Все, что вам нужно знать о диком мире тепловых насосов

Jun 14, 2024

Тепловые насосы могут помочь решить проблему изменения климата и сэкономить ваши деньги. Вот как они работают.

Объяснение Tech Review: позвольте нашим авторам распутать сложный и запутанный мир технологий, чтобы помочь вам понять, что будет дальше. Вы можете прочитать больше здесь.

Мы вступаем в эпоху тепловых насосов.

Концепция тепловых насосов проста: работая от электричества, они перемещают тепло, охлаждая или обогревая здания. Это не новая идея — они были изобретены в 1850-х годах и используются в домах с 1960-х годов. Но внезапно они стали самым востребованным бытовым прибором, оказавшись в центре внимания благодаря потенциалу экономии средств и улучшению климата, а также недавним политическим стимулам.

Хотя основная идея может быть простой, детали того, как работают тепловые насосы, завораживают. Во имя контроля температуры в вашем доме это устройство может показаться почти нарушением законов физики. Тепловые насосы также становятся лучше: новые модели более эффективны и лучше переносят холодную погоду.

Итак, давайте углубимся и выясним, что заставляет тепловой насос работать.

На высоком уровне тепловой насос собирает тепло из одного места и передает его в другое. В основном мы будем говорить о тепловых насосах в контексте отопления, но их также можно использовать для охлаждения, собирая тепло изнутри и отправляя его наружу, как кондиционер. Многие тепловые насосы на самом деле могут работать в обратном направлении, либо нагревая, либо охлаждая, в зависимости от того, что необходимо.

Главным героем теплового насоса является хладагент: жидкость, которая движется в контуре, впитывая и выделяя тепло по ходу движения. Электричество питает систему, перемещая хладагент по циклу.

Когда хладагент проходит через тепловой насос, он сжимается и расширяется, переключаясь между жидкой и газообразной формами, что позволяет ему собирать и выделять тепло в разных точках цикла. (Если для вас достаточно подробностей, смело переходите к следующему вопросу. В противном случае присоединяйтесь ко мне в путешествии внутри теплового насоса, чтобы понять, как все это работает.)

Представьте себе: холодный зимний день, скажем, 25 °F (-5 °C). Вы сидите на диване в гостиной с хорошей книгой, а рядом свернулась клубочком ваша кошка. Вы смотрите на термостат, который установлен на 68 °F. Разумно, но немного холодно. Вы подходите и немного поднимаете температуру до 70 °F.

На заднем плане тихо гудит ваш тепловой насос. Теперь он поднимает температуру на ступеньку выше: вентилятор и компрессор внутри ускоряются, а хладагент начинает двигаться быстрее, передавая больше тепла снаружи внутрь.

Может показаться нелогичным собирать тепло снаружи, когда на улице так холодно, поэтому давайте проследим за хладагентом в течение одного цикла, чтобы увидеть, как он работает. Для большинства тепловых насосов поездка занимает всего несколько минут.

Хладагенты для тепловых насосов имеют очень низкую температуру кипения, обычно ниже -15 °F (-25 °C). Итак, в начале нашего путешествия хладагент имеет примерно такую ​​же температуру и находится в жидкой форме. Даже в самых холодных местах хладагент в таком состоянии обычно значительно холоднее наружного воздуха (в нашем случае холоднее более чем на 40 градусов).

На первом этапе своего пути хладагент проходит через теплообменник, мимо наружного воздуха и нагревается достаточно, чтобы начать кипеть, превращаясь из жидкости в газ.

Второй этап его путешествия — путешествие через компрессор. Компрессор сжимает хладагент в меньший объем, повышая его давление и температуру кипения (это станет важным через минуту). Это также еще больше нагревает его, поэтому к тому времени, когда хладагент проходит мимо компрессора, он становится теплее, чем в помещении.

Третий этап пути хладагента проходит через другой теплообменник. Но на данный момент хладагент представляет собой теплый газ, температура которого превышает 100 °F, и он течет мимо относительно более холодной комнаты. Передавая часть этого тепла в комнату с помощью вентилятора, оно начинает снова превращаться в жидкость.

Наконец, на четвертом этапе жидкий хладагент проходит через расширительный клапан, сбрасывая давление. Точно так же, как сжатие материала нагревает его, расширение позволяет ему снова остыть, поэтому теперь жидкость снова имеет низкую температуру и готова поглотить больше тепла, чтобы внести его внутрь.