Тепловые насосы, мифы и реальность
Заказывайте бесплатный расчет и консультацию по тепловому насосу для Вашего дома!
В последние годы тема тепловых насосов стала достаточно актуальной. Тот факт, что цены на ископаемое топливо (газ, уголь) постоянно увеличиваются и способствует этому процессу. Хотя в Украине тарифы на газ и электроэнергию пока гораздо гуманнее, чем в Европе, но они тоже растут.
Общая схема работы.
Рис 1. Схема работы теплового насоса.
Сначала рассмотрим, что такое тепловой насос. Тепловой насос – это отдельный класс холодильных машин, использующих в своей работе физическое свойство вещества поглощать или отдавать тепло при переходе из одного агрегатного состояния в другое. В нашем случае энергия окружающей среды в тепловом насосе превращается в тепловую энергию, необходимую для отопления, охлаждения и ГВС.
Процесс отбора энергии можно описать следующим образом:
- Охлажденный жидкий хладагент подается в теплообменник теплового насоса, этот теплообменник называют испарителем. С другой стороны теплообменника у нас или наружный воздух, солевой раствор (раствор гликоля) или вода, являющаяся нашим источником тепла, хладагент забирает у них некоторое количество энергии для испарения и переходит из жидкого состояния в газообразное.
- Компрессор всасывает газообразный хладагент и сжимает его (именно здесь используется электроэнергия). При увеличении давления значительно увеличивается температура хладагента.
- Хладагент направляется в расположенный за компрессором теплообменник-конденсатор и отдает полученное ранее тепло в контур системы водяного отопления дома, переходя при этом в жидкое состояние.
- С помощью расширительного клапана, имеющееся остаточное давление снижается, и цикл начинается заново. Эта базовая схема применяется в кондиционерах и обычных холодильниках, и называется она цикл Карно.
Как можно увидеть идея и принцип работы тепловых насосов – не какая-то необычная «новинка», которая является лишь рекламным ходом, как об этом часто говорят. Этот принцип используется уже достаточно давно, и подобные "тепловые насосы" есть у нас у каждого дома в виде холодильника и кондиционера. Оборудование теплового насоса не перестанет работать сразу после того, как у вас заканчивается гарантия. Оно рассчитано на долгую работу. При правильном монтаже, без ошибок, эксплуатации в нормальных режимах и сервисном обслуживании, такое оборудование проработает у вас более 20-25 лет без проблем.
Почему кондиционер стоит в разы меньше теплового насоса?
— Вопрос
Ответ будет во внутренних компонентах, функциях, возможностях и мощности оборудования. Тепловой насос лучше работает в режиме отопления и охлаждения, может выдать больше мощности, и его эксплуатация будет дешевле, чем любой кондиционер.
— Ответ
Что служит источником тепла для теплового насоса?
Тепловые насосы классифицируют по конструкции первичного контура теплообменника:
- грунтовые;
- водяные;
- воздушные.
Для получения тепла от грунта, температура которого почти не меняется в течение года, используют грунтовые тепловые насосы. Тепловую энергию грунта отбирает раствор воды (солевой, пропилен- или этилен-гликольвовый), который циркулирует по грунтовому теплообменнику первого контура и прокачивается через испаритель теплового насоса, отдавая эту энергию хладагенту.
Грунтовый тепловой насос – достаточно универсальная система, которую можно использовать практически повсеместно. Существует много разновидностей грунтовых теплообменников, но можно выделить два основых варианта: горизонтальный коллектор и геотермальный зонд.
Первый вариант занимает сравнительно большую площадь. Так, для обеспечения теплом коттеджа площадью 200 м² требуется коллектор площадью 4-6 соток (зависит от грунта), состоящий из труб, уложенных на глубине 1,5-2 м. На территории, занятой коллектором, существует ограничение на посадку кустов и деревьев , застройка на этой площади не рекомендована. Основная причина заключается в том, что естественный нагрев почвы, остывшей за зиму, происходит в летний период за счет как солнца так и теплых осадков. Наличие любых построек ограничивает поступление тепла в грунт, что приводит к переохлаждению поверхности грунта.
