Мы вступаем в эру тепловых насосов.
Принцип работы тепловых насосов прост: они используют электричество для перемещения тепла, чтобы охлаждать или обогревать здания. Это не новая идея — они были изобретены еще в 1850-х годах и используются в домах с 1960-х. Однако внезапно они стали самым обсуждаемым бытовым прибором, оказавшись в центре внимания благодаря потенциальной экономии средств, экологическим преимуществам и недавним государственным стимулам.
Хотя базовая концепция проста, детали работы тепловых насосов весьма интригуют. Во имя контроля температуры в вашем доме это устройство может показаться способным нарушать законы физики. Кроме того, современные модели становятся все лучше: они более эффективны и лучше справляются с холодными погодными условиями.
Итак, давайте погрузимся и выясним, что же заставляет тепловой насос работать.
Как работает тепловой насос?
На высоком уровне тепловой насос собирает тепло из одного места и переносит его в другое. В основном мы будем говорить о тепловых насосах в контексте отопления, но их также можно использовать для охлаждения, забирая тепло изнутри помещения и выбрасывая его наружу, подобно кондиционеру. Многие тепловые насосы могут работать в реверсивном режиме, обеспечивая обогрев или охлаждение по мере необходимости.
Главный герой в тепловом насосе — это хладагент: жидкость, циркулирующая по замкнутому контуру, поглощающая и выделяющая тепло по мере движения. Электричество питает систему, заставляя хладагент двигаться по циклу.
По мере прохождения через тепловой насос хладагент сжимается и расширяется, меняя свое состояние между жидким и газообразным, что позволяет ему поглощать и выделять тепло в разные моменты цикла. (Если этих деталей вам достаточно, можете смело переходить к следующему вопросу. В противном случае присоединяйтесь ко мне в путешествии внутрь теплового насоса, чтобы понять, как все это работает.)
Представьте: на улице холодный зимний день, скажем, -5 °C (25 °F). Вы сидите на диване в гостиной с хорошей книгой, а рядом свернулся ваш кот. Вы поглядываете на термостат, установленный на 20 °C (68 °F). Разумно, но немного прохладно. Вы подходите и немного увеличиваете температуру до 21 °C (70 °F).
Ваш тепловой насос тихо гудел в фоновом режиме. Теперь он включается на полную мощность, чтобы поднять температуру: вентилятор и компрессор внутри ускоряются, а хладагент начинает двигаться быстрее, чтобы переносить больше тепла с улицы в помещение.
Может показаться нелогичным собирать тепло с улицы, когда там так холодно, поэтому проследим путь хладагента за один цикл, чтобы понять, как это работает. Для большинства тепловых насосов это путешествие занимает всего несколько минут.
Хладагенты в тепловых насосах имеют очень низкие точки кипения, как правило, ниже -25 °C (-15 °F). Поэтому в начале нашего путешествия хладагент находится примерно при этой температуре и в жидком состоянии. Даже в самых холодных местах хладагент в таком состоянии обычно значительно холоднее наружного воздуха (в нашем случае — более чем на 11 градусов Цельсия).
На первом этапе своего пути хладагент проходит через теплообменник, омывается наружным воздухом и нагревается достаточно, чтобы начать кипеть, переходя из жидкого состояния в газообразное.
Второй этап его путешествия — это проход через компрессор. Компрессор сжимает хладагент до меньшего объема, повышая его давление и точку кипения (это станет важным через минуту). Это также дополнительно нагревает его, так что к моменту, когда хладагент пройдет компрессор, он становится теплее, чем комната внутри.
Третий отрезок пути хладагента проходит через другой теплообменник. Но к этому моменту хладагент представляет собой теплый газ, с температурой выше 38 °C (100 °F), и он протекает мимо относительно более холодной комнаты. Помогая вентилятору, он отдает часть этого тепла в комнату и начинает снова превращаться в жидкость.
Наконец, на четвертом этапе жидкий хладагент проходит через расширительный клапан, сбрасывая давление. Точно так же, как сжатие нагревает материал, его расширение позволяет ему снова охладиться, поэтому теперь жидкость возвращается к низкой температуре и готова поглощать больше тепла, чтобы доставить его внутрь.
