Тепловые насосы не являются какими-то чудесными устройствами, действие которых понимают только продавцы и установщики тепловых насосов. Тепловой насос следует рассматривать как любое другое отопительное устройство, которое используется для производства тепла, и в отношении которого действуют физические законы. Как и у каждого способа отопления, у теплового насоса есть свои особенности, сильные и слабые стороны. Теплотехнические расчёты у всех способов получения тепла одинаковые. Правила термодинамики действуют как при дровяном печном отоплении, так и при управляемом через Интернет геотермальном теплонасосе. 

Работа теплового насоса

Принцип работы теплового насоса отображен в цикле Карно, опубликованном в 1824 г. в его диссертации, и изучается в школьном курсе физики. Практическую теплонасосную систему предложил лорд Кельвин в 1852 г. под названием „умножитель тепла”. Принципиальная схема на рисунке

 В соответствии с изображенным принципом действия, тепловой насос берет тепловую энергию из одного места, переносит (перекачивает) ее, и отдает в другое место.

Например, в обычном холодильнике тепло отбирается морозильной камерой из холодильника и выбрасывается в кухню. При этом продукты в морозилке охлаждаются, а задняя стенка холодильника становится горячей.

Принцип отопления геотермальным тепловым насосом основан на сборе тепла из природы, окружающей здание, и передаче собранного тепла в систему отопления (или горячего водоснабжения) здания.

Для сбора тепла незамерзающая жидкость протекает по трубе, расположенной в почве или водоеме возле здания, к тепловому насосу. Тепловой насос, подобно холодильнику, отбирает тепло и, соответственно, охлаждает жидкость приблизительно на 5 °С. Отобранные тепловым насосом градусы отдаются системе отопления и/или на подогрев горячей воды и/или бассейна... Жидкость снова течет по трубе в грунте или воде, восстанавливает свою температуру, и снова поступает к тепловому насосу.

Тепловой насос может использовать накопленную в скалах, грунте, воде тепловую энергию для нагрева здания: отопления, подогрева горячей воды, бассейна, зимнего сада, полотенцесушителей, системы антиобледенения и т.д. Превращение накопленной в природе низкотемпературной тепловой энергии в тепло для нагрева происходит в трех контурах. В грунтовом контуре (1) свободное тепло переходит от окружающей среды к незамерзающей жидкости, и подается при температуре около нуля градусов к тепловому насосу. В контуре фреона (2) теплонасос увеличивает температуру полученного тепла до 100 градусов. В контуре греющей стороны (3) тепло от фреона передается в систему отопления, и распространяется по зданию.

1. Грунтовой контур

A В трубах незамерзающая жидкость – рассол - циркулирует от теплового насоса к источнику тепла (скала/грунт/озеро/вода). Накопленная энергия источника тепла нагревает рассол на несколько градусов, например от –3°C до 0 °C.

B Рассол по трубам возвращается к испарителю теплового насоса. Тут рассол отдает тепловую энергию, охлаждается на несколько градусов от 0 °C до –3°C. Потом рассол возвращается к источнику тепла, и получает энергию снова.

2. Контур фреона

C Фреон циркулирует в закрытом контуре теплового насоса, и проходит через испаритель. Фреон имеет очень низкую температуру кипения. В испарителе фреон получает тепловую энергию от рассола, подогревается от –20°C до –2°C, начинает кипеть, и превращается в пар.

D Пар поступает в компрессор с электроприводом. Компрессор сжимает пар, давление повышается, и температура пара возрастает от –2°C до +100 °C.

E От компрессора пар поступает в теплообменник – конденсатор, где он отдает тепло системе отопления, после чего пар охлаждается от +100 °C до +70 °C, и пар конденсирует в жидкий фреон.

F Давление фреона еще осталось высоким, и он проходит через расширительный кран. Давление фреона падает, и он возвращается к своей начальной температуре –20°C. Фреон прошел полный цикл. Он возвращается в испаритель, и процесс повторяется.

3. Греющая сторона

G Тепловая энергия, которую отдал фреон в конденсаторе, передается воде отопительной системы, или на подогрев горячей воды, бассейна и т.д.

H Теплоноситель системы отопления циркулирует по замкнутому контуру. С температурой +40°C он подходит к тепловому насосу, нагревается в конденсаторе до +50°C, и транспортирует тепло для нагрева воды или
радиаторов/отопительных приборов. Отдав тепло приборам, и остыв до +40°C, теплоноситель возвращается за следующей порцией тепла к тепловому насосу.

Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус двести семьдесят три градуса Цельсия - так называемый "абсолютный ноль". То есть тепловой насос может отобрать тепло у любого предмета - земли, водоема, льда, подземной скалы, плывуна и т.д.

