, “теплої стіни” тощо, і котел приєднаний до системи з радіаторами.

Види теплових насосів

ТН класифікуються по двум головним параметрам – джерелу теплової енергії та виду теплоносія. Тепловий насос може вилучати ТЕ з середовища 3 різних типів:

• повітря
• вода
• ґрунт

Два останні варіанти найбільш ефективні та стабільні, але не завжди є можливість установки ТН під землю/воду, не кажучи вже про більшу вартість обладнання і установки. З іншого боку, повітряні ТН менш ефективні, але їх можна встановлювати навіть власникам квартир.

Інший параметр в класифікації ТН – тип теплоносія. Теплові насоси працюють на двох видах теплоносіїв – повітря та вода. На основі цих двух параметрів виділяються шість типів ТН , де перше слово позначає джерело ТЕ, а друге – вид теплоносія:

• “вода-вода”
• “ґрунт-вода”
• “повітря-вода”
• “вода-повітря”
• “ґрунт-повітря”
• “повітря-повітря”

ТН з водяним теплоносієм більш універсальні за функціоналом – їх можна використовувати і для опалення/охолодження приміщення, і для нагріву води в ГВП, в той час як повітряні тільки для контролю температури приміщення. Але повітряні ТН дешевші та простіші, особливо теплові насоси типу “повітря-повітря” в своїй основі працюючи як спліт-кондиціонери.

Який можна зробити висновок? Тепловий насос – перспективне и екологічне обладнання для опалення, але, на жаль, для більшості українців на теперішній час надто дороге. Теплові насоси “повітря-вода” набирають все більшу популярність в Україні завдяки можливостям встановлення практично в любому місці.