Использование воздушного теплового насоса в климатических условиях России

Сегодня тепловую энергию для отопления жилья реально получить из окружающей среды — воздуха, земли, воды. Ещё 40 лет назад подобное было возможно только в теории. 20 лет спустя появились первые объекты с тепловыми насосами, но применение их для систем отопления стоило неимоверно дорого. Зато теперь десятки компаний-­производителей предлагают решения по обустройству систем отопления индивидуальных домов на базе теплового насоса.

Воздушный тепловой насос Viessmann

Принято считать, что в странах с холодным климатом, к которым относится Россия, целесообразнее устанавливать геотермальные тепловые насосы, использующие грунт в качестве источника низкопотенциальной теплоты. Однако у наших соседей-­скандинавов, для которых характерен умеренно­-холодный климат, всё большую популярность приобретают воздушные тепловые насосы (ВТН), использующие теплоту наружного воздуха. Системы отопления на базе таких устройств не требуют значительных первоначальных затрат в отличие от тепловых насосов с грунтовыми теплообменниками, поскольку не нуждаются в подземном контуре, обустройство которого требует ещё и инженерно-­геологических изысканий, и согласования их результатов с официальными инстанциями. Что касается энергетической эффективности систем с тепловыми насосами, то наилучший показатель (СОР — coefficient of performance) имеют тепловые насосы типа «вода­-вода», но в этом случае требуется доступ к реке, озеру или мощным водоносным слоям. И даже если источник воды находится рядом с вашим загородным домом, не стоит забывать, что все водные ресурсы в нашей стране принадлежат государству, и вам придётся согласовывать использование этих природных ресурсов, что в некоторых случаях не всегда возможно. Для ВТН характерна невысокая цена монтажа, они оптимально подходят для реализации низкотемпературных систем отопления, к которым относится система «тёплый пол», а также могут в тёплый период года охлаждать жилище.

Единственный вопрос, требующий прояснения, — насколько приспособлено такое оборудование к климатическим условиям нашей страны.

Некоторым тепловой насос покажется слишком дорогим удовольствием. Но если рассматривать теоретическую сторону вопроса и сравнивать стоимость киловатта тепловой энергии между генераторами в принципе, то в борьбе за экономию победит газовый котёл. Однако, если учесть все нюансы процесса оформления проектной документации на систему отопления на базе котла, работающего на магистральном газе, получения разрешений и согласования работ по подводу газовой трубы на смежных территориях, а также удовлетворить требования к помещению котельной: организации дымохода, вентиляции и т. п., то устройство системы отопления на базе газового котла окажется отнюдь не дешёвым вариантом. Особенно, если на пути прокладки ответвления от магистрального трубопровода до вашего строения находится автомобильная или, что ещё хуже, железная дорога. Обогревать дом электрическими приборами, например электрическим водогрейным котлом или конвекторами, также весьма накладно с точки зрения эксплуатации. При этом постоянный рост тарифов на электроэнергию заставляет искать более экономичные решения.

Использование теплогенератора на жидком топливе тоже имеет свои отрицательные стороны. Помимо места, необходимого для размещения самого котла, потребуется место для ёмкости с топливом. При этом запах солярки будет постоянно витать в воздухе. А обустройство недешёвого дымохода, устойчивого к дизельному конденсату, постоянный контроль котла с дорогостоящим ТО (нагар на топке надо чистить, а горелку настраивать), да и сама стоимость дизельного топлива в итоге обеспечит данному варианту сомнительную эффективность и экономию средств.

Воздушный тепловой насос Nibe

КАК РАБОТАЕТ ВОЗДУШНЫЙ ТЕПЛОВОЙ НАСОС?

Каждый, кто пользуется кондиционером в автомобиле, в офисе или квартире, в межсезонье может включить его «на тепло». Вручную или автоматически. Но откуда же берётся теплота?

Тепловой насос использует низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, а также электрическую энергию для работы компрессора, нагревая при этом рабочее тело (хладагент), который, в свою очередь, нагревает воду в системе отопления и ГВС. В целом работа теплового насоса похожа на работу домашнего холодильника, только наоборот. Этот процесс называется парокомпрессионным циклом холодильной машины, который содержит следующие физические процессы.

В начале первой фазы цикла рабочее тело (хладагент) холодильной машины, в данном случае теплового насоса, находится в жидком состоянии при низком давлении. Температура его при этом ниже температуры источника теплоты — наружного воздуха.