Геотермальные зонды – это тот же теплообменник, трубы которого расположены не горизонтально, а вертикально. В зависимости от требуемой мощности количество зондов может быть разным. К примеру, для коттеджа площадью 200 м² нужно пробурить три-пять скважин, глубиной около 80 м на расстоянии 6 м друг от друга. Количество скважин напрямую зависит от типа грунта.
Рис 2. Процесс бурения грунтовых зондов.
Таким образом, грунтовой теплообменник можно разместить рядом с домом, забором или в любом другом удобном месте. Несмотря на высокую стоимость работ по бурению, сопоставимых со стоимостью оборудования, данное решение наиболее надежно и оптимально при выборе грунтового теплового насоса.
На глубинах более 10 м температура грунта стабильно держится на уровне 8-9 °С, но при включении теплового насоса она начинает снижаться, и при правильно исполненном расчете за отопительный период температура вблизи зонда постепенно опускается до -2 °С.
При неправильном проектировании она может "свалиться" и до -10 °С, что приводит к выключению тепловых насосов из-за ограничений по температуре источника тепла. Под влиянием атмосферных и климатических факторов в течение летнего периода температура почвы восстанавливается до 8-9 °С.
Рис 3. Колебания температуры в почве в течение года.
Водяной тепловой насос использует энергию грунтовых вод, которые прокачиваются или проливаются через испаритель теплового насоса. Почвенные воды имеют постоянную температуру и имеют высокую теплоотдачу, что обеспечивает повышенную эффективность и стабильность системы «вода-вода». С точки зрения эффективности наилучшим является тепловой насос «вода-вода». Но для использования установки такого типа необходимо наличие под участком достаточного количества грунтовых вод. Для хорошо утепленного коттеджа площадью 200 м² объемный расход воды должен составлять примерно 3-4 м³/ч, ориентировочно 2,5-3 м³/ч на 10 кВт мощности, также очень желательно, чтобы водоносные слои находились сравнительно неглубоко (30-40 м). Совпадение этих двух параметров случается не часто. Обычно водоносные слои требуемой производительности располагаются достаточно глубоко, а слои мелкого залегания (10-20 м), как правило, не способны обеспечить необходимый расход.
Использование окружающего воздуха в качестве источника тепловой энергии не требует устройства дополнительного контура для сбора низкопотенциального тепла, поэтому начальные затраты на установку теплового насоса «воздух-вода» намного ниже, чем для других типов тепловых насосов. Однако, низкая температура воздуха в зимнее время значительно снижает эффективность воздушного теплового насоса по сравнению с тепловыми насосами другой конструкции.
Действительно, насосы этого типа отличаются простотой установки – не нуждаются в земляных работах, большом количестве дополнительного оборудования и т.п., а подключение полностью аналогично подключению обычного электрического котла. При отсутствии затрат на дополнительные работы воздушный тепловой насос получается заметно дешевле (суммарно по объекту), но у него есть один небольшой недостаток: воздушный тепловой насос, теряет свою эффективность при понижении температуры на улице, хотя надо сказать, что эту потерю эффективности возможно компенсировать , об этом более подробно рассмотрим дальше.
Коэффициент эффективности, или СОР (coefficient of performance) – это основной критерий оценки тепловых насосов, указывающий отношение полученной тепловой энергии к потребленной электрической.
Для устройств «вода-вода» величина данного коэффициента в любое время года может составлять около 4-5. Это означает, что при потреблении 1 кВт/ч электрической энергии установка производит 4-5 кВт/ч тепловой энергии.
