Анти-холодильник: Как работает тепловой насос?
Введение: Звезда отопительной техники
Тепловые насосы в последние годы часто упоминаются в СМИ и особенно интересны для владельцев домов. Современные тепловые насосы должны быть эффективными, тихими и, прежде всего, экологичными.
Впечатляющие цифры
- Более 70% всех новых строительных проектов в Германии (2023) предусматривают тепловой насос в качестве основного источника отопления
- Мировой оборот в 2024 году, как ожидается, достигнет 70 миллиардов долларов США
- Принцип работы был открыт еще в 17 веке
- Первая система теплого пола с тепловым насосом была установлена в 1968 году
Почему бум?
Факторы, способствующие росту популярности тепловых насосов:
- Высокие цены на энергоносители
- Повышение экологической осведомленности
- Технический прогресс
- Сочетание с солнечной энергией позволяет углеродно-нейтральное отопление
Тепловой насос и холодильник: Близкие родственники
Тепловые насосы и холодильники на самом деле близкие родственники – почти как братья. Почему эти устройства так похожи, хотя они разработаны для совершенно противоположных задач?
На первый взгляд, оба устройства выполняют противоположные задачи – но загляните под капот, и вы увидите удивительные сходства:
| Устройство | Поглощает тепло из | Отдает тепло в |
|---|---|---|
| Холодильник | Внутреннее пространство | Окружающая среда (задняя часть) |
| Тепловой насос | Окружающая среда | Внутреннее пространство (отопление) |
Принцип работы идентичен – только цель обратная!
Физические основы
Чтобы понять тепловые насосы, сначала нужно разобраться в двух концепциях:
- Агрегатные состояния
- Передача тепла
Физика агрегатных состояний
Твердое, жидкое и газообразное – эти три агрегатных состояния повсеместны. Но что именно такое агрегатное состояние?
Определение: Текущий статус или форма материи, определяемая движением частиц.
Фундаментальный закон природы: При повышении температуры частицы движутся быстрее и интенсивнее.
Свойства трех агрегатных состояний существенно различаются:
| Агрегатное состояние | Движение частиц | Структура |
|---|---|---|
| Твердое | Вибрация на месте | Упорядоченная структура |
| Жидкое | Движутся, остаются связанными | Частично упорядоченная |
| Газообразное | Движутся свободно | Нет структуры |
Важно: Переход из одного состояния в другое требует поглощения или отдачи энергии. Именно это использует тепловой насос!
Два основных закона термодинамики
Наука о тепле – термодинамика – имеет два фундаментальных правила:
1. Закон: Сохранение энергии
Энергия не может быть создана из ничего или уничтожена. Она может только преобразовываться.
Примеры:
- Электрическая энергия → Тепло (электронагреватель)
- Химическая энергия → Тепло (огонь)
2. Закон: Направление тепла
Тепло всегда движется от теплого к холодному.
Природа всегда стремится к энергетическому равновесию.
Пример камина: Тепло покидает горячий камин и нагревает холодное помещение – никогда наоборот.
Три вида передачи тепла
Тепло может передаваться различными способами:
| Вид | Описание | Пример |
|---|---|---|
| Кондукция (теплопроводность) | Прямой контакт двух веществ | Рука на батарее |
| Конвекция (тепловой поток) | Перенос тепла движущимися газами/жидкостями | Теплый воздух поднимается вверх |
| Излучение | Электромагнитные волны | Тепло от солнца |
Кондукция (теплопроводность)
Быстрые частицы более теплого материала сталкиваются с медленными частицами более холодного. Так тепло передается через прямой контакт.
Конвекция (тепловой поток)
Теплый воздух имеет меньшую плотность и поднимается вверх. Он переносит тепло и транспортирует его в другое место.
Цикл:
- Воздух нагревается → Плотность уменьшается → Поднимается вверх
- Наверху воздух охлаждается → Плотность увеличивается → Опускается вниз
- Внизу он снова нагревается → Цикл замыкается
Тепловое излучение
Электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне. Не требует среды передачи – поэтому солнечное тепло достигает нас через вакуум космоса.
Принцип работы теплового насоса
Тепловой насос "перекачивает" тепло из одного места в другое – точно так же, как водяной насос транспортирует воду.
Основная идея
Тепловой насос:
- Извлекает тепло из окружающей среды (даже из холодного воздуха!)
- Сжимает это тепло до более высокого температурного уровня
- Отдает тепло в систему отопления
Но как извлечь тепло из холодного воздуха?
Секрет в хладагенте – специальной жидкости, которая испаряется при очень низких температурах и при этом поглощает тепло.
