Максимум эффективности: раскрываем секреты КПД теплового насоса

Тепловые насосы — это устройства, которые сегодня активно используются для обогрева и охлаждения помещений. Однако часто возникает вопрос: как возможно, что их КПД (коэффициент полезного действия) превышает 100%? Разве это не противоречит законам физики? Спокойствие, только спокойствие! Физика тут ни при чем — просто тепловые насосы не преобразуют электрическую энергию, а забирают ее из окружающей среды.
Давайте разберемся, как именно.

Что такое КПД и почему его нельзя воспринимать буквально
Коэффициент полезного действия (КПД) — это отношение полезной энергии, полученной в результате работы устройства, к затраченной на его функционирование. В обычных системах отопления, таких как газовые котлы или электрические обогреватели, КПД не может превышать 100%, потому что всегда есть потери.

Но тепловые насосы играют по другим правилам. Вместо того чтобы вырабатывать тепло, они «берут взаймы» у природы и просто переносят его туда, где оно нужнее.

Принцип работы теплового насоса
Основные элементы теплового насоса:
• Испаритель — ловит тепло из воздуха, воды или грунта;
• Компрессор — сжимает хладагент, нагревая его;
• Хладогент – носитель, передающий тепло;
• Конденсатор — передает тепло в систему отопления;
• Дроссельный вентиль — контролирует поток хладагента.
Принцип работы теплового насоса схож с работой холодильника или кондиционера (который и является насосом воздух-воздух) и построен на принципах испарения и конденсации хладагента.

В качестве хладагента выступает фреон - это незамерзающая жидкость, которая закипает при низких температурах. Его температура всегда ниже температуры воздуха, поэтому он закипает и испаряется в испарителе снаружи, забирая тепло.

Затем хладагент попадает в компрессор, сжимается, при сжатии происходит егт нагревание. Это тепло и снимается конденсатором. После этого, хладагент снова переходит в жидкое состояние и возвращается через дроссельный вентиль, где понижается давление.

Типы тепловых насосов:
• Воздух-воздух – забирают тепло из наружного воздуха и передают его в помещение. Так работают кондиционеры. Например таким тепловым насосом очень эффективно нагревать бассейн в теплое время года. Затраты на электричество в этом случае будут в 4 раза ниже, по сравнению с подогревом электронагревателями.
• Воздух-вода – используют тепло воздуха для нагрева воды в отопительной системе. В этом случае забор тепла идет из контура труб, расположенных под водой. Передача тепла происходит через пропиленгликоль. Применяются реже, чем геотермальные насосы.

• Грунт-вода – извлекают тепло из земли (геотермальные насосы). Съем тепла – через скважины, ниже уровня промерзания грунта.

• Вода-вода – используют тепло подземных или поверхностных вод.

Почему КПД теплового насоса больше 1?
Фишка теплового насоса в том, что он не создает тепло, а переносит его. Если насос имеет COP = 4, это значит, что на 1 кВт потребляемой электроэнергии он может передать 4 кВт тепла. Секрет в использовании энергии, уже находящейся в окружающей среде. Главное — правильно ее собрать.

В итоге КПД значительно превышает 100%, а «физика» остается на месте.

Факторы, влияющие на эффективность теплового насоса
Эффективность работы теплового насоса зависит от множества факторов:

Температура источника тепла. Чем выше температура окружающей среды (грунта, вод или воздуха), тем легче насосу работать. И наоборот, чем ниже температура снаружи, тем ниже КПД насоса.

Тип системы. Воздух-воздух, воздух-вода или грунт-вода — у каждого свои преимущества, и выбирать нужно с умом. Геотермальные насос способен выдать большую мощность, поскольку с грунта, или воды можно снять больше тепла, чем с воздуха.

Теплоизоляция здания. Это классика любого отопления: чем лучше утеплен дом, тем меньше придется напрягаться насосу, а значит, он прослужит дольше.

Мифы о тепловых насосах
Некоторые заблуждения о тепловых насосах вызывают улыбку. Давайте развеем самые популярные:
"Тепловые насосы не работают в холодном климате." Современные модели уже неплохо справляются даже при -20°C. Если температура зимой не опускается ниже этих значений, то можно не переживать. Даже в средних широтах, суммарное количество более холодных дней обычно не превышает 2-3 недель в году. В эти дни придется пользоваться альтернативным отоплением.
"Слишком дорого устанавливать." Да, установка геотермального насоса- недешевое занятие, но в то же время, установка «зимнего» кондиционера – дешевле любого другого вида отопления.
Они шумные и ненадежные." Современные насосы работают не громче, чем насос у вас в котле. По надежности они не уступают газовым или пеллетным котлам.
Вывод
Тепловой насос — это экологичный и безопасный вид отопления, нежели обычный электрический котел. Он становится практически незаменимым в местах, где нет возможности подключить газ, либо стоимость его подключения очень высока.
Для южных регионов будет достаточно использования для отопления кондиционеров, для более северных регионов – больше подходят геотермальные насосы.
По сравнению с привычными котлами и обогревателями, тепловые насосы — это шаг вперед в будущее.