Для грунтовых тепловых насосов (в любое время года) эта величина находится в диапазоне от 3,5 до 5,5. Коэффициент эффективности воздушных тепловых насосов снижается с понижением температуры на улице, и если при температуре воздуха 0 °С эффективность системы «воздух-вода» примерно такая же, как у грунтовых систем (около 3,5-4), то при -20 °С Значение этого коэффициента может быть в диапазоне 1,5-1,9. Проще говоря, в этом режиме тепловой насос на каждый израсходованный киловатт электроэнергии выдает 1,5-1,9 кВт тепловой энергии. Кажется, что это выглядит не очень эффективно, но если учесть наши сегодняшние климатические условия, такой вариант теплового насоса выглядит довольно интересно.
Рис 4. Наружный и внутренний блоки воздушного теплового насоса, пример установки на работающий дом.
Часто говорят, что тепловые насосы очень дорогое оборудование. Десять лет назад это высказывание было бы абсолютной правдой. Сегодня, это не совсем верно. Да, тепловые насосы достаточно дорогие, но очень часто их цена ниже, чем, например, подключение газа на участок. Существует большое количество производителей как европейских, так и китайских, тепловые насосы которых можно приобрести по разумной цене. С учетом тарифов на газ и электричество такое оборудование с каждым годом будет все более выгодно.
Тепловые насосы в украинском климате
Из приведенных выше примеров можно заключить, что для полного покрытия потребностей дома лучше всего подходят тепловые насосы "грунт-вода" с вертикально расположенными зондами. Вроде бы оптимальное решение, но недостаток информации часто приводит к неправильным выводам. Если взять в качестве примера хорошо утепленный дом в 200 м², его теплопотери будут составлять в среднем от 12 до 14 кВт. При этом эти цифры рассчитаны на минимальную температуру по региону (-22 °С для Киева).
На сегодняшний день температуры зимой очень редко падают к таким показателям. И чаще колеблются в диапазоне от 0 до –10 °С. Учитывая это, часто получается так, что воздушный тепловой насос, который рассчитан на точку "бивалентности" дешевле более чем в 2 раза, чем грунтовый, и почти одинаков в эксплуатационных расходах.
Точка "бивалентности" это такое значение температуры окружающего воздуха, к которой воздушный тепловой насос способен самостоятельно обогревать помещение и имеет при этом высокие показатели эффективности работы. А в тех случаях, когда температура на улице падает ниже, всегда есть возможность включить или электрический догреватель или другой источник тепла.
Очень часто можно услышать, что тепловые насосы зимой не работают, и при температурах ниже нуля они просто перестают работы. Это достаточно популярный миф, который распространен в интернете и не только, с начала появления данного типа оборудования на рынке. Для того чтобы понять, что это лишь неверные предположения, можно обратить внимание на Швецию, где в настоящее время более половины частных домов работает от тепловых насосов, почти все высотные здания выполнены с использованием технологии тепловых насосов. Финляндия, где общая мощность тепловых насосов в бытовой сфере превышает 6 кВт*ч год (согласно релизу европейской ассоциации тепловых насосов). Температурные режимы в этих странах почти такие же, как и в Украине, а в некоторых регионах даже холоднее.
Рис 5. Наружный и внутренний блоки воздушного теплового насоса как единственного источника тепла.
Охлаждение от тепловых насосов
У нас бывает не только холодно. В летние промежутки времени температура на улице может достигать и 30 и почти 40 °С. В отличие от любого котла тепловой насос способен не только отапливать, но и охлаждать дом.
Для охлаждения дома существует два варианта:
Первый – практически у всех производителей есть модификации тепловых насосов с интегрированным решением, которое обеспечивает не только отопление, но и кондиционирование дома. Охлаждение производится с помощью фанкойлов с вентиляторами или с помощью систем теплых стен. В некоторых моделях грунтовых тепловых насосов существует вариант "пассивного охлаждения". Это такой режим работы, когда помещение охлаждается только за счет стабильной температуры грунта и не включает в себя компрессор теплового насоса. Такой режим способен работать примерно до +27-29 °С на улице.
