Тепловой насос – это компактная отопительная установка, предназначенная для автономного обогрева и горячего водоснабжения жилых, производственных и прочих помещений за счет отбора тепла из окружающей среды. Одновременно, такая система может служить источником холода и для системы кондиционирования.
Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии, например, электрических или газовых, заключается в том, что при производстве тепла до 80% энергии извлекается из возобновляемых источников. Тепловой насос способен «выкачивать» энергию, накопленную за теплое время года из грунта, воды и даже воздуха.
Тепловой насос отличается особой энергоэффективностью, например, при потреблении 1 кВт электроэнергии, в зависимости от режима работы и условий эксплуатации, производит до 4 – 5 кВт тепловой энергии. Такая высокая эффективность обеспечивается тем, что электрическая энергия используется только на перенос тепла, например, от грунта в помещение. Поэтому, данный способ отопления можно считать одним из самых эффективных.
Как мы знаем из школьного курса физики, внутренняя энергия (или тепло) содержится в любом предмете или веществе, температура которого выше –273 °С (0°К). Например, имея кусок льда, допустим 1 м3 с температурой -10 °С, мы также имеем какое-то оп
ределенное количество энергии, которая находится в этом льде. Представим также себе, что рядом с нашим льдом находиться бочка с водой с температурой +10 °С. А теперь полезно вспомнить закон сохранения энергии, в котором говорится, что энергия не может взяться из неоткуда и исчезнуть в никуда, а только переходит из одного вида в другой.
Следовательно, имея способ переноса тепла, мы можем начать отбирать тепло у льда и переносить его к воде в нашей бочке. Соответственно температура льда начнет понижаться, а температура воды в бочке повышаться. И если наш способ переноса тепла достаточно совершенен, а масса льда и воды в бочке подобраны в соответствии с удельной теплоёмкостью веществ, то в теории, мы можем охладить лед до -273 °С, а воду в бочке довести до кипения, или даже превратить в пар.
Тоже самое выполняет тепловой насос, являясь как-раз тем самым механизмом для переноса тепла (внутренней энергии) от одного тела к другому. И если у нас вместо льда, например – озеро, а вместо бочки с водой – вода системы отопления, то мы получаем полноценную рабочую систему отопления с источником низкопотенциального тепла (воды озера) и получателем высокопотенциального тепла (воды системы отопления).
Как уже отмечалось, для работы теплового насоса необходима электроэнергия. Отношение количества тепловой энергии, «выданной» тепловым насосом, к потреблённой электрической энергии, называют коэффициентом преобразования теплового насоса (СОР – coefficient of performance).
Коэффициент преобразования теплового насоса, в зависимости от условий, может быть доведён и до 10-12. В реальных же условиях, при решении стандартных задач отопления, СОР обычно составляет от 3 до 5.
История тепловых насосов
Концепция тепловых насосов была разработана на базе известного Цикла Карно еще в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (Лордом Кельвином), и в дальнейшем усовершенствована, и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером (Peter Ritter von Rittinger).
Петера Риттера фон Риттингера считают изобретателем теплового насоса, ведь как раз он спроектировал и установил первый известный тепловой насос в 1855 году. Но практическое применение тепловой насос приобрел значительно позже, а точнее в 40-х годах ХХ столетия, когда изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер (Robert C. Webber) экспериментировал с морозильной камерой. Как-то раз Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе морозильной камеры и понял, что тепло просто выбрасывается наружу.
Изобретатель задумался над тем, как использовать это тепло, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В итоге Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть тепла от нагретой воды попадала в воздух.
Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника тепла можно нагревать и воду, и воздух одновременно, поэтому Вебер усовершенствовал свое изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять тепло по дому с целью его отопления.
Со временем именно у Вебера появилась идея «выкачивать» тепло из земли, где температура не сильно изменяется в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон, который «собирал» тепло земли. Газ конденсировался, отдавал свое тепло в доме, и снова проходил через змеевик, чтобы подобрать следующую порцию тепла. Воздух приводился в движение с помощью вентилятора и распространялся по дому. В следующем году Вебер продал свою старую угольную печь.
В 40-х годах тепловой насос был известен благодаря своей чрезвычайной эффективности, но реальная потребность в нем возникла в период Арабского нефтяного эмбарго в 70-х годах, когда несмотря на низкие цены на энергоносители появился интерес к энергосбережению.
