Что такое тепловой насос (ТН) ?

Как устроен ТН? Каков принцип действия теплового насоса? На эти и некоторые другие вопросы вы найдете ответы в первой ознакомительной статье.

Начнем с нескольких определений (дефиниций)  теплового насоса (ТН) , часто встречающихся в обиходе (интернет, реклама):

  1. Тепловой насос (ТН)— это энергоэфективный электрический котел.
  2. Тепловой насос — это альтернативный источник энергии для отопления жилых и проиводственных помещений.
  3. Тепловой насос — это «холодильник на оборот» обогревающий помещения и охлаждающий улицу.
  4. Тепловой насос — это устройство, которое приумножает электрическую энергию используемую в отопительных целях.
  5.  Тепловой насос — это энергоэфективный отопительный прибор для приготовления горячей воды.
  6. Тепловой насос — это экономичное и надежное средство для отопления и кондиционирования зданий.
  7. Тепловой насос — это нетрадиционный  возобновляемый источник энергии.

и т. п.
Если попытаться понять буквально словосочетание «тепловой насос», то можно дать такое определение: ТН - это устройство перекачивающее (перемещающее) тепло (тепловую энергию). Можно рассмотреть более научное определение (энциклопедическое)  определение теплового насоса:
Тепловой насос (иногда его называют геотерамльным насосом, почему?- об этом читайте  тут) — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой.
По сути последнее определение уточняет вектор переноса энергии и является ключевым, т. к. перенос энергии от источника с высокопотенциальной тепловой энергией к источнику с низкопотенциальной энергией протекает самостоятельно и описывается физическим явлением, которое называется теплопроводностью. 
Конечно, все данные определения в принципе абсолютно верны, особенно последнее. Однако, как первые шесть так и последнее внятно и понятно не объясняет не подготовленному потребителю суть устройства, а главное как, почему и в чем экономит потребитель используя данное устройство в отопительных целях.
Мы не будем пытаться объяснить в одном предложении (как -это делается в классической дефиниции) - что такое тепловой насос, так как, имея большой опыт, понимаем, что объяснить неподготовленному человек, особенно, если он критически настроен да еще и с нашим менталитетом, это практически невозможно. Не понимая сути работы устройства, даже если это описанно целой статьей,    пытливый ум нашего обывателя вторит: «это противоречит законам физики — КПД не может быть больше 100%» или «да это фантастика какая-то» или «снова пытаются повесить лапшу на уши». За много лет работы мы слышали и не такие высказывания.
Дальше мы надеемся помочь вам понять принцип работы теплового насоса, который основан на принципе работы парокомпрессионной машины. Для подготовленных читателей (в точности понимающих как работает холодильник) мы предлагаем пропустить пару тройку абзацев, да бы не пришлось скучать.  
Как говорил известный персонаж - «а мы пойдем другим путем», мы пойдем в русле базовых исторических открытий, проложивших дорогу к созданию первой компрессионной машины .
Мы пройдем путь понимания того, как работает тепловой насос на простых примерах, которые всем знакомы, причем включая то, как устроен и работает холодильник, так  как многие хоть и понимают из чего он состоит, но не до конца в точности осознают суть происходящих  процессов.
В качестве небольшого отступления: мы рассмотрим принцип работы теплового насоса на примере, так называемого паро-компрессионного теплового насоса, однако существуют много других принципов, схем и способов передать тепло от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой. О классификациях тепловых насосах,  принципах устройства достоинствах, недостатках и применениях читайте в следующих статьях.
Итак:

  1. процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное происходит с поглощением тепла и наоборот — процесс перехода газообразного вещества в жидкое происходит с выделением тепла, причем во время фазового перехода требуется одно и то же количество энергии (для заданного вещества).

Пример:
кипичение воды переводит воду в пар (причем надо заметить, что согреть воду в чайнике с +15 до 100С можно всего за 2 мин., а перевести в пар не выключая чайник за 10-20 минут) и наоборот охлаждение водяного пара переводит его в жидкость (воду).
Другой пример:
если открыть клапан зажигалки не поджигая газ и направить на руку, то можно ощутить как рука охлаждается.  

  1. Изменить состояние (фазовое) многих веществ при заданной температуре  можно при помощи изменения  давления и наоборот при разном давление температура фазового перехода заданного вещества будет различной, при этом сказанное ранее так же будет иметь место, т. е. при переходе из одного состояния в другое будет выделяться или поглощаться энергия, причем одна и таже для заданного количества вещества.