Цикл в четырех фазах
Фаза 1: Испарение (поглощение тепла)
- Жидкий хладагент проходит через испаритель (теплообменник)
- Окружающий воздух засасывается вентилятором
- Даже холодный воздух содержит тепловую энергию
- Хладагент поглощает это тепло и испаряется (становится газообразным)
Фаза 2: Сжатие (повышение температуры)
- Газообразный хладагент поступает в компрессор
- Компрессор механически сжимает газ
- При сжатии повышается давление и, следовательно, температура
- Хладагент теперь имеет пригодную для использования высокую температуру
Фаза 3: Конденсация (отдача тепла)
- Горячий, сжатый газ поступает в конденсатор (второй теплообменник)
- Тепло передается в отопительную воду
- Хладагент конденсируется (снова становится жидким)
- Нагретая вода поступает в систему теплого пола или радиаторы
Фаза 4: Разрядка (снижение давления)
- Жидкий хладагент все еще имеет повышенное давление
- Расширительный клапан снижает давление
- Давление падает → Температура падает
- Хладагент возвращается в исходное состояние
Затем цикл начинается заново!
Сводка фаз
Четыре фазы цикла теплового насоса можно кратко резюмировать:
| Фаза | Компонент | Процесс | Агрегатное состояние |
|---|---|---|---|
| 1 | Испаритель | Поглощение тепла | Жидкость → Газ |
| 2 | Компрессор | Повышение давления | Газ (горячий) |
| 3 | Конденсатор | Отдача тепла | Газ → Жидкость |
| 4 | Расширительный клапан | Снижение давления | Жидкость (холодная) |
Нет противоречия с физикой!
На первый взгляд, кажется, что тепловой насос нарушает второй закон термодинамики: тепло течет от холодного (наружный воздух) к теплому (отопление).
Решение: Используется энергия (электрический ток для компрессора), чтобы обратить естественный поток тепла. Система в целом следует законам природы!
Трюк
- Хладагент холоднее, чем наружный воздух → Тепло течет внутрь (физически корректно)
- При сжатии хладагент теплее, чем отопительная вода → Тепло течет наружу (физически корректно)
Тепловой насос не создает энергию из ничего – он просто очень умно ее транспортирует и трансформирует!
Преимущества и недостатки тепловых насосов
Преимущества
Тепловые насосы предлагают множество преимуществ по сравнению с традиционными системами отопления:
| Преимущество | Объяснение |
|---|---|
| Высокая эффективность | Из 1 кВт⋅ч электроэнергии получается 3–5 кВт⋅ч тепла |
| Экологичность | Нет прямых выбросов CO2 |
| Низкие эксплуатационные расходы | Дешевле, чем нефть или газ |
| Долгий срок службы | 15–25 лет |
| Низкие затраты на обслуживание | Нет сгорания = меньше износа |
| Нет необходимости в хранении топлива | Нет необходимости в резервуаре для нефти или газовом подключении |
| Субсидии | Доступны государственные субсидии |
Недостатки
Несмотря на множество положительных свойств, есть и аспекты, которые следует учитывать:
| Недостаток | Объяснение |
|---|---|
| Высокая стоимость установки | 10.000–25.000 € в зависимости от типа |
| Зависимость от электричества | Требуется электрический ток |
| Эффективность снижается при холоде | Менее эффективен при очень низких температурах |
| Шум | Внешний блок может быть слышен |
| Низкие температуры подачи | Не подходит для всех систем отопления |
| Требуется место | Необходим внешний блок или земляные работы |
Заключение
Основная мысль: Тепловые насосы используют умную физику, чтобы извлечь тепло из окружающей среды и поднять его до пригодного уровня. Цикл из испарения, сжатия, конденсации и разрядки позволяет получать тепло даже из холодного зимнего воздуха.
Какие компоненты точно взаимодействуют, вы узнаете в статье Компоненты: теплообменник, компрессор и расширительный клапан.
Полная серия статей «Тепловые насосы»
- Анти-холодильник: Как работает тепловой насос? – Вы здесь
- Компоненты: теплообменник, компрессор и расширительный клапан – Компоненты
- Показатели и размер тепловых насосов – COP, JAZ и другие
- Режимы работы: Моновалентный, Бивалентный и Гибридный – Режимы работы
- Типы тепловых насосов и идеальное сочетание с солнечными системами – Воздухо-водяные, рассол-водяные и солнечные
Источники
- DESTATIS: Тепловые насосы в новых зданиях 2023
- Mordor Intelligence: Рынок тепловых насосов
- Heizung.de: История теплового насоса
- LEIFIphysik: Передача тепла
- Chemie.de: Термодинамика
Рассчитайте JAZ сейчас
С помощью нашего бесплатного калькулятора тепловых насосов вы можете рассчитать годовой коэффициент использования теплового насоса по стандарту VDI 4650 – включая эксплуатационные расходы и углеродный баланс.