0

Теплові насоси, міфи та реальність

За останні роки тема теплових насосів стала досить актуальною. Той факт, що ціни на викопне паливо(газ, вугілля) постійно збільшуються також сприяє цьому процесу. Хоча в Україні тарифи на газ та електроенергію поки набагато гуманніші ніж в Європі, вони теж зростають.


Загальна схема роботи.


Рис 1. Схема роботи теплового насосу.

Спочатку розглянемо що таке тепловий насос. Тепловий насос – це окремий клас холодильних машин, що використовують у своїй роботі фізичну властивість речовини поглинати або віддавати тепло при переході з одного агрегатного стану в інший. У нашому випадку енергія навколишнього середовища в тепловому насосі перетворюється в теплову енергію, необхідну для опалення, охолодження та ГВП.

Процес відбору енергії можна описати таким чином:

  1. Охолоджений рідкий холодоагент подається в теплообмінник теплового насоса, цей теплообмінник називають випарником. З іншої сторони теплообмінника у нас або зовнішнє повітря, сольовий розчин(розчин гліколю) або вода, які являються нашим джерелом тепла, холодоагент забирає у них деяку кількість енергії для випаровування і переходить з рідкого стану в газоподібний.
  2. Компресор всмоктує газоподібний холодоагент і стискає його (саме тут використовується електроенергія). При збільшенні тиску значно збільшується температура холодоагенту.
  3. Холодоагент спрямовується в розташований за компресором теплообмінник-конденсатор і віддає отримане раніше тепло в контур системи водяного опалення будинку, переходячи при цьому в рідкий стан.
  4. За допомогою розширювального клапана, наявний залишковий тиск знижується, і цикл починається заново. Ця базова схема застосовується в кондиціонерах та в звичайних холодильниках, і називається вона цикл Карно.

Як можна побачити ідея та принцип роботи теплових насосів не якась незвичайна “новинка” яка є лише рекламним ходом, як про це часто говорять. Цей принцип використовується уже досить давно, і подібні “теплові насоси” є у нас в кожного дома в вигляді холодильника та кондиціонера. Обладнання теплового насосу не перестане працювати озразу після того як у вас закінчується гарантія. Воно розраховане на довгу роботу. При вірному монтажі, без помилок, експлуатації в нормальних режимах та сервісному обслуговуванні таке обладнання пропрацює у вас більше 20-25 років без проблем.

Чому кондиціонер коштує в рази менше ніж тепловий насос?

— Питання

Відповідь буде у внутрішніх компонентах, функціях, можливостях та потужності обладнання. Тепловий насос краще працює в режимі опалення та охолодження, може видати більше потужності, та його експлуатація буде більш дешевша, ніж будь-який кондиціонер.

— Відповідь

Що служить джерелом тепла для теплового насосу?

Теплові насоси класифікують за конструкцією первинного контуру теплообмінника:

  • грунтові;
  • водяні;
  • повітряні.

Для отримання тепла від грунту, температура якого майже не змінюється протягом року, використовують грунтові теплові насоси. Теплову енергію грунту відбирає розчин води (сольовий, пропілен- або етилен- глікольвовий), який циркулює по грунтовому теплообміннику першого контуру і прокачується через випарник теплового насоса, віддаючи цю енергію холодоагенту.

Грунтовий тепловий насос – досить універсальна система, яку можна використовувати практично всюди. Існує багато різновидів ґрунтових теплообмінників, але можна виділити основі варіанти: горизонтальний колектор і геотермальний зонд.

Перший варіант займає порівняно велику площу. Так, для забезпечення теплом котеджу площею 200 м² потрібно колектор площею 4-6 соток (залежить від грунту), що складається з труб, покладених на глибині 1,5-2 м. На території, зайнятій колектором, існує обмеження на посадку кущів і дерев, забудова на цій площі не рекомендована. Основна причина полягає в тому, що природне нагрівання грунту, остиглого за зиму, відбувається в літній період за рахунок як сонця так і теплих опадів. Наявність будь-яких будівель обмежує надходження тепла в грунт, що призводить до переохолодження поверхні грунта.