1. Жидкий хладагент проходит через теплообменник­испаритель, в котором за счёт теплоты, подводимой к нему от наружного воздуха, происходит его фазовое превращение в перегретый пар. Иными словами, он испаряется подобно воде в кипящем чайнике.

2. Затем этот перегретый пар хладагента попадает в компрессор, где вследствие работы его механических частей, приводимых в движение электричеством, происходит увеличение давления и температуры. В результате из компрессора выходит газообразный горячий газ высокого давления.

3. Горячий газообразный хладагент проходит через пластинчатый теплообменник «фреон­вода». Там теплота от газа переходит к теплоносителю (воде), которая циркулирует в первичном контуре, нагревая водяной бак, находящийся внутри помещения. За счёт теплоты, отданной газом теплоносителю, происходит снижение температуры горячего газа и его фазовое превращение обратно в жидкость.

4. Затем эта жидкость, которая ещё имеет высокое давление, попадает в расширительное устройство, где давление хладагента снижается. Жидкий хладагент при низком давлении под воздействием теплоты наружного воздуха начинает выкипать, и далее процесс повторяется.

Получается, что в зависимости от сезона теплообменники, или, как их ещё называют, испаритель и конденсатор, меняются местами. Конечно, происходит это не физически. Для направления потока теплоносителя используют управляемый автоматикой четырёхходовой клапан. Воздушный тепловой насос — это холодильная машина, работающая в режиме «на тепло».

Сравнительная таблица различных генераторов тепла для дома 160 м² с теплопотерями 80 Вт /м²(COP ВТН указано среднегодовое. Работа ночь/день – 50/50)

ЧТО ПРЕДЛАГАЮТ ПРОИЗВОДИТЕЛИ?

Использование таких свойств веществ, как поглощение и выделение теплоты при испарении и конденсации рабочего тела холодильной машины, применяется уже более 100 лет. И с каждым годом эффективность работы теплового насоса, определяемая коэффициентом преобразования энергии (сoefficient of рerformance, COP), который является отношением полученной тепловой энергии к затраченной электрической, становится всё выше. Значения COP меняются в зависимости от режима работы оборудования. Воздушный тепловой насос на 1 кВт затраченной электрической энергии может выдать до 5 кВт тепловой. Разумеется, при росте населения и дефиците энергоносителей вероятность получения дешёвой тепловой энергии интересна как потребителям, так и производителям, предлагающим свое
оборудование на мировом и российском рынках.

График COP (коэффициент преобразования энергии, сoefficient of рerformance)

Каждый производитель климатической техники предлагает свой воздушный тепловой насос. Как правило, это небольшие по производительности устройства, способные обогревать или охлаждать помещения площадью от 30 до 200 м2. По сути напоминают знакомый всем кондиционер: один силовой агрегат на улице и некоторое число внутренних блоков, количество и тип которых (канальный, кассетный, настенный) можно выбрать в зависимости от архитектуры и назначения помещения. Управление работой такой системы осуществляется индивидуально с каждого внутреннего блока так же, как и традиционной сплит­системой.

Европейские компании, специализирующиеся на выпуске промышленной и бытовой отопительной техники, производят и воздушные тепловые насосы, ориентированные в первую очередь на рынок Европы. В номенклатуре производимых ими изделий имеются возможности комбинации тепловых насосов с другими источниками теплоты (котлами на ископаемых источниках энергии, солнечными коллекторами и т. п.).

Российское производство основано на использовании элементов тепловых насосов различных мировых производителей и является одним из направлений деятельности российских инженерно­торговых компаний, занимающихся холодильной тематикой. Воздушные тепловые насосы у нас производятся небольшими партиями и под конкретную задачу. Отдельной темой «российского рынка» можно выделить самодельные воздушные тепловые насосы. Ловкость рук и мощный багаж знаний, заложенный много лет назад, позволяют рассчитать, собрать и использовать талантливыми людьми действительно интересные установки. Но хитрость заключается в том, что они напоминают инструкцию «как нарисовать сову»: рисуете овал и ещё овал. Хоп! Сова готова! Дёшево и сердито.

Система отопления с воздушным тепловым насосом «воздух-­воздух» (рис. 1)

ЧТО С ЧЕМ?

Рассказывая о воздушных тепловых насосах, нельзя не уточнить, что это не готовое законченное решение, а набор решений­модулей, собираемых в зависимости от поставленной задачи. Рассмотрим несколько наиболее популярных.

