Введение: Основные элементы теплового насоса

Тепловой насос состоит из четырех основных компонентов, которые работают в цикле:

1. Испаритель (теплообменник для поглощения тепла)
2. Компрессор (сердце системы)
3. Конденсатор (теплообменник для отдачи тепла)
4. Расширительный клапан (снижение давления)

Также важен хладагент, который циркулирует через все компоненты. В этой статье мы подробно рассмотрим каждый компонент.

Теплообменник: передача и поглощение тепла

Без теплообменника современная техника отопления и охлаждения была бы невозможна. Эта компонента выполняет основную задачу поглощения и отдачи тепла.

Принцип работы

В теплообменнике тепло передается между двумя средами, не контактируя напрямую.

Важно: "Теплое" всегда движется к "холодному" – это второй закон термодинамики в действии.

Передача тепла осуществляется в основном через:

• Кондукцию: теплопроводность через материалы
• Конвекцию: перенос тепла через движущиеся среды

Примеры из повседневной жизни

Теплообменники встречаются нам ежедневно в различных устройствах:

Устройство	Поглощение тепла	Отдача тепла
Авторадиатор	Горячая охлаждающая жидкость	Проходящий воздух
Холодильник	Внутреннее пространство	Задняя стенка (решетка)
Тепловой насос	Окружающая среда (воздух/земля)	Вода для отопления

Типы теплообменников

Трубчатые теплообменники

Конструкция:

• Труба с циркулирующей средой
• Определенное пространство вокруг трубы с другой средой
• Тепло передается через стенку трубы

Преимущества:

Трубчатые теплообменники выделяются своей простотой:

Преимущество	Объяснение
Простая конструкция	Мало компонентов
Надежность	Нечувствительность к перепадам давления
Легкость в обслуживании	Легко очищаются
Низкая стоимость	Дешевое производство

Недостатки:

Простота также влечет за собой ограничения:

Недостаток	Объяснение
Меньшая эффективность	Меньшая площадь передачи
Большая потребность в пространстве	Требуется больше места

Пластинчатые теплообменники

Конструкция:

• Несколько пластин с небольшими промежутками
• Чередование теплой и холодной среды
• Противоточное движение для максимальной эффективности

Преимущества:

Компактная конструкция предлагает значительные преимущества:

Преимущество	Объяснение
Высокая эффективность	Большая поверхность
Компактность	Меньшая потребность в пространстве
Гибкость в расширении	Возможность добавления пластин

Недостатки:

Более сложная конструкция имеет и недостатки:

Недостаток	Объяснение
Более высокая стоимость	Сложное производство
Чувствительность к давлению	Уязвимость уплотнений
Сложность в очистке	Множество мелких каналов

Применение в тепловых насосах

В тепловых насосах в зависимости от позиции используются различные типы теплообменников:

Позиция	Название	Тип теплообменника
Вход	Испаритель	Ламельный трубчатый или пластинчатый
Выход	Конденсатор	Паяный пластинчатый теплообменник

Компрессор: сердце системы

Этот компонент отвечает за сжатие хладагента. При сжатии температура повышается до уровня, пригодного для использования.

Принцип работы

1. Газообразный хладагент всасывается из испарителя
2. Компрессор механически сжимает газ
3. Давление повышается → температура повышается
4. Горячий газ поступает в конденсатор

Компрессор – это настоящее "насосное" устройство в тепловом насосе!

Конструкция

Компрессор состоит из:

• Приводного устройства: обычно электродвигатель
• Зоны сжатия: лопатки или поршни

Типы компрессоров

Спиральный компрессор (стандарт для тепловых насосов)

Принцип работы:

• Два спиралевидных элемента
• Один неподвижный, другой подвижный
• Экцентрическое движение сжимает газ

Преимущества:

Спиральные компрессоры стали стандартом по веским причинам:

Преимущество	Объяснение
Очень тихие	Нет ударных движений
Высокая эффективность	Эффективное сжатие
Долговечность	Мало износа
Постоянная подача	Равномерная работа

Инверторный компрессор (современный)

Комбинирует спиральный компрессор с инвертором:

• Переменная скорость двигателя
• Регулирует мощность в зависимости от потребности
• Нет постоянного включения/выключения → меньше износа

Преимущества:

Переменная скорость обеспечивает значительные преимущества:

Преимущество	Объяснение
Энергоэффективность	Только необходимая мощность
Тишина	Нет шума при запуске
Долговечность	Сниженная нагрузка
Точная регулировка	Постоянная температура

Другие типы компрессоров

Помимо указанных, существуют и другие типы компрессоров для специальных применений:

Тип	Применение
Поршневой компрессор	Большие холодильные установки
Ротационный компрессор	Маленькие кондиционеры
Турбокомпрессор	Промышленные установки

Расширительный клапан: противодействие

Расширительный клапан – это противодействие компрессору. Он регулирует обратный поток хладагента от конденсатора к испарителю.

