ТН называют устройства, работающие по обратному термодинамическому циклу и предназначены для передачи тепла от низкопотенциального источника энергии к высокопотенциальному.
Второй закон термодинамики: невозможно создать такой тепловой двигатель, который бы все подведенное тепло превращал в работу. Часть этого тепла он вынужден отдать нижнему источнику теплоты.
В ТН для передачи энергии от НИТ к ВИТ требуется затраты энергии. В настоящее время широкое распространение получили парокомпрессионные ТНУ. В этих установках в качестве рабочего тела используют вещества, которые имеют низкую температуру кипения. Как правило это аммиак и различные фреоны.
Принципиальная схема парокомпрессионной ТНУ:
За счет теплоты от НИТ в испарителе идет процесс парообразования рабочего тела с низкой температурой кипения. Полученный пар направляется в компрессор где происходит сжатие рабочего тела и повышение температуры. Затем пар поступает в конденсатор, где отдает тепло жидкости, циркулирующей в отопительной системе. Образовавшийся конденсат рабочего тела направляется в дроссель-вентиль, там он дросселируется с повышением давления и температуры. После дросселя жидкость снова направляется в испаритель.
Эффективность ТН оценивается коэффициентом трансформации тепла или отопительным коэффициентом μ=q1/l=(q2+l)/l, где q2 - теплота, полученная рабочим телом в испарителе; q1 – теплота отданная рабочему телу; l – работа, затраченная в компрессоре на сжатие.
μ показывает сколько теплоты отводится для потребления в расчете на единицу затраченной на привод ТН механической работы. Чем больше значение μ, тем больше количество теплоты можно передать ВИТ при одной и той же затраченной работе. μ имеет значение от 3 до 8.
В качестве НИТ (низкопотенциального источника теплоты) используют воздух помещений, почву и подпочвенную воду. Также в качестве НИТ для получения больших мощностей используют морскую, речную и озерную воду, геотермальные источники, а также грунтовые воды. Например, в Швеции в ТНУ в качестве НИТ используется вода Балтийского моря.
ТН изготавливают для автономного обогрева и горячего водоснабжения различных помещений. ТНУ экологически чистые, так как не сжигают топливо. ТНУ являются одними из немногих устройств, которые производят в 3-7 раз больше тепловой энергии чем потребляют энергию на привод компрессора.
ТНУ достаточно давно в больших количествах производят и эксплуатируют во многих странах мира. По прогнозам мирового энергетического агентства к 2020 году 75% теплоснабжения будет осуществляться с помощью ТН.
Достоинством ТНУ является то, что ее можно также использовать для кондиционирования воздуха в летнее время. Огромное количество ТН используется в Японии и США не сколько для отопления, сколько для кондиционирования воздуха в летнее время.
ТНУ позволяет значительно снизить расход электроэнергии на отопление.