Самый простой вариант — система «воздух-­воздух» (рис. 1). Наружный блок + разветвитель + внутренние блоки, один или несколько, по количеству помещений. Хладагент — фреон R410a. Индивидуальное управление температурой по помещениям. Режимы работы — отопление (воздушное)/охлаждение/снижение влажности воздуха.

Система отопления с воздушным тепловым насосом, теплым полом и радиаторами (рис. 2)

Популярное решение для индивидуального дома (рис. 2). Наружный блок + гидравлический модуль с теплообменником «фреон | вода» + радиаторная система отопления + контур тёплого пола, собранный на гидравлических группах быстрого монтажа. Теплоноситель в первичном контуре — вода (система отопления). Управление температурой в помещениях — единое, через автоматику в гидравлическом модуле. Режимы работы — отопление/пассивное охлаждение.

Система отопления с воздушным тепловым насосом, бойлером и теплым полом (рис. 3)

Европейское решение для небольших домов (рис. 3). Наружный блок + гидравлический модуль + бойлер ГВС объёмом 100–150 литров + контур тёплого пола. Циркуляционные насосы СО и контура ГВС встроены в гидромодуль. Теплоноситель в первичном контуре — вода (система отопления и ГВС). Управление температурой в помещениях — единое, через автоматику в гидравлическом модуле. Режим работы — отопление/пассивное охлаждение.

Система отопления с воздушным тепловым насосом и газовым котлом (рис. 4)

При необходимости охлаждение можно сделать активным и добавить другие генераторы теплоты. На рис. 4 — пример принципиальной схемы с ВТН и газовым котлом, подключённым через буферную ёмкость, + ГВС + радиаторы + тёплый пол. Теплоноситель в первичном контуре — вода (система отопления и ГВС). Управление температурой в контурах — единое, при условии генераторов от одного производителя. Если производители разные, то управление возможно реализовать с помощью программируемого контроллера.

ОДИН ИЛИ В КОМПАНИИ?

При создании современной системы отопления рекомендуется предусмотреть несколько источников тепла. В Европе это закон, гласящий, что даже если у обывателя есть газ, ему необходимо устанавливать несколько генераторов тепла, получающих энергию из различных источников. Вот тут­-то стоит вернуться к разнице в конструкции воздушных тепловых насосов типа «воздух­воздух» и «воздух­вода». Первые, за редким исключением, представляют собой один наружный блок, в котором расположен компрессор, испаритель/конденсатор и автоматика, плюс один или несколько внутренних блоков. Между внутренними и наружным блоком в такой системе циркулирует фреон. Данная система является простейшей с точки зрения монтажа и может использоваться в качестве отдельной системы и для обогрева, и для охлаждения дома.

У системы «воздух­вода», помимо наружного блока, имеется гидравлический модуль, в котором расположены автоматика, теплообменник фреон/вода, а также циркуляционные насосы контуров СО и ГВС. Гидромодуль допускается подключать к радиаторной системе отопления, системе отопления тёплым полом или к буферной ёмкости, куда могут сбрасывать теплоту и другие тепловые генераторы. В этом случае для согласованной работы все генераторы теплоты, насосы, сервоприводы трёхходовых вентилей обычно подключаются к автоматике одного производителя. Очевидно, что система сложнее, но при этом — гораздо функциональнее.

Наружный блок воздушного теплового насоса Mitsubishi

СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ

Часто встречается информация, что ВТН работает только с низкотемпературной системой отопления, под которой подразумевается тёплый пол. Но это не совсем так. ВТН может работать и с радиаторами, главное — правильно подобрать их по теплоотдаче.

ГВС

Максимальная температура в накопительном водонагревателе, запитанном только от ВТН, может достигать 60 °C. Объём стандартного водонагревателя составляет 100–150 литров (может и больше, всё зависит от расхода воды на объекте). Опционально, для получения большего количества смешанной воды, можно нагреть воду и до более высокой температуры, для чего используется встраиваемый ТЭН или теплота от другого теплогенератора, например солнечного коллектора. Производители предлагают готовые комплекты, когда гидроблок установлен сверху на ёмкостный водонагреватель объёмом 100–150 литров и оснащён, помимо циркуляционного насоса системы отопления, циркуляционным насосом, подключённым к трубчатому теплообменнику бойлера.