Пример:
та же зажигалка содержит газ в жидком состоянии, причем во время его сжатия происходит выделение тепла (на станциях сжижения).
Другой пример:
температура кипения (парообразования) воды на вершине Эвереста +70С, в то время как на уровне моря 100С 

Именно, эти два сформулированных принципа лежат в основе сути работы обычного бытового холодильника и кондиционера. На их открытие человечеству понадобились десятки веков (см. историю развития тепловых насосов).
Итак, что происходит в холодильнике или как выглядит парокомпрессионный цикл.

1 — конденсатор — теплообменник отдающий тепло,
2 — ТРВ (дроссель) — сужение на пути движения фреона,        
3 — испаритель — теплообменник отбирающий тепло,
4 — компрессор — нагнетатель газообразного фреона.

Фреон (хладон, хладагент) — вещество циркулирующее в замкнутом контуре холодильника непрерывно меняя свое фазовое состояние ( газ — жидкость).
Как уже было сказано - контур замкнутый со следующей последовательностью (по ходу движения фреона):  компрессор — конденсатор — испаритель — компрессор. Компрессор нагнетает газообразный фреон в конденсатор — емкость приспособленную для отдачи тепла (поэтому теплообменник), где происходит переход фреона в жидкое состояние в следствии высокого давления (создаваемого компрессором) с выделением энергии. Далее жидкий фреон сквозь малое отверстие (в холодильных машинах с заданными  стандартными характеристиками эту роль выполняет тонкая медная трубка  в более сложной технике -ТРВ — терморегулирующий винтиль) попадает в испаритель — емкость приспособленную к забору тепла (поэтому теплообменник), где происходит переход фреона в газообразное состояние в следствии низкого давления (создаваемого компрессором) с поглощением энергии, откуда фреон в газообразном состоянии попадает обратно в компрессор. 
Таким образом, происходит перемещение энергии с места на место ( с одного теплообменника к другому, от испарителя к конденсатору), осталось поместить испаритель внутрь теплоизолированной коробки, а конденсатор снаружи — вот и получился бытовой холодильник.
А если испаритель поместить снаружи дома, а конденсатор внутри дома — то мы будем охлаждать улицу и согревать дом? Именно так, правда конструкция слекга усложнится — двумя дополнительными теплообменниками для перехода с фреона на воду (этиленгликоль, пропиленгликоль) или вентиляторами для съема тепла с теплообменников.   И тогда это устройство будет называться тепловым насосом.  Всем известные кондиционеры — есть ни что иное , как обычный холодильник теплообменники, которого снабжены вентилятором. Современные кондиционеры снабжены функцией обогрева, в этом режиме они являются воздушными тепловыми насосами. В этом режиме теплообменники меняются местами благодаря наличию трех ходового клапана и соответствующей автоматики. Однако в силу того, что данная задача не является основной для кондиционера конструкция не приспособлена к серьезным тепловым нагрузкам и не способна работать зимой. Забегая вперед сразу оговоримся воздушные тепловые насосы не способны эффективно работать в суровых зимних условиях (если и работают — то крайне не эффективно), их участь средиземноморское побережье, где они  являются «королями» в силу значительно меньшей стоимости. В нашей широте эффективными являются геотермальные тепловые насосы, но об этом чуть позже.     
Из выше изложенного следует — что тепловой насос — устройство, потребляющее некоторое количество электрической энергии (компрессором), что бы перекачать некоторое количество тепловой  энергии. Каково их соотношение и имеет ли смысл такой механизм?   Напрашивается  резонный довод: «с холодильником и кондиционером все понятно: не важно сколько он потребляет электроэнергии — главное есть необходимый продуктам холод и комфортная температура,  а стоит ли «городить огород» с обустройством установки под названием «тепловой насос», если можно установить обычный электрический котел (т. е. греть прямым потреблением электричества)».   
Теперь, когда стало понятно, как можно обогреться с помощью холодильника в пору вспомнить старый добрый анекдот  про жителя крайнего севера, купившего холодильник. На вопрос, зачем ему холодильник, он отвечает: "на улице -40, а в холодильнике -7 — ГРЕТЬСЯ!" И он уже не будет казаться столь смешным. Вот воистину: «в каждой шутки есть доля шутки».
В следующей статье мы так же подробно  рассмотрим основополагающее преимущество ТН, как устройства способного заменить традиционный котел отопления -  его эффективность, ведь при всем уважении к экологии, глобальному потеплению  и выхлопам СО2,  главным успехом любой инновации является  экономический интерес.