Как работают тепловые насосы?

Тепловые насосы рекламируются как экологически чистый вариант для поддержания тепла в домах, поскольку люди ищут альтернативу нефти и газу. DW объясняет тайны, скрывающиеся за ними.

Около половины домов в Германии отапливается природным газом, а четверть — нефтью. Поскольку страна отказывается от ископаемого топлива перед лицом климатического кризиса, многие ищут альтернативы.

Тепловые насосы — одна из широко обсуждаемых технологий. Но как именно они работают?

Тепловой насос извлекает тепло из наружного воздуха, земли или близлежащего источника воды для выработки тепла, используя так называемое испарительное охлаждение. Вы знаете, как приятно прикладывать к коже холодную ткань в жаркую погоду. Это тот же эффект. Холодная вода испаряется, переходит в газообразное состояние, и вы охлаждаетесь.

Вот научные обоснования, стоящие за этим: переход от воды к пару требует много энергии. Чтобы изменить состояние, молекулы воды черпают энергию из окружающей среды, в данном случае из теплой кожи. Этот процесс вызывает охлаждающий эффект. И наоборот, большая часть этой энергии высвобождается в виде тепла обратно в воздух, когда испаренная вода снова становится жидкой.

Тепловые насосы, холодильники и кондиционеры используют эти переходы. Холодильники охлаждаются внутри и нагреваются снаружи. Для тепловых насосов все наоборот.

В случае тепловых насосов в закрытой системе труб циркулирует специальный хладагент. Хладагенты испаряются при очень низких температурах, иногда ниже минус 50 градусов по Цельсию (минус 58 по Фаренгейту).

Например, тепло земли или воздуха нагревает хладагент, который затем испаряется в контуре. Компрессор сжимает молекулы газообразного хладагента вместе, еще больше повышая его температуру. Когда он затем снова разжижается, он выделяет дополнительное тепло в систему отопления. Это означает, что тепловые насосы можно использовать для обогрева или охлаждения дома, офиса или любого другого внутреннего помещения.

Хотя существуют разные типы тепловых насосов, все они работают по одному и тому же принципу извлечения тепловой энергии из окружающей среды.

Водяные тепловые насосы могут использовать грунтовые воды или воду из рек или озер. Воздушные работают на обычном воздухе, поступающем снаружи, или на горячем отработанном воздухе, производимом на промышленных площадках или в центрах обработки данных.

Для геотермальных тепловых насосов зонды бурят в землю на глубину 100 метров (328 футов) или более, в зависимости от плотности породы. Чем глубже скважина в землю, тем теплее становится.

Тепловые насосы для грунтовых вод более эффективны, но и более дороги. Варианты с воздушным источником работают практически везде, но могут быть шумными.

В процессе обогрева здания тепловые насосы могут охладить грунтовые воды на 4 градуса или снизить температуру воздуха вокруг него на 10 градусов.

Даже в холодные зимние дни под землей, в воздухе или грунтовых водах имеется достаточно тепловой энергии для обогрева здания. В Скандинавии, например, многие люди обогреваются с помощью воздушных тепловых насосов даже в суровые зимы. Они извлекают тепловую энергию из воздуха при температуре до минус 20 по Цельсию.

Тем не менее, им требуется больше энергии, чтобы работать на холоде и лучше работать в теплую погоду. Тепловые насосы также оснащены нагревательными стержнями, которые используют электричество в качестве резерва.

Хотя большая часть энергии берется из окружающей среды, устройствам требуется дополнительная мощность для работы электродвигателя компрессора, насосов и вентиляторов. В хороших условиях один киловатт-час приводной электроэнергии может произвести около шести киловатт-часов тепла. Утепленной квартире площадью 80 квадратных метров требуется менее 1000 киловатт-часов электроэнергии в год.

Тепловые насосы более эффективны в новых изолированных зданиях, особенно с полами с подогревом и большими радиаторами. Согласно исследованию Фрайбургского института солнечных энергетических систем Фраунгофера, в старых домах в Германии воздушные тепловые насосы генерируют около трех киловатт-часов тепла из одного киловатт-часа электроэнергии. Использование грунтовых вод в качестве источника энергии генерирует в среднем в четыре раза больше тепла.