В климатических условиях Украины для отопления здания энергия забирается из грунта (или водоема) и отдается в систему отопления здания.

Если же здание, например летом, нужно охлаждать (кондиционировать), то происходит обратный процесс - тепло забирается из здания и сбрасывается в землю (водоем). Тот же тепловой насос может работать зимой на отопление, а летом на охлаждение здания. Очевидно, что теплонасос одновременно может выполнять вытекающие функции - греть воду для горячего бытового водоснабжения, кондиционировать через фанкойлы, греть бассейн, охлаждать например ледовый каток, подогревать крыши и дорожки от льда... Одно оборудование может выполнить все функции по тепло-холодоснабжению здания.

Обмен теплом с окружающей средой геотермальные тепловые насосы осуществляют такими основными способами

- насос с открытым циклом - из глубины земли забирается подземная вода, подается в размещенный внутри здания тепловой насос, вода отдает тепло у теплового насоса, и возвращается в подземный поток на расстоянии от места забора. Плюсом такого способа является возможность одновременно получить воду для водоснабжения дома. Открытые системы являются очень эффективными, поскольку температура подземной воды является относительно высокой и круглогодично стабильной. Использование воды из скважины не наносит ущерба грунтовым водам, не изменяет уровень грунтовых вод в водном горизонте, поскольку открытую систему можно рассматривать как соединённые сосуды, где вода, забираемая из одного колодца, направляется обратно под землю через второй колодец, не изменяя общий уровень воды. Корректно, в соответствии с нормативами сооружённые скважины обеспечивают безопасную для окружающей природы стабильную работу системы отопления.

- насос с закрытым циклом и водоразмещенным теплообменником - специальная жидкость (теплоноситель) прокачивается по коллекторам (трубкам), находящимся в водоеме, и отдает/забирает тепло у воды. Здания целесообразно отапливать тепловой энергией открытого водоёма в том случае, если здание находится от водоёма ближе 100 метров, и глубина водоёма, а также береговая линия соответствуют условиям, требуемым для прокладки коллектора. Плюсом такого способа является его относительная дешевизна.

Распределенные по поверхности озера коллекторы (трубки) перед заполнением теплоносителем и погружением их на дно.

- насос с закрытым циклом и горизонтальным теплообменником, размещенным в земле - трубки (коллекторы), в которых прокачивается теплоноситель, размещены горизонтально на глубине не менее метра от поверхности земли. Такой теплообменник обычно называют поверхностным коллектором. Основной опасностью является неосмотрительность при проведении землекопных работ в зоне нахождения поверхностного коллектора. Для современного жилого дома с отапливаемой площадью в 200 м2 под основание коллектора требуется около 500 м2 поверхности грунта. При прокладке коллектора вблизи деревьев трубу коллектора не следует укладывать ближе, чем 1,5 метра от кроны. Правильно выбранный по размерам и правильно уложенный почвенный коллектор не влияет негативно ни на рост растений, ни на экологические условия.

- насос с закрытым циклом и вертикальным теплообменником - трубки, в которых прокачивается теплоноситель, размещены вертикально в земле и уходят в глубину земли до 200 метров (обычно 50 - 100 метров). Такой теплообменник обычно называют зондом. Как известно, на глубине 15-20 метров от поверхности земля имеет стабильную температуру 10-12 градусов Цельсия независимо от поры года. С увеличением глубины температура земли повышается. Этот способ обеспечивает самую высокую эффективность работы теплонасоса, малый расход электроэнергии и дешевое тепло - на 1 кВт электроэнергии получают до 5 кВт тепловой энергии, но требует больших первоначальных капиталовложений.

Тепловые насосы, которые забирают/отдают тепло из земли или воды, в Европейских странах обычно называют "геотермальные тепловые насосы", или "грунтовые тепловые насосы", по-английски «GHP». Все изображенные выше способы используют GHP. В некоторых странах, например Великобритании, к геотермальным GHP относят только тепловые насосы с вертикальным теплообменником, а другие способы называют "землеразмещенными", "грунтовыми" или "солнечными" теплонасосами. В Западной Украине "тепловые насосы" иногда называют "тепловые помпы". Разница в названиях не меняет сути работы тепловых насосов/помп.

В России только начинают разработку нормативно-правовой базы, регулирующей правила установки теплонасосов. Поэтому целесообразно пользоваться требованиями, технологией и рекомендациями изготовителей оборудования и нормативно-правовой базой Европейского сообщества. Очевидно что не все рабочие, которые могут взяться за работы по установке, знакомы с этими требованиями и технологиями. Использование неквалифицированного персонала приведет к некачественной установке, и потерянным деньгам.