Тепловой насос. Устройство и принцип действия теплового насоса

Тепловой насос представляет собой устройство для передачи тепла из более холодной наружной среды в отапливаемое помещение. В нем, как и в холодильниках, используются хладагенты с низкой температурой кипения (от –20 oC до +5 oC), температуру которых повышают путем сжатия. На рис. 1 представлена принципиальная схема теплового насоса, который берет тепло от наружного воздуха. Вместо наружного воздуха, тепло можно получить и из водоемов, из колодцев и из почвы. В случае использования почвы, в ней прокладывают горизонтальные или вертикальные трубы, через которые протекает промежуточный теплоноситель (вода или какая-либо незамерзающая жидкость).

Эффективность теплового насоса характеризуется отношением количества тепла W2 , отдаваемого в отапливаемое помещение, и энергии W1 , потребляемой в это же время компрессором. Это соотношение, называемое коэффициентом трансформации или коэффициентом преобразования тепла, обычно находится в пределах от 2,5 до 3. Мощность компрессора составляет обычно 2…20 kW; в случае индивидуальных домов достаточно иметь компрессор мощностью от 4 kW до 8 kW.




Выпускаются и обратимые тепловые насосы, которые в летнее время могут использоваться для охлаждения помещений (в качестве кондиционеров).



Рис. 1. Принципиальная схема воздушного теплового насоса.

1 отапливаемое помещение,
2 наружный воздух (например, +6 oC),
3 вентилятор,
4 испаритель,
5 охлажденный наружный воздух (например, до +2 oC),
6 жидкий хладагент (например, 0 oC),
7 испарившийся хладагент (с той же температурой, что и перед испарителем, например, 0 oC),
8 компрессор,
9 сжатый горячий пар (например, +60 oC),
10 конденсатор,
11 сосуд хладагента,
12 жидкий охлаждившийся хладагент (например, +40 oC),
13 дроссельный вентиль (расширитель),
14 циркуляционный насос центрального отопления,
15 охлажденная вода (например, +35 oC),
16 нагревшаяся в конденсаторе вода (например, +50 oC),
17 батарея центрального отопления,
18 воздух, циркулирующий в отапливаемом помещении.
W1 энергия, потребляемая компрессором,
W2 тепло, отдаваемое в отапливаемое помещение

Принципиальную возможность тепловых насосов доказал еще в 1852 году Уильям Томсон (William Thomson), но их относительно широкое практическое применение началось только в 1950-е годы, причем, в качестве хладагентов в них сначала использовались фреоны. Когда в 1990-е годы появились менее опасные для окружающей среды хладагенты, а для эффективного автоматического регулирования стали применять надежные, легко настраиваемые микропроцессорные устройства, обеспечивающие оптимальные режимы работы, то тепловые насосы стали экономически выгодными в качестве основных или дополнительных установок отопления жилых домов. Важным считается и то, что применение тепловых насосов приводит к уменьшению сжигания топлива и выбросов двуокиси углерода и других продуктов сгорания в атмосферу.