Принцип работы

После отдачи тепла в конденсаторе хладагент еще имеет:

• Повышенное давление
• Повышенную температуру

Расширительный клапан:

1. Снижает давление через контролируемый сброс
2. Температура снижается
3. Хладагент готов к следующему циклу

Типы клапанов

Неконтролируемые расширительные клапаны

• Простая конструкция
• Фиксированная ширина открытия
• Для простых систем (например, холодильники)

Контролируемые расширительные клапаны

• Автоматически регулируют поток
• Реагируют на температуру и давление
• Стандарт для тепловых насосов

Благодаря регулировке можно точно настроить тепловую мощность.

Хладагент: волшебная жидкость

Без особых свойств хладагента тепловые насосы не могли бы функционировать.

Что делает хладагент особенным?

Хладагенты обладают особыми физическими свойствами, которые делают их идеальными для этого применения:

Свойство	Значение
Низкая температура кипения	Испаряется при низких температурах
Высокая теплоемкость	Поглощает много тепла
Фазовый переход	Эффективно переходит из жидкого в газообразное состояние

Хладагент vs. охлаждающая жидкость

Внимание: Эти термины часто путают! Однако различия очевидны:

	Хладагент	Охлаждающая жидкость
Агрегатное состояние	Меняется (жидкость ↔ газ)	Остается неизменным
Передача тепла	Через фазовый переход	Только через поток
Применение	Тепловые насосы, кондиционеры	Охлаждение двигателей

Используемые хладагенты

Натуральные хладагенты

Натуральные хладагенты более экологичны, но имеют свои особенности:

Название	Свойства
Пропан (R290)	Экологичен, легковоспламеняем
CO2 (R744)	Невоспламеняем, высокое давление
Аммиак (R717)	Очень эффективен, токсичен

Синтетические хладагенты

Синтетические хладагенты постепенно заменяются более экологичными альтернативами:

Название	Статус
R410A	Еще разрешен, но выводится
R32	Современный стандарт
R1234yf	Технология будущего

Запрещенные хладагенты

Из-за экологических и безопасных норм запрещены:

• ХФУ (например, R11) – разрушители озонового слоя
• ГХФУ (например, R22) – парниковые газы
• С 2025 года: другие ГФУ с высоким ПГП

ПГП (Потенциал глобального потепления): мера парникового потенциала вещества.

Взаимодействие всех компонентов

        Испаритель (снаружи)
              │
              │ Газ (холодный)
              ↓
        Компрессор ←── Электричество
              │
              │ Газ (горячий, высокое давление)
              ↓
        Конденсатор (внутри)
              │
              │ Жидкость (теплая)
              ↓
        Расширительный клапан
              │
              │ Жидкость (холодная, низкое давление)
              ↓
        возвращается к испарителю

Поток энергии

1. Тепло из окружающей среды (бесплатно) → Испаритель
2. Электричество → Компрессор
3. Полезное тепло → Отопление

Особенность: за 1 кВт⋅ч электричества получают 3–5 кВт⋅ч тепла!

Заключение

Следующий шаг: Показатели и размер тепловых насосов

---

Полная серия статей «Тепловые насосы»

1. Анти-холодильник: Как работает тепловой насос? – Основы
2. Компоненты: теплообменник, компрессор и расширительный клапан – Вы здесь
3. Показатели и размер тепловых насосов – COP, JAZ и другие
4. Режимы работы: Моновалентный, Бивалентный и Гибридный – Режимы работы
5. Типы тепловых насосов и их сочетание с солнечными системами – Воздух-вода, рассол-вода и солнечные системы

Источники

• Ökoloco: Теплообменник
• Wolf: Теплообменник теплового насоса
• Heizung.de: Спиральный компрессор
• Energie-Experten: Компрессор
• Heizung.de: Расширительный клапан
• Wolf: Хладагент теплового насоса