Тепловий насос – це компактна опалювальна установка, призначена для автономного обігріву та гарячого водопостачання житлових, виробничих та інших приміщень завдяки відбору тепла з навколишнього середовища. Одночасно, така система може бути джерелом холоду та для системи кондиціонування.
Основна відмінність теплового насоса від інших генераторів теплової енергії, наприклад електричних або газових, полягає в тому, що при виробництві тепла до 80% енергії витягується з відновлюваних джерел. Тепловий насос здатний «викачувати» енергію, накопичену за теплу пору року з ґрунту, води та навіть повітря.
Тепловий насос відрізняється особливою енергоефективністю, наприклад, при споживанні 1 кВт електроенергії, залежно від режиму роботи та умов експлуатації, виробляє до 4 – 5 кВт теплової енергії. Така висока ефективність забезпечується тим, що електрична енергія використовується тільки для перенесення тепла, наприклад, від ґрунту в приміщення. Тому цей спосіб опалення можна вважати одним з найефективніших.
Як ми знаємо зі шкільного курсу фізики, внутрішня енергія (або тепло) міститься у будь-якому предметі чи речовині, температура якої вища –273 °С (0°К). Наприклад, маючи шматок льоду, допустимо 1 м3 з температурою -10 °С, ми також маємо певну кількість енергії, яка знаходиться в цьому льоді. Уявімо також, що поруч із нашим льодом перебуватиме бочка з водою з температурою +10 °С. А тепер корисно згадати закон збереження енергії, в якому йдеться про те, що енергія не може взятися з нізвідки і зникнути в нікуди, а тільки переходить з одного виду в інший.
Отже, маючи спосіб перенесення тепла, ми можемо почати відбирати тепло у льоду та переносити його до води у нашій бочці. Відповідно температура льоду почне знижуватися, а температура води у бочці підвищуватиметься. І якщо наш спосіб перенесення тепла досить досконалий, а маса льоду та води в бочці підібрані відповідно до питомої теплоємності речовин, то теоретично ми можемо охолодити лід до -273 °С, а воду в бочці довести до кипіння, або навіть перетворити на пар.
Те саме виконує тепловий насос, будучи саме тим самим механізмом для перенесення тепла (внутрішньої енергії) від одного тіла до іншого. І якщо в нас замість льоду, наприклад – озеро, а замість бочки з водою – вода системи опалення, то ми отримуємо повноцінну робочу систему опалення з джерелом низькопотенційного тепла (води озера) та одержувачем високопотенційного тепла (води системи опалення).
Як вже зазначалося, для роботи теплового насоса необхідна електроенергія. Відношення кількості теплової енергії, «виданої» тепловим насосом, до спожитої електричної енергії називають коефіцієнтом перетворення теплового насоса (СОР – coefficient of performance).
Коефіцієнт перетворення теплового насоса, залежно від умов, може бути доведений до 10-12. У реальних умовах, при вирішенні стандартних завдань опалення, СОР зазвичай становить від 3 до 5.
Історія теплових насосів
Концепція теплових насосів була розроблена на базі відомого Цикла Карно ще в 1852 році видатним британським фізиком та інженером Вільямом Томсоном (Лордом Кельвіном), і надалі вдосконалена, і деталізована австрійським інженером Петером Ріттером фон Ріттінгером(Peter Ritter von Rittinger).
Петера Ріттера фон Ріттінгера вважають винахідником теплового насоса, адже саме він спроектував і встановив перший відомий тепловий насос у 1855 році. Але практичне застосування теплового насоса придбав значно пізніше, а точніше в 40-х роках ХХ століття, коли винахідник-ентузіаст Роберт Вебер (Robert C. Webber) експериментував з морозильною камерою. Якось Вебер випадково торкнувся гарячої труби на виході морозильної камери і зрозумів, що тепло просто викидається назовні.
Винахідник задумався над тим, як використати це тепло, і вирішив помістити трубу у бойлер для нагрівання води. У результаті Вебер забезпечив свою сім’ю такою кількістю гарячої води, яку вони фізично не могли використовувати, при цьому частина тепла від нагрітої води потрапляла в повітря.
Це підштовхнуло його до думки, що від одного джерела тепла можна нагрівати і воду, і повітря одночасно, тому Вебер удосконалив свій винахід і почав проганяти гарячу воду спіраллю (через змійовик) і за допомогою невеликого вентилятора поширювати тепло по будинку з метою його опалення.
Згодом саме у Вебера з’явилася ідея «викачувати» тепло із землі, де температура не сильно змінюється протягом року. Він помістив у ґрунт мідні труби, якими циркулював фреон, який «збирав» тепло землі. Газ конденсувався, віддавав своє тепло в будинку і знову проходив через змійовик, щоб підібрати наступну порцію тепла. Повітря рухалося за допомогою вентилятора і поширювалося по будинку. Наступного року Вебер продав свою стару вугільну піч.
У 40-х роках тепловий насос був відомий завдяки своїй надзвичайній ефективності, але реальна потреба в ньому виникла в період Арабського нафтового ембарго в 70-х роках, коли, незважаючи на низькі ціни на енергоносії, з’явився інтерес до енергозбереження.
