Как работает тепловой насос?

4 мин чтения

Тепловой насос извлекает бесплатную тепловую энергию из окружающей среды (воздуха, почвы или грунтовых вод) и использует небольшое количество электроэнергии, чтобы поднять эту теплоту до более высокого температурного уровня и использовать её для отопления здания [1]. По сути, он работает как холодильник наоборот: в то время как холодильник переносит тепло изнутри наружу, тепловой насос перекачивает тепло из окружающей среды в дом [2].

Холодильный цикл (также называемый циклом теплового насоса) является его сердцем. В нем циркулирует специальный хладагент, который постоянно меняет свое агрегатное состояние, давление и температуру, чтобы переносить тепло с низкого уровня на высокий. Это происходит в четыре этапа:

1. Испарение (поглощение тепла): В испарителе жидкий хладагент поглощает тепло из источника окружающей среды. Благодаря очень низкой точке кипения он испаряется даже при низких температурах и переходит в газообразное состояние. Поглощаемая энергия в основном поступает бесплатно из окружающей среды [1].

2. Сжатие (повышение температуры): Компрессор засасывает газообразный хладагент и сжимает его под высоким давлением. В результате температура резко возрастает. Этот этап требует электрической энергии и имеет решающее значение для доведения тепла до уровня, необходимого для отопления [2].

3. Конденсация (отдача тепла): В конденсаторе горячий хладагент под высоким давлением отдает свое тепло системе отопления (например, радиаторам или теплому полу). Он охлаждается, конденсируется и снова становится жидким. Отданное тепло обогревает здание [1].

4. Расширение (снижение давления): Через расширительный клапан давление резко снижается, из-за чего температура хладагента сильно падает. Теперь он снова холодный и жидкий, готовый к следующему циклу в испарителе [2].

Особенность при холодном наружном воздухе: Даже при отрицательных температурах (например, -5 °C) воздух все еще содержит полезную тепловую энергию, так как абсолютный ноль достигается только при -273,15 °C. В этом случае хладагент становится еще холоднее (например, -15 °C) и может поглощать тепло, так как тепло всегда перемещается от более теплого объекта к более холодному. Это становится возможным благодаря низкой точке кипения хладагента (зачастую ниже -20 °C). Однако при сильных морозах эффективность снижается, так как компрессору приходится работать интенсивнее [2].

Годовой коэффициент эффективности (JAZ) измеряет реальную эффективность за весь год: он показывает, сколько тепла (в кВтч) вырабатывается на каждый потребленный кВтч электроэнергии. В отличие от COP (коэффициента производительности) в тестовых условиях, JAZ учитывает все реальные факторы, такие как колебания температуры и циклы разморозки. Хорошие показатели для тепловых насосов «воздух-вода» составляют 3,5–4,0, для «рассол-вода» — 4,0–5,0, а для «вода-вода» — 4,5–5,5+. Для экономической целесообразности рекомендуется JAZ от 3,0. Низкие температуры подачи (например, при теплом полу) и стабильные источники тепла значительно улучшают JAZ [2].

Различия типов: Все они используют один и тот же холодильный цикл, но различаются источником тепла. Тепловые насосы «воздух-вода» дешевле при покупке (ок. 25 000–45 000 €), просты в установке и гибки, но имеют нестабильную эффективность и шумный наружный блок. Тепловые насосы «рассол-вода» (геотермальные) более эффективны и стабильны (JAZ 4,0–5,0), но требуют земляных работ или бурения (стоимость 35 000–60 000 €) и разрешений. Тепловые насосы «вода-вода» (грунтовые воды) обеспечивают самую высокую эффективность (JAZ выше 5,0), но являются самыми дорогими (40 000–65 000 €) и строго подлежат лицензированию из-за необходимости обустройства скважин [3].

Пригодность для нереконструированных старых зданий: Да, часто возможно, но затруднительно из-за высокой потребности в тепле и необходимости высоких температур подачи (до 60–70 °C). В таких случаях подходят высокотемпературные тепловые насосы или гибридные системы (в сочетании с существующим газовым или мазутным котлом). Идеальным вариантом является теплый пол (низкая температура подачи 30–35 °C), однако в старых зданиях его установка часто обходится дорого. При использовании радиаторов помогают модели большего размера, низкотемпературные радиаторы, гидравлическая балансировка или небольшие меры по утеплению (например, крыши, окон), чтобы снизить температуру подачи. Профессиональный расчет тепловой нагрузки имеет решающее значение [4].

Стоимость и субсидии: Затраты на приобретение составляют 25 000–65 000 € в зависимости от типа (включая установку). Эксплуатационные расходы зависят от JAZ и цены на электроэнергию — при JAZ 4 и потребности в тепле 15 000 кВтч они часто составляют менее 1 300 €/год при использовании электроэнергии для теплового насоса. В Германии Федеральная программа содействия эффективным зданиям (BEG) субсидирует до 70 % затрат (базовая субсидия 30 %, плюс бонусы за замену старых систем отопления, эффективность или доход; макс. 21 000 €). Заявку необходимо подать в BAFA/KfW до начала работ; рекомендуется помощь энергоконсультанта. В качестве альтернативы возможен налоговый бонус [3].

Уровень шума и установка: Рассольные и водяные модели работают очень тихо (сопоставимо с холодильником). Устройства «воздух-вода» достигают 35–50 дБ(А) на расстоянии 1 м. Важно: соблюдать расстояние до соседей и окон (соблюдать TA Lärm), избегать углов и звукоотражающих поверхностей, использовать виброгасители и устойчивый фундамент. Ночной режим снижает уровень шума [1].

Экономия CO₂: По сравнению с газовым отоплением (около 200 г CO₂/кВтч), тепловой насос с JAZ 4 и немецким энергомиксом (около 380 г CO₂/кВтч) обеспечивает экономию CO₂ более чем на 50 %. При использовании «зеленой» энергии или солнечной установки (PV) эксплуатационные выбросы практически равны 0 %. Экономия растет по мере увеличения доли экологически чистой энергии в сети [3].

Итог для домовладельцев: Тепловые насосы эффективны, экологичны и перспективны. Выбор зависит от участка, здания и бюджета. Индивидуальная консультация со специалистами и энергоконсультантом, включая расчет тепловой нагрузки, необходима для оптимального планирования, получения субсидий и обеспечения эффективности.