Геотермальні зонди – це той же самий теплообмінник, труби якого розташовані не горизонтально, а вертикально. Залежно від потрібної потужності кількість зондів може бути різною. Наприклад, для котеджу площею 200 м² потрібно пробурити три-п'ять свердловин, глибиною близько 80 м на відстані 6 м один від одного. Кількість свердловин напряму залежить від типу грунта.

Рис 2. Процес буріння грунтових зондів.

Таким чином, грунтовий теплообмінник можна розмістити поруч з будинком, парканом або в будь-якому іншому зручному місці. Незважаючи на високу вартість робіт з буріння, порівнянних з вартістю обладнання, дане рішення є найбільш надійним та оптимальним при виборі грунтового теплового насосу.

На глибинах понад 10 м температура грунту стабільно тримається на рівні 8-9 °С, але при включенні теплового насоса вона починає знижуватися, і при правильно виконаному розрахунку за опалювальний період температура поблизу зонда поступово опускається до -2 °С.

При неправильному проектуванні вона може впасти і до -10 °С, що призводить до вимикання теплових насосів через обмеження по температурі джерела тепла. Під впливом атмосферних і кліматичних факторів протягом літнього періоду температура грунту відновлюється до тих же 8-9 °С.

Рис 3. Коливання температури в грунті протягом року.

Водяний тепловий насос використовує енергію грунтових вод, які прокачуються (або проливаються) через випарник теплового насоса. Ґрунтові води мають постійну температуру і мають високу тепловіддачу, що і забезпечує підвищену ефективність і стабільність системи «вода-вода». З точки зору ефективності найкращим є тепловий насос «вода-вода». Але для використання установки такого типу необхідна наявність під ділянкою достатньої кількості грунтових вод. Для добре утепленого котеджу площею 200 м² об'ємна витрата води має становити приблизно 3-4 м³ /год, орієнтовно 2,5-3 м³/год на 10 кВт потужності, також вкрай бажано, щоб водоносні шари перебували порівняно неглибоко (30-40 м). Збіг цих двох параметрів трапляється не часто. Зазвичай водоносні шари необхідної продуктивності розташовуються досить глибоко, а шари мілкого залягання (10-20 м), як правило, не здатні забезпечити необхідну витрату.

Використання навколишнього повітря в якості джерела теплової енергії не вимагає облаштування додаткового контуру для збору низькопотенційного тепла, тому початкові витрати на установку теплового насоса «повітря-вода» набагато нижчі, ніж для інших типів теплових насосів. Однак низька температура повітря в зимовий період значно знижує ефективність повітряного теплового насоса в порівнянні з тепловими насосами іншої конструкції. Дійсно, насоси цього типу відрізняються простотою установки – не має потреби в земляних роботах, великої кількості додаткового обладнання, тощо, а підключення повністю аналогічне підключенню звичайного електричного котла. За відсутності витрат на додаткові роботи повітряний тепловий насос виходить помітно дешевше (сумарно по об'єкту), але у нього є один невеликий недолік: повітряний тепловий насос, втрачає свою ефективність при зниженні температури на вулиці, хоча треба сказати що цю втрату ефективності можливо компенсувати, про це більше детальніше розглянемо далі.

Коефіцієнт ефективності, або СОР (coefficient of performance) – це основний критерій оцінки теплових насосів, який вказує відношення отриманої теплової енергії до спожитої електричної.

Для приладів «вода-вода» величина даного коефіцієнта в будь-який час року може становити близько 4-5. Це означає, що при споживанні 1 кВт/год електричної енергії установка виробляє 4-5 кВт/год теплової енергії.

