В последнее время много говорят о тепловых насосах как о лучшем способе обогрева дома. Эти устройства могут также заменить летом кондиционер. Они, как правило, более энергоэффективны, чем старые обогреватели, и не сжигают топливо. А замена старого газового котла на тепловой насос действительно может сократить ваш углеродный след.
Тепловой насос или теплонасос — тепловая машина, устройство для переноса тепловой энергии от источника к потребителю. В отличие от самопроизвольной передачи тепла, которая всегда происходит от горячего тела к холодному, тепловой насос переносит тепло в обратном направлении.
Википедия
Но что такое тепловой насос и как он работает? Принцип его действия основан на обычных законах физики. Рассмотрим подробнее…
Немного физики
Что такое температура? Фактически – это энергия молекул, составляющих вещество или тело, у которого эта температура измеряется. То есть при повышении температуры увеличивается кинетическая энергия молекул. Например, молекулы в воздухе при 75°С градусах двигаются быстрее, чем молекулы в воздухе при 40°С. Верно и обратное – если необходимо повысить температуру воздуха, нужно как-то подвести к нему энергию.
Возможно, читатель считает, что «тепловой насос» функционирует аналогично водяному насосу, который перемещает жидкость. Однако, тепло не является физическим объектом. Это процесс передачи энергии от одного тела к другому вследствие разницы в их температуре. Часто даже физики применяют этот термин не вполне корректно, используя его как существительное, хотя правильнее было бы рассматривать его как глагол.
Так же, как кинетическая энергия измеряется через движение тела, тепловая энергия представляет собой энергию, связанную с его температурой. Объем тепловой энергии зависит от массы объекта и его «удельной теплоемкости» – величины, определяющей количество энергии, необходимой для повышения температуры объекта. Металлы обладают низкой удельной теплоемкостью, что обуславливает их быстрое нагревание. Это и объясняет, почему ручки сковородок часто изготавливают из дерева или пластика.
Важный момент заключается в следующем: согласно второму закону термодинамики, тепловая энергия передается только от тел с более высокой температурой к тем, у которых она ниже. Энергия не перемещается в обратном направлении. Таким образом, несмотря на общее заблуждение, что лед в напитке «охлаждает» жидкость, на самом деле происходит обратное: жидкость нагревает лед, отдавая свою энергию и охлаждаясь, в то время как лед поглощает эту энергию и, нагреваясь, тает.
Принося тепло
Когда два объекта с разными температурами вступают в контакт, происходит тепловое взаимодействие. Например, если поставить чашку кофе на стол, то в результате как чашка, так и стол изменят свои температуры. В этом процессе кофе передаст свою тепловую энергию, а стол (и окружающий воздух) ее примет. Это взаимодействие будет продолжаться до тех пор, пока температуры не выровняются.
Можно использовать этот принцип, чтобы повысить температуру воздуха в помещении. Например, взять прогретый на солнце большой камень в жаркий летний день и принести его внутрь. При контакте с более холодным воздухом произойдет тепловое взаимодействие, и температура воздуха повысится.
Однако, если нужно повысить температуру в помещении зимой, когда на улице холодно, существуют другие способы. Можно использовать электрический обогреватель – провод, подключенный к нагревательным элементам. При прохождении электрического тока через эти элементы они нагреваются, и их теплота передается окружающему воздуху.
Также можно использовать открытый огонь, который выделяет тепловую энергию, повышая температуру воздуха в помещении, например, при сжигании газа в газовом котле. Однако стоит помнить, что при таком способе обогрева выделяется углекислый газ.
Охлаждение
Охлаждения воздуха в доме может показаться более сложным заданием, особенно если нет доступа к холодному камню в жаркий летний день. Однако, существует другой любопытный вариант, который можно продемонстрировать с помощью резинки. Растянув резинку между пальцами и приложив к верхней губе – довольно чувствительному сенсору у человека, можно почувствовать, как она нагревается из-за добавленной энергии растяжения. Затем, оставив резинку растянутой на некоторое время, дождавшись пока она остынет, нужно снова отпустить ее. Прикоснувшись к ней снова, можно заметить, что она стала холоднее. Этот эффект объясняется переходом резинки от состояния растянутости к состоянию расслабленности, в результате чего произошел нагрев воздуха.
Можно ли применить этот принцип для охлаждения помещения? Понятно, что в первый момент резинка нагревается, а затем охлаждается, выделяя теплоту в воздух, нагревая его. Однако, если этот теплый воздух удалить из помещения, останется только процесс охлаждения.
Эти рассуждения фактически привели нас к созданию кондиционера! Кондиционер использует газ, называемый хладагентом.
Как это работает? Сначала газ сжимается, что заставляет его нагреваться до температуры около 150°С. Горячий газ циркулирует в наборе медных катушек снаружи, с вентилятором, дующим над ними, так что газ отдает тепловую энергию в атмосферу.
Затем газ перекачивают обратно внутрь, где давление быстро снижается, заставляя его расширяться и мгновенно охлаждаться до температуры около 40°С. Пока теперь уже холодная жидкость циркулирует через внутренние катушки, вентилятор гонит теплый внутренний воздух из помещения над ними, снова нагревая жидкость и охлаждая внутренний воздух. По мере циркуляции системы она, по сути, захватывает тепловую энергию внутри и переносит ее наружу.
Этот процесс похож и на то, как работает холодильник, сохраняя продукты внутри холодными за счет переноса тепла наружу. Таким образом, оба эти устройства выполняют одну и ту же функцию – охлаждение внутренней среды и отвод тепла наружу.
Теперь о тепловых насосах
Мы на протяжении всей статьи говорили о чем угодно, только не о тепловых насосах. Хотя, на самом деле, именно о них и шла речь. Эти устройства работают по принципу кондиционеров, используя циркуляцию хладагента, изменение его давления для изменения температуры и передачи тепловой энергии из одного места в другое.
Но как же тепловой насос может повысить температуру воздуха в помещении в холодный день, не производя при этом тепла? Очень просто. Это работа в обратном направлении! В этом режиме горячий сжатый хладагент остывает внутри помещения нагревая его. Остывший газ низкого давления затем направляется наружу, где нагревается.
Но как это возможно в морозную погоду? Даже в таких условиях воздух, пока его температура выше абсолютного нуля, что составляет -273°С, содержит тепловую энергию. Поэтому, даже при низких температурах, например, -20°С, тепловой насос успешно извлекает тепловую энергию из воздуха.
Конечно, энергия не берется из ниоткуда. Для работы компрессора и вентиляторов тепловые насосы потребляют электричество. Однако, если ваш дом оснащен солнечными панелями или если ваш регион использует электроэнергию из неуглеродных источников, переход на тепловой насос может значительно снизить выбросы парниковых газов и уменьшить коммунальные счета.
