Багато власників приватних будинків в Україні цікавляться тепловими насосами як
альтернативою дорогому газу та електриці для опалення. Але принцип роботи теплового насоса не зажди зрозумілий: як може працювати обладнання, яке начебто суперечить законам фізики? Адже тепло завжди переходить від теплого до холодного, а тут навпаки!

Насправді все просто. Тепловий насос працює за тими ж принципами, що і звичайний
холодильник у вашій кухні – тільки навпаки.

Коротко про принцип роботи теплового насоса

Уявіть звичайний холодильник. Він забирає тепло з продуктів (охолоджуючи їх) і викидає його
через задню решітку в кухню. Тепловий насос робить те ж саме, але навпаки – забирає тепло
з вулиці (навіть з морозного повітря) і віддає його в дім. При цьому виходить, що тепло від холоднішого джерела переноситься до більш нагрітого, що не зустрічається в природному середовищі і суперечить другому закону термодинаміки.

За рахунок чого тепловий насос здатний “розгорнути” природний напрямок теплового потоку?

В основі роботи теплового насоса лежить зворотний термодинамічний цикл Карно. Ключовий компонент циклу – робоча рідина (холодоагент), що має особливі термодинамічні властивості. Найважливішою властивістю холодоагенту є здатність закипати за температури нижче нуля. Щоб змусити холодоагент переносити тепло, тепловий насос оснащують чотирма ключовими елементами:

• Випарник – забирає тепло з навколишнього середовища
• Компресор – стискає робочу рідину, підвищуючи її температуру
• Конденсатор – віддає тепло в систему опалення
• Розширювальний клапан ТРВ – знижує тиск для повторення циклу

Принцип роботи теплового насоса поділяють на 4 основні фази (більш детальне пояснення)

I Розширення

Холодагент, що знаходиться в рідкій фазі, продавлюється через розширювальний пристрій ТРВ. ТРВ різко знижує тиск робочої рідини. При тиску близько 7 бар холодоагент закипає навіть при -25 ˚С. Це важливо, оскільки кипіння та випаровування і є процесами поглинання та виділення енергії, а це необхідна умова для наступної фази.

II Кипіння

Після ТРВ рідина надходить у випарник, який є теплообмінником. За його допомогою тепловий насос отримує тепло від навколишнього середовища. Холодоагент закипає і починає випаровуватися поглинаючи теплоту. У результаті на виході з випарника холодоагент знаходиться повністю в пароподібному стані і всього на кілька градусів тепліше за свій початковий стан. Однак завдяки переходу в пару робоча рідина змогла отримати достатню кількість енергії і готова до наступного етапу.

III Стиснення

Потім холодоагент надходить у компресор, за допомогою якого тепловий насос стискає робочу рідину. У процесі стиснення тиск холодоагенту підвищується, цяк результат робоча пароподібна рідина різко нагрівається.

IV Скраплення

Після компресора, гарячий холодоагент надходить у конденсатор, який також є теплообмінником. У конденсаторі робоча рідина конденсується віддаючи тепло і перетворюючись знову на рідину. Це тепло передається системі опалення та ГВП. На виході з конденсатора холодоагент знаходиться в рідкій фазі і знову надходить на ТРВ. Процес відбувається циклічно.

На перший погляд досить складний цикл але нічого дивного в ньому немає. І ці процеси, досить легко пояснюються законами фізики і схожими природними явищами з нашого сьогодення. Тож розглянемо 5 простих явищ, що оточують нас у повсякденні які пояснюють цю “магію” та дозволяють зрозуміти принцип роботи теплового насоса.

1. Тепло є навіть у морозному повітрі

Життєвий приклад: Коли ви дихаєте на морозі, то бачите пару. Це означає, що навіть у -20°C
у повітрі є тепло – просто його менше ніж коли на дворі спека.

Як це працює в тепловому насосі: Тепло – це рух найменших частинок. Вони повністю
зупиняються тільки при температурі -273°C (абсолютний нуль). Отже, навіть у -25°C у повітрі
ще багато тепла, яке можна використати.
Практичне значення: Пам’ятаєте, у другій фазі холодоагент закипає навіть при мінусових температурах, поглинаючи тепло. Завдяки цьому повітряні теплові насоси ефективно працюють до -20°C, геотермальні – цілий рік, адже в землі на глибині 2м завжди +8-12°C.

2. Тепло завжди переходить від теплого до холодного

Життєвий приклад: Гаряча чашка кави остигає в прохолодній кімнаті, а не навпаки.

Як це працює в тепловому насосі: Закон не порушується! Просто тепловий насос створює
дві зони:

• У випарнику робоча рідина холодніша за зовнішнє повітря – тому поглинає тепло
• У конденсаторі вона гарячіша за систему опалення – тому віддає тепло

Практичне значення: Цей принцип відповідає другій та четвертій фазі циклу, де відбувається перенос тепла. Система працює згідно з другим законом термодинаміки, просто розумно його використовує.

3. Коли стискаєш – нагрівається, коли розширяєш – охолоджується

Життєвий приклад: Коли накачуєте колесо велосипеда, насос нагрівається. Коли розпилюєте
дезодорант, балончик стає холодним.

На фото видне утворення інію на клапані газового балона. Адже під час тривало випаровування газу тиск зменшуєтся доволі разко і температра падає аж до від’ємних значень.

Як це працює в тепловому насосі:

• Компресор стискає робочу рідину – вона нагрівається до +60-80°C
• Розширювальний клапан різко знижує тиск – рідина охолоджується до -25°C

Практичне значення: Відповідно перша та трятя фази використовують цю властивість рідин та газів. Завдяки стисненню тепловий насос може нагрівати воду до 60°C навіть коли на вулиці мороз.

4. Секрет у зміні стану речовини (фазовий перехід)

Життєвий приклад: Коли ви виходите з теплого душу, шкіра стає прохолодною. Це тому, що вода випаровується і забирає тепло з тіла. Або коли ми прискаємо парфумами на тіло, то одразу відчуваємо прохолоду, бо спирт, що містить парфум швидко випаровується забираючи й тепло з шкіри.

Як це працює в тепловому насосі:

• У випарнику робоча рідина закипає і поглинає величезну кількість тепла
• У конденсаторі пара перетворюється назад у рідину і віддає це тепло

Цікавий факт: Щоб закип’ятити чайник води потрібно у 5,5 разів менше енергії, ніж щоб її повністю випарити! Тепловий насос використовує саме цю властивість.

Практичне значення: Саме це є ключовою властивістю холодоагента. Оскільки під час кипіння або конденсації (друга і четевта фази) поглинається або виділяється велика кількість енергії, при цьому температура під час цього процесу не міняється, поки рідина повністю не перейде в іншу фазу. Використання фазового переходу це базис, на якому побудований принцип роботи теплового насоса. Один кілограм робочої рідини може перенести стільки ж тепла, скільки 100 кг гарячої води.

5. Тиск змінює температуру кипіння

Життєвий приклад: У горах на висоті 3000м вода кипить при 90°C замість 100°C. Це через
знижений тиск.

Як це працює в тепловому насосі:

• При низькому тиску робоча рідина кипить при -25°C і поглинає тепло з морозного
• повітря
• При високому тиску вона конденсується при +60°C і віддає тепло в систему опалення

Практичне значення: Змінюючи тиск, тепловий насос може працювати з різними
температурами зовнішнього повітря та опалення.

Як і багато інших приладів, тепловий насос працює згідно із законами фізики. Багато хто з них легко пояснити завдяки явищам природи, які оточують нас у повсякденному житті.