Для грунтових теплових насосів (в будь-який час року) ця величина лежить в діапазоні від 3,5 до 5,5. Коефіцієнт ефективності повітряних теплових насосів знижується зі зниженням температури на вулиці, і якщо при температурі повітря 0 °С ефективність системи «повітря-вода» приблизно така ж, як у ґрунтових систем (близько 3,5-4), то при -20 °С значення цього коефіцієнта може бути в діапазоні 1,5-1,9. Простіше кажучи, в цьому режимі тепловий насос на кожен витрачений кіловат електроенергії видає 1,5-1,9 кВт теплової енергії. Здається що це виглядає не дуже ефективно, але якщо взяти до уваги наші сьогоднішні кліматичні умови, такий варіант теплового насосу виглядає досить цікаво.

Рис 4. Зовнішній та внутрішній блоки повітряного теплового насосу, приклад встановлення на працюючий будинок.

Часто кажуть, що теплові насоси надзвичайно дороге обладнання. Десять років тому це висловлювання було би абсолютною правдою. Сьогодні, це не зовсім вірно. Так, теплові насоси досить дорогі, але дуже часто їх ціна нижча, ніж, наприклад, підключення газу на ділянку. Існує велика кількість виробників як европейських так і китайських, теплові насоси яких можна придбати за розумною ціною. З урахування тарифів на газ та електрику, таке обладнання з кожним роком буде все більш вигідніше.

Теплові насоси в українському кліматі

З наведених вище прикладів можна зробити висновок, що для повного покриття потреб будинку найкраще підходять теплові насоси “грунт-вода” з вертикально розташованими зондами. Начебто, оптимальне рішення, але недолік інформації часто призводить до неправильних висновків. Якщо взяти за приклад добре утеплений будинок в 200 м², його тепловтрати будуть складати в середньому від 12 до 14 кВт. При цьому ці цифри розраховані на мінімальну температуру по регіону (-22 °С для м.Києва).

На сьогоднішній день, температури взимку дуже рідко падають до таких показників. І частіше коливаються в діапазоні від 0 до -10 °С. Враховуючи це часто виходить так що повітряний тепловий насос, який розрахований на точку “бівалентності” дешевший більш як в 2 рази, ніж грунтовий, та майже однаковий в експлуатаційних витратах.

Точка “бівалентності” це таке значення температури навколишнього повітря до якої повітряний тепловий насос здатний самостійно обігрівати приміщення і має при цьому високі показники ефективності роботи. А в тих випадках коли температура на вулиці падає нижче, завжди є можливість включити або електричний догрівач або інше джерело тепла.

Дуже часто можна почути що теплові насоси взимку не працюють, і при температурах нижче нуля вони просто перестають роботи. Це достатню популярний міф, який поширений в інтернеті та не тільки, з початку появи данного типу обладнання на ринку. Для того щоб зрозуміти, що це лише невірні припущення, можна звернути увагу на Швецію, де на поточний час більше половини приватних будинків працює від теплових насосів, майже всі висотні будівлі виконані з використання технології теплових насосів. Фінляндію, де загальна потужність теплових насосів в побутовій сфері перевищує 6 ТВт*ч рік (згідно до релізу європейської асоціації теплових насосів). Температурні режими в цих країнах майже такі самі як і в Україні, а в деяких регіонах, навіть, холодніші.

Рис 5. Зовнішній та внутрішній блоки повітряного теплового насосу як єдиного джерела тепла.

Охолодження від теплових насосів

В Україні буває не тільки холодно. В літні проміжки часу, температура на вулиці може досягати 30 і майже 40 °С. На відміну від будь-якого котла, тепловий насос здатний не тільки опалювати, але і охолоджувати будинок.

Для охолодження будинку існує два варіанти:

  1. Перший - практично у всіх виробників є модифікації теплових насосів з інтегрованим рішенням, яке забезпечує не тільки опалення, але і кондиціонування будинку. Охолодження здійснюється за допомогою фанкойлів з вентиляторами або за допомогою систем теплих стін. В деяких моделях грунтових теплових насосах існує варіант “пасивного охолодження”. Це такий режим роботи, коли приміщення охолоджується тільки за рахунок стабільної температури грунта і не вмикає компрессор теплового насосу. Такий режим здатний працювати приблизно до +27-29 °С на вулиці.
  2. Активне охолодження - це режим, коли автоматика включає компрессор теплового насосу, та сам тепловий насос активно приймає участь в охолодженні будинку. Максимально ефективним вирішенням завдання охолодження приватного будинку може стати використання фанкойлів - приладів, в чий корпус вбудований теплообмінник, що обдувається вентилятором. Зовні вони виглядають як внутрішній блок кондиціонера.

