In the heat source system, the absorbed environmental heat flows to the evaporator. There it encounters the liquid refrigerant. This refrigerant evaporates even at very low temperatures. This allows the heat pump to absorb heat from the environment even in frosty conditions. The refrigerant absorbs heat from the environment and becomes gaseous.
Як працює тепловий насос
Теми з першого погляду
Як працює тепловий насос?
Тепловий насос працює подібно до холодильника - тільки навпаки. У той час як холодильник витягує теплову енергію з продуктів, тобто зсередини холодильника, і направляє її назовні, тепловий насос робить навпаки: Він витягує теплову енергію з навколишнього середовища за межами будівлі і використовує її для опалення в приміщенні. Крім внутрішнього або зовнішнього повітря, тепловий насос може використовувати теплову енергію ґрунтових вод і землі. Оскільки температура отриманого тепла зазвичай недостатня для обігріву будівлі або гарячого водопостачання, для підвищення температури використовуються термодинамічні процеси.
Important facts at a glance:
- A heat pump extracts up to three quarters of the energy it needs from the environment (air, ground, or water) and only one quarter from electricity.
- The core components are the evaporator, compressor, condenser, and expansion valve, which work together in a closed circuit.
- Heat pumps function reliably even at very low outdoor temperatures and can be used to cool rooms in addition to heating them.
Structure and operating principle of the heat pump
Regardless of the tapped environmental energy source, the heat pump system consists of three parts:
Heat source system: extracts energy from the environment
Heat pump: Makes environmental heat usable
Heat distribution and storage system: distributes and stores heat in the building
Холодильний цикл - основа принципу роботи теплового насоса
Незалежно від того, яке джерело тепла використовується для виробництва тепла, процес холодильного циклу, що складається з чотирьох етапів, завжди є частиною режиму роботи теплового насоса.
The refrigerant, now in gaseous form, enters the compressor. This requires electricity and greatly increases the pressure of the gas. The increase in pressure also raises the temperature of the gas to the level required for heating. The compressor is the central component that uses electrical energy to convert environmental heat into usable heating energy.
Interesting fact: This principle can be observed not only in the functioning of heat pumps. If the opening of a bicycle pump is closed and the air is compressed, the cylinder of the air pump heats up.
The hot, gaseous refrigerant flows into the condenser. There, it releases heat to the heating system by warming the heating water. During this process, the gas cools down and becomes liquid again. The released heat energy is then distributed to the rooms via the heating distribution system (e.g., underfloor heating). Some of it can also be stored in a buffer or hot water tank for later use.
The refrigerant, which is now liquid again but still under pressure, is passed through an expansion valve (also known as a pressure relief valve). This causes the pressure to drop significantly, the refrigerant cools further, and the entire heat pump process begins again.
Потім другий теплообмінник (конденсатор) передає енергію від нагрітої пари до опалювального контуру (тепла підлога, радіатори, буферний накопичувач та/або бак-накопичувач ГВП). У цьому процесі холодоагент, який все ще знаходиться під тиском, охолоджується і знову зріджується. Перш ніж холодоагент знову потрапляє в контур, він розширюється в розширювальному клапані. Після того, як він досягне початкового стану, холодильний цикл може розпочатися знову.
Пояснюється просто: Тепловий насос
Принцип роботи теплового насоса на прикладі повітряного теплового насоса
Найпростіше пояснити цей процес на прикладі повітряного теплового насоса: Повітряний тепловий насос може складатися з одного або двох блоків. В обох випадках вбудований вентилятор активно всмоктує навколишнє повітря і направляє його в теплообмінник. Через теплообмінник протікає холодоагент, який змінює свій фізичний стан при дуже низьких температурах. При контакті з навколишнім повітрям холодоагент нагрівається і поступово стає пароподібним. Для підвищення отриманого тепла до необхідної температури використовується компресор. Він стискає пару і підвищує тиск і температуру пари холодоагенту.
Безперервне повторення процесу
Ці процеси відбуваються в замкнутому циклі всередині теплового насоса. Для транспортування тепла використовується рідина (холодоагент), яка випаровується при дуже низьких температурах. Для випаровування цієї рідини використовується теплова енергія, наприклад, від землі або зовнішнього повітря. Навіть температури мінус 20 градусів за Цельсієм достатньо для отримання енергії. Холодна пара холодоагенту, наприклад, -20 градусів за Цельсієм, потім сильно стискається. У процесі цього він нагрівається до температури до 100 градусів за Цельсієм. Ця пара холодоагенту конденсується і віддає тепло в систему опалення. Згодом тиск рідкого холодоагенту значно знижується. Це призводить до того, що температура рідини падає до початкового рівня. Процес може розпочатися з самого початку.