Активное охлаждение – это режим, когда автоматика включает компресор теплового насоса, и сам тепловой насос активно участвует в охлаждении дома. Максимально эффективным решением задачи охлаждения частного дома может стать использование фанкойлов – приборов, в чей корпус встроен обдуваемый вентилятором теплообменник. Снаружи они смотрятся как внутренний блок кондиционера.
Есть настенные, канальные, потолочные и многие другие виды фанкойлов. Возможно выбрать именно такой вариант, который подойдет для дизайна или предназначения помещения наиболее идеально.
Второй вариант – подключение контура теплового насоса к теплообменнику, встроенному в систему приточной вентиляции дома (при ее наличии в доме). Использование охлаждения от теплового насоса значительно сокращает срок его окупаемости, так как тепловой насос имеет очень большую эффективность при работе летом.
Тепловой насос и горячее водоснабжение
Тепловой насос без проблем способен справиться с обеспечением ГВС в течение всего года. При проектировании дома и выделении площади для котельной следует учесть, что низкотемпературная система и температура воды в бойлере достигает всего 55-60 °С. Также при выборе бойлера нужно помнить, что это должен быть специальный бойлер предназначенный для работы с тепловыми насосами. Его отличие – в площади теплообменника, необходимой для максимального отбора тепла от теплового насоса. Такое решение обычно дороже обычных бойлеров, используемых с котлами.
Рис 6. Каскад из двух тепловых насосов воздух-вода с работой на отопление и ГВС.
Тепловой насос и особенности системы отопления
В случае с грунтовым тепловым насосом потребность в дополнительном источнике тепла практически отсутствует. Когда у нас стоит воздушный тепловой насос, такая необходимость есть.
Многие производители часто встраивают в свои тепловые насосы электрические нагреватели (ТЭНы), позволяющие в крайнем случае перейти на электрическое отопление. При этом установка ТЭНов обусловлена не низкой надежностью теплового насоса, а совсем другими факторами. Дело в том, что подбор теплового насоса производится после проведения теплового расчета здания, и если этот расчет дал цифру, например 20 кВт, целесообразно устанавливать насос не с запасом, как это принято для газовых котлов, а с недобором в данном случае 16 кВт, или даже 12-14 кВт, будет вполне достаточно. Значение 20 кВт, полученное из теплового расчета означает, что здание будет терять 20 кВт при температуре наружного воздуха -21 °С (для г. Киева). При -15 °С потери тепла будут меньше (примерно 14-15 кВт), а при -10 °С – еще меньше.
Практика показывает, что в нашем климате суммарная продолжительность моментов, когда температура падает ниже 10 °С, обычно составляет не более 100 часов в год, причем, дополнительные затраты на электрическое отопление оказываются существенно ниже, чем экономия на капитальных затратах, достигнута за счет установки оборудования меньшей мощности.
Тепловые насосы можно сочетать и с другими генераторами тепла. Следует учитывать, что температура отопительной системы для теплового насоса 55-40 °С, а для котла возможно и 80-70 °С. Также обязательно необходимо иметь в виду, что радиаторов рассчитанных на температуру теплоносителя 90-70 °С будет не хватать при температуре 55-40 °С, и их придется заменить на мощные по теплоотдаче. Теплый пол является идеальным решением как система отопления при работе с тепловыми насосами.
На сегодняшний день, несмотря на то, что существует большое количество мифов о тепловых насосах, о том что они космически дорогие, не работают при температуре ниже нуля, тепловой насос является одним из самых эффективных, экологическим и экономичным в эксплуатации методом создания комфортных условий в помещениях. Не следует бояться подобного оборудования, при правильном подходе к подбору и проектированию тепловой насос покажет себя с лучшей стороны.
Заказывайте бесплатный расчет и консультацию по тепловому насосу для Вашего дома!
-500 грн
на вашу покупку от 4750 грн
Дарим бонус новым подписчикам!
Подпишитесь на рассылку