Охлаждение

Что касается систем «воздух­воздух», то в этом случае процесс понятный — автоматика переключает клапан, и из внутреннего блока идёт не тёплый, а холодный воздушный поток. А вот с системами «воздух­вода» могут быт варианты.

Активное охлаждение. В качестве устройств для отбора тепла применяются вентиляторные доводчики (фанкойлы) — устройства, похожие на внутренние блоки кондиционера, только вместо фреона по всторенному теплообменнику циркулирует вода. При этом, если система имеет накопительный водонагреватель, то теплота, отбираемая из помещения, сбрасывается в него, а не на улицу.

Пассивное охлаждение. В качестве устройств для отбора теплоты используются стандартные радиаторы и поверхность тёплого пола. Температура настраивается таким образом, чтобы она была максимально близка к температуре в помещении. Отбор теплоты из воздуха помещения и его охлаждение, хоть и небольшое, но будет.

Воздушный тепловой насос Stiebel Eltron

Когда ниже 0 °C

Так как в компрессоре находится масло, то основной проблемой, с которой раньше сталкивались производители, был запуск оборудования при отрицательных температурах. Но с каждым годом совершенствуется конструкция и растёт эффективность компрессоров. Сейчас, с применением двухроторных и спиральных компрессоров, имеющих электропривод постоянного тока, проблемы пуска решены. Появилась возможность плавно запустить систему даже при отрицательных температурах наружного воздуха, не подвергая перегрузкам привод и механизм компрессора.

Но надо понимать, что чем ниже температура на улице, тем тяжелее отобрать теплоту от наружного воздуха. И многое здесь зависит от свойств хладагента. В рекламе некоторых моделей воздушных тепловых насосов заявляется, что устройство может работать при температуре до –25 °C с коэффициентом эффективности 1,6–1,7. Но это в рекламе. А в жизни, для того чтобы пережить низкие температуры, производители в гидравлическом модуле устанавливают нагревательный элемент, управляемый системой автоматики. Правда, в отличие от котла, где нагревательный элемент работает постоянно, в ВТН дополнительный электрический нагрев включается только при отрицательных температурах (моноэнергетический режим работы).

УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ

Погодозависимое

Для эффективного расходования электроэнергии производители по умолчанию включают возможность управлять тепловым генератором с поправкой на погоду. Пользователь задаёт температуру в помещении, далее автоматика сама, отстраиваясь по датчикам, контролирует температуру теплоносителя в системе отопления. Это не только экономия электроэнергии, но и повышенный комфорт, поскольку температура в помещении подвержена минимальным колебаниям и не зависит от колебаний температуры наружного воздуха.

Программирование графика работы

При непостоянном проживании в доме эта функция просто необходима. Причём реализована она обычно с защитой — в случае сбоя электропитания память контроллера сохраняет выбранные настройки. Установка программ не сложнее, чем в смартфоне. Контроллер обычно имеет функцию самообучения и способен корректировать время начала работы системы на нагрев/охлаждение в том случае, если система не успела достичь заданной температуры ко времени, указанном пользователем. Запрограммировать график включения/отключения системы необходимо фактически один раз, но эта несложная функция позволяет снизить расходы на отопление примерно на 10 процентов.

Дистанционное управление через Интернет

Сейчас всё управляется через Интернет — сигнализация, освещение, водоподготовка, и такие продвинутые «зелёные» устройства, как ВТН, не могут не иметь возможностей для дистанционного доступа. Есть вариант управления через GSM­модуль, когда в него вставляется sim­карта и тепловой насос общается с потребителем при помощи sms. Но более продвинутый вариант управления — через Интернет, конечно, если он есть на объекте. Модуль, оснащённый Wi­Fi­приемником/передатчиком, подключается к тепловому насосу или устанавливается в него (у каждого производителя свои варианты). И далее пользователь с компьютера, планшета или смартфона через домашний роутер связывается с порталом производителя. Скачав нужное приложение, он может управлять своей системой отопления. В случае аварий, ошибок, отключения питания автоматика отправляет соответствующий сигнал. У некоторых производителей пользование порталом платное. Но у всех русифицированный интерфейс.

УСТАНОВКА В КАСКАД

Хорошо, если для отопления жилища достаточно производительности одного теплового насоса. Но дома бывают разные, и тепловая мощность им требуется разная. Производители предлагают возможность установки и управления несколькими воздушными тепловыми насосами в каскаде. Конструктивно это несколько наружных блоков, подключаемых постепенно (в зависимости от увеличения теплопотерь здания) и подключённых к единой системе отопления.