Refrigerant: Essential for the heat pump to function
A special refrigerant is essential for a heat pump to function. A key feature is its extremely low boiling point. This allows the liquid to turn into a gas even at very low temperatures – sometimes as low as minus 20 °C. This is why a heat pump works reliably even in winter when outside temperatures are low.
Incidentally, the latest generation of Viessmann heat pumps use the natural refrigerant propane (R290), which is in no way inferior to conventional refrigerants in terms of its properties.
Для стиснення потрібен електричний струм
Важливим компонентом холодильного контуру є компресор. Це пов'язано з тим, що без стиснення температура на виході занадто низька, щоб обігріти будівлю до комфортної температури - тим більше в дуже холодні дні з двозначними мінусовими температурами.
Heat pump for heating and cooling
The heat pump functions reliably even at very low outdoor temperatures. Water-to-water and brine-to-water heat pumps are particularly efficient at supplying heat, as the ground and groundwater maintain constant temperatures throughout the year. However, air-to-water heat pumps also operate at temperatures below freezing. Viessmann heat pumps, such as the Vitocal 250-A, remain reliable even at low outdoor temperatures (below -10 °C).
Thanks to their reversible function, heat pumps can also cool in summer
The operating principle of a heat pump is reversible. This means that rooms can not only be heated, but also cooled with a heat pump, provided that the technical requirements are met. There are two different cooling methods:
- Natural cooling: The heat pump remains switched off. The cooler temperature of the environmental heat source (ground, groundwater) is used to cool the rooms via a heat exchanger.
- Active cooling: The function of the heat pump is actively reversed so that the heat is transported from the rooms to the outside. This mode of operation is similar to that of a refrigerator.
You can read about the detailed process of the cooling functions in our guide to natural and active cooling.
Reversing the function of the heat pump for cooling
The principle of operation of the heat pump is reversible. For this reason, rooms can not only be heated, but also cooled - if the technical requirements are met. A distinction must be made between Natural and Active Cooling. While in the latter the function of the heat pump is actively reversed, it remains switched off in passive or natural cooling.
FAQ – Frequently asked questions about how heat pumps work
The power consumption of a heat pump depends, among other things, on its efficiency (annual performance factor) and the required heating capacity. Most of the heating energy comes from the environment; the electricity is mainly needed to operate the compressor.
Yes, most modern heat pumps can generate hot water for the household in addition to heating rooms. There are also standalone hot water heat pumps specifically designed for hot water production, which efficiently heat drinking water all year round. These can either use exhaust air from the house (e.g., from the basement or laundry room) or extract heat from the outside air. You can find out more about this special type of heat pump in our guide to hot water heat pumps.
Yes, Viessmann offers heat pumps that reach high flow temperatures (e.g., 70 °C) and can therefore also be used in well-insulated existing buildings with conventional radiators.
You can read more about this in our guide to heat pumps in older buildings.
The combination of a heat pump and a PV system is ideal. The solar power generated during the day can be used directly to operate the heat pump, which further reduces operating costs and increases independence.
A geothermal heat pump uses the heat stored in the ground. There are two main methods used for this:
- Ground probes: These are drilled vertically up to 100 meters deep into the ground. They require little space and are particularly efficient.
- Ground collectors: These are laid horizontally and over a large area at a shallow depth. They are cheaper to install but require a larger garden area.
The most suitable method depends on the conditions of your property. You can find more details in our guides to ground collectors and geothermal probes.
На практиці використовується ряд компресорів, включаючи поршневі та спіральні компресори, які мають електричний привід. Споживання енергії для стиснення залежить від багатьох факторів. До них відносяться потреба в теплі, технологія компресора і, не в останню чергу, різниця температур між джерелом тепла і системою опалення. Загальне правило: Чим вища різниця температур між джерелом тепла і температурою потоку, тим більше повинен працювати компресор.
Електроенергія для теплових насосів покращує оцінку життєвого циклу теплового насоса
Вже деякий час постачальники електроенергії пропонують спеціальні тарифи для теплових насосів з покращеними умовами для кінцевих споживачів. У цьому випадку власники систем отримують подвійну вигоду. Ці тарифи допомагають знизити витрати на опалення до мінімуму. При цьому електроенергія, як правило, виробляється з використанням відновлюваних джерел енергії. Енергія є "чистою", що ще більше покращує і без того позитивну оцінку життєвого циклу теплового насоса.