Работают ли тепловые насосы в холода?
Утверждение о том, что тепловые насосы плохо работают в *очень* холодную погоду, часто повторяют компании, занимающиеся ископаемым топливом, у которых есть конкурирующий продукт.
Зерно истины в этом есть — тепловые насосы могут быть менее эффективными при экстремальном холоде. Чем больше разница температур между помещением и улицей, тем усерднее должен работать тепловой насос, чтобы собрать тепло из наружного воздуха и рассеять его в помещении, поэтому эффективность падает.
Но даже если тепловые насосы работают не на пике эффективности в холодных регионах, «они работают везде», — говорит Сэм Калиш, руководитель отдела специальных проектов в Rewiring America, некоммерческой организации, занимающейся электрификацией.
Тепловые насосы используются повсеместно: от Аляски до Мэна в США. Около 60% зданий в Норвегии отапливаются тепловыми насосами, а также 40% в Швеции и Финляндии.
Тепловые насосы могут эффективно работать даже в самых холодных местах. Тем не менее, выбор правильного теплового насоса имеет решающее значение для обеспечения его хорошей работы при падении температуры, — отмечает Энди Мейер, старший менеджер программ в Efficiency Maine, агентстве, которое руководит программами энергоэффективности в этом штате.
Некоторые тепловые насосы не будут оснащены возможностью обогревать помещение, когда температура опускается ниже нуля, но существуют модели, которые будут эффективно работать в более холодном климате, говорит Мейер. Небольшие обогреватели могут обеспечить резервное тепло во время холодных периодов, но если вы выберете систему подходящего размера, они вам не понадобятся, добавляет он.
Что нового в технологии тепловых насосов?
Усовершенствования нескольких их основных компонентов помогли повысить эффективность и производительность тепловых насосов, особенно в холодную погоду, по словам Мейера.
Одним из главных улучшений являются хладагенты. Фреон, известный как R-22, когда-то доминировал на рынке, но он был выведен из эксплуатации в США и на других крупных рынках из-за его разрушающего воздействия на озоновый слой.
Сегодня смесь химических веществ, известная как R-410A, является одним из наиболее часто используемых хладагентов в тепловых насосах. Помимо того, что он менее вреден для озонового слоя, R-410A имеет более низкую точку кипения, чем R-22, что означает, что он может поглощать больше тепла при более низких температурах, повышая эффективность в холодных условиях.
Улучшились и другие компоненты. Новые компрессоры, используемые сегодня в тепловых насосах, могут доводить хладагенты до более высокого давления с меньшими затратами энергии. Существуют также новые так называемые компрессоры с переменной скоростью, которые позволяют тепловым насосам регулировать мощность вверх и вниз. Наконец, теплообменники, которые передают тепло между воздухом и хладагентом, становятся больше и лучше, что позволяет им более эффективно перемещать тепло.
На сегодняшний день существует широкий ассортимент тепловых насосов. Около 85% установленных — это воздушные тепловые насосы, подобные описанному. Они бывают разных форм и размеров. Но другие модели — так называемые геотермальные тепловые насосы или грунтовые — собирают тепло из-под земли, а не из воздуха.
Как тепловые насосы помогают бороться с изменением климата?
Отопление зданий часто зависит от природного газа или мазута, из-за чего на этот сектор приходится около 10% мировых выбросов. Тепловые насосы станут центральной технологией для снижения климатического воздействия отопления, прогнозирует Янник Моншауэр, энергетический аналитик Международного энергетического агентства.
Тепловые насосы работают на электричестве из сети. Хотя тепловые электростанции на ископаемом топливе по-прежнему питают сети по всему миру, возобновляемые источники энергии и низкоуглеродные источники также вносят свой вклад. Таким образом, при текущем энергобалансе на всех основных рынках тепловые насосы более экологичны, чем прямое отопление на ископаемом топливе, говорит Моншауэр.