ДОМ ДЛЯ ВТН

Проектирование. Установку воздушного теплового насоса правильнее начать с подготовки теплового расчёта объекта и проекта системы отопления. Конечно, это стоит отдельных денег, но исправление ошибок, совершённых при монтаже системы без проекта, обойдётся значительно дороже. И тут мелочей не бывает. Обычно фирмы, предоставляющие услуги по проектированию, предлагают заполнить опросный лист и предоставить план дома, по которому и делают расчёт. Лучше настоять на визите проектировщика и монтажника непосредственно на объект. Если объект пока только на бумаге, то желательно обговорить возможность внесения изменений в проект системы отопления по ходу строительства.

Монтаж и сервисное обслуживание. При выборе строительно­монтажной организации не стоит особо доверять её красочной рекламе. Почитайте отзывы, съездите на реализованные объекты. Вот тут Интернет вам в помощь. Обратите внимание, что у серьёзной организации обязательно должна быть своя служба сервиса.

Теплоизоляция. Дом с воздушным тепловым насосом — это энергоэффективный дом. То есть теплопотери в нём должны стремиться к минимуму. Если потребитель не строил дом сам с начала и до конца и не знает, что и как у него сделано, то ещё перед началом проектирования необходимо провести экспертизу строения, а иначе идея энергоэффективного решения «разобьётся» о неучтённые теплопотери через крышу, пол и окна.

Вентиляция. Предусматривая такой источник теплоты для системы отопления, как тепловой насос, нельзя не сказать о необходимости обустройства энергоэффективной вентиляции. Многие считают, что обычный кондиционер в режиме охлаждения обеспечивает ещё и приток свежего воздуха в помещение. Но это не так. В стандартном проекте обычно предусмотрена естественная или механическая вентиляция кухни и ванных комнат, а пользователь зачастую для проветривания открывает окна. Понятно, что в этом случае ни о каком энергоэффективном доме речи не идёт. Другое дело — установка принудительной приточно­вытяжной вентиляции с использованием рекуперации, когда входящий свежий воздух обогревается или охлаждается потоком воздуха, удаляемого из помещений. Применение такой установки уменьшит расходы на отопление на 7–8 %, и при этом в доме всегда будет свежий воздух.

Электрическое подключение. Для подключения воздушного теплового насоса требуется электричество. И чем больше у оборудования тепловая мощность, тем больше электрической мощности потребуется выделить для работы. Информация о том, сколько требует та или иная установка, приведена в инструкциях производителей оборудования. Но предварительно можно рассчитать и самому. Например, для дома 160 м2 с тепловыми потерями 80 Вт/м2 необходимо генерировать 12,8 кВт теплоты. Тепловая мощность подходящего насоса максимум 14 кВт. Потребляемая мощность составит четвёртую часть от тепловой. Воздушные тепловые насосы выпускаются в варианте как однофазного, так и трёхфазного подключения, то есть 220 и 380 В соответственно. Заземление обязательно.

Теплоноситель в СО. Если воздушный тепловой насос работает по схеме «фреон/вода», то вместо воды, как и в другом отопительном оборудовании, можно применять незамерзающий теплоноситель. Каждый производитель рекомендует свой. Однако необходимо соблюсти следующие условия: антифриз должен быть нетоксичным, поскольку применяется для отопления жилища, качественным и давать пользователю возможность проведения периодичного контроля его свойств.

Место установки наружного блока. В отличие от бытовых сплит­систем, в ВТН длина трубопроводов от наружного блока до гидромодуля может достигать 75 метров, поэтому выбор его расположения не так ограничен. Важно не забывать, что шум работающего блока не должен мешать не только владельцам дома, но и соседям. И, несмотря на то, что наружный блок устойчив к стихийным явлениям, его не должно засыпать снегом, листвой, хвоей или заливать водой. И если всё сделать «по уму» силами квалифицированных специалистов, то воздушный тепловой насос станет достаточно экономичным и безопасным решением для отопления вашего дома, надёжным и простым в обслуживании и эксплуатации.

Ликбез опубликован в объединённом выпуске «Весна 2017»
журналов «Инструменты» + «Всё для стройки и ремонта» + «GardenTools»
серии «Потребитель»