    Існують настінні, канальні, стельові та багато інших видів фанкойлів. Можливо обрати саме такий варіант, який підійде для дизайну або призначення приміщення найбільш ідеально.

  3. Другий варіант – підключення контуру теплового насоса до теплообмінника, вбудованому в систему припливної вентиляції будинку (за умови її наявності в будинку). Використання охолодження від теплового насосу, значно скорочує термін його окупності, так як тепловий насос має дуже велику ефективність при роботі влітку.

Тепловий насос і гаряче водопостачання

Тепловий насос без проблем здатний впоратися з забезпеченням ГВП протягом всього року. При проектуванні будинку і виділення площі для котельні слід врахувати, що система низькотемпературна і температура води в бойлері досягає всього 55-60 °С. Також, при виборі бойлера треба пам'ятати, що це повинен бути спеціальний бойлер призначений для роботи з тепловими насосами. Його відмінність – в площі теплообмінника, необхідної для максимального відбору тепла від теплового насоса. Таке рішення зазвичай дорожче ніж звичайні бойлери які використовуються з котлами.

Рис 6. Каскад з двох теплових насосів повітря-вода з роботою на опалення та ГВП.

Тепловий насос і особливості системи опалення

У випадку з ґрунтовим тепловим насосом потреба в додатковому джерелі тепла фактично відсутня. Коли у нас стоїть повітряний тепловий насос, така необхідність є.

Багато виробників нерідко вбудовують в свої теплові насоси електричні нагрівачі (ТЕНи), що дозволяють в крайньому випадку перейти на електричне опалення. При цьому установка ТЕНів обумовлена не низькою надійністю теплового насоса, а зовсім іншими факторами. Справа в тому, що підбір теплового насоса проводиться після проведення теплового розрахунку будівлі, і якщо цей розрахунок дав цифру, наприклад 20 кВт, доцільно встановлювати насос не з “запасом”, як це прийнято для газових котлів, а з “недобором” – в даному випадку 16 кВт, або і навіть 12-14 кВт, буде цілком достатньо. Значення 20 кВт, отримане з теплового розрахунку, означає, що будівля буде втрачати 20 кВт при температурі зовнішнього повітря -21 °С (для м. Києва). При -15 °С втрати тепла будуть менші (приблизно 14-15 кВт), а при -10 °С – ще менші.

Практика показує, що у нашому кліматі сумарна тривалість моментів коли температура падає нижче 10 °С зазвичай становить не більше 100 годин на рік, причому, додаткові витрати на електричне опалення виявляються істотно нижчі, ніж економія на капітальних витратах, досягнута за рахунок установки обладнання меншої потужності.

Теплові насоси можна комбінувати і з іншими генераторами тепла. Слід врахувати, що температура системи опалення для теплового насоса 55-40 °С, а для котла можливо і 80-70 °С. Також, обов'язково необхідно мати на увазі, що радіаторів розрахованих на температуру теплоносія 90-70 °С, буде не вистачати при температурі 55-40 °С, і їх доведеться замінити на більш великі по тепловіддачі. Тепла підлога є ідеальним рішенням як система опалення при роботі з тепловими насосам.

На сьогоднішній день, не дивлячись на те, що існує велика кількість міфів про теплові насоси, що вони космічно дорогі, не працюють при температурі нижче нуля, тощо, тепловий насос є одним із найефективнішим, екологічним та економним в експлуатації методом створення комфортних умов в приміщеннях. Не слід боятись подібного обладнання, при вірному підході до підбору та проектування, тепловий насос покаже себе з найкращої сторони.