Настоящая суперсила тепловых насосов с точки зрения климата — это их эффективность. Сегодня тепловые насосы могут достигать 300–400% эффективности или даже выше, что означает, что они отдают в виде тепла в три-четыре раза больше энергии, чем потребляют в виде электричества. Для электрического обогревателя теоретический максимум эффективности составляет 100%, а лучшие современные модели достигают около 95%.
Разница в эффективности между тепловыми насосами и обогревателями обусловлена принципом их работы. Электрические обогреватели преобразуют энергию из электрической формы в другую форму — тепло.
Тепловые насосы, напротив, не превращают электричество в тепло — они используют электричество для сбора и перемещения тепла. Это тонкое различие, но оно, по сути, означает, что тепловой насос может вернуть значительно больше тепла, используя то же количество электричества.
Максимальная эффективность теплового насоса будет зависеть от хладагента и установленной системы, а также от разницы температур между отапливаемым помещением и улицей.
Что еще нужно знать, если вы рассматриваете тепловой насос?
Первоначальные затраты на тепловые насосы являются основным препятствием для их внедрения: покупка и установка одного агрегата сегодня может стоить от 3000 до 6000 долларов США, а для больших домов часто требуется несколько блоков.
Но за свой срок службы около 15 лет тепловые насосы уже обходятся дешевле в покупке и эксплуатации для некоторых потребителей, особенно если они используются как для обогрева, так и для охлаждения дома в разное время года, — говорит Моншауэр.
И более чем в 30 странах мира действуют программы стимулирования приобретения тепловых насосов, часто с бонусами для малообеспеченных домохозяйств или тех, кто покупает высокоэффективное оборудование. В Италии действуют особенно щедрые субсидии на тепловые насосы, устанавливаемые при модернизации зданий для повышения энергоэффективности: покупатели могут получить обратно до 110% от закупочной цены в виде налогового кредита.
В США закон об инфляции (Inflation Reduction Act) предусматривает 30%-ный налоговый кредит на покупку теплового насоса, а также дополнительные скидки для домохозяйств с низким и умеренным доходом. Для некоторых семей это финансирование может покрыть 100% расходов. Rewiring America предоставляет калькулятор, чтобы помочь людям определить, на какие субсидии по IRA они имеют право.
Что дальше для тепловых насосов?
Хотя тепловые насосы значительно лучше, чем десять лет назад, у этой технологии все еще есть большой потенциал для роста.
Новые конструкции, такие как автономные оконные блоки от стартапа Gradient, могут снизить затраты на установку. Другие компании, такие как Midea и LG, также начали выпускать небольшие портативные блоки. Эти новые варианты могут позволить тепловым насосам проникнуть в новые пространства, например, в старые многоквартирные дома, где установка может быть дорогостоящей или невозможной.
Одним из перспективных направлений для дальнейшего прогресса являются хладагенты. Хотя современные хладагенты являются улучшением по сравнению со старыми вариантами, даже новые являются мощными парниковыми газами. Требуется тщательное обращение и точное производство, чтобы избежать утечек. Климатические преимущества от использования насосов перевешивают потенциал потепления от утечек хладагентов, но альтернативы могут помочь снизить этот риск в дальнейшем.
Gradient, например, использует хладагент под названием R-32, который имеет меньший потенциал глобального потепления, чем R-410A. Другие классы хладагентов, такие как углеводороды пропан и бутан, несут еще меньший климатический риск. Однако некоторые из этих более экологичных хладагентов склонны быть чрезвычайно легковоспламеняющимися, поэтому необходимы системы безопасности.
Новые технологические достижения помогут расширить и без того огромный ассортимент тепловых насосов на рынке. И со временем, по мере того как технология будет становиться более распространенной, затраты должны снижаться.
Мировые продажи тепловых насосов выросли на 15% в 2021 году. Европа продемонстрировала один из самых быстрых темпов роста: рост продаж на 35% в 2021 году, и эта тенденция, вероятно, сохранится из-за энергетического кризиса. В Северной Америке по-прежнему установлено наибольшее количество домов с тепловыми насосами, но Китай лидирует по количеству новых продаж.
Куда бы мы ни посмотрели, эпоха теплового насоса официально началась.
Обновление: Эта статья была дополнена информацией о стоимости установки теплового насоса для всего дома.
