Что нужно знать о применении тепловых насосов для отопления и горячего водоснабжения дома

Тема использования альтернативных способов обогрева помещений и подогрева воды была актуальной всегда. Причиной тому является ряд недостатков источников тепла, которые принято относить к "традиционным".

Централизованное теплоснабжение - это всегда дорого как в монтаже, так и в обслуживании, а потому есть далеко не везде. Газовый котел - это удобнее и экономичнее, но газоснабжением охвачены далеко не все населенные пункты. Ну а в таких экзотических странах, как, например, Украина, из-за сложных схем газоснабжения и ценообразования газ уже обходится населению дороже, чем дрова и даже электроэнергия.

Топить дровами и углем - это постоянный источник грязи в топочной и необходимость подбрасывать топливо по 2 - 3 раза в сутки. Даже для самых совершенных котлов - пиролизных, одной загрузки может хватать лишь на сутки.

Электрические котлы в этом отношении наиболее удобны, к тому же и к.п.д. у них выше, иногда достигает 0,98. Но их применение ограничено высокой стоимостью электроэнергии и высокой установленной мощностью котла: даже для небольшого дома она может потребоваться не менее 5 - 8 кВт, а это уже немалая нагрузка на электропроводку, да и могут быть проблемы с подводом электроэнергии.

Всех этих недостатков практически лишен тепловой насос, да и коэффициент полезного действия его значительно больше 1.

• Достоинства и недостатки теплового насоса
• Так откуда же берутся лишние киловатты тепла?

Системы тепловых насосов

• Геотермальный тепловой насос (земля-вода)
• Тепловой насос вода-вода
• Тепловой насос воздух-воздух (сплит-система)
• Тепловой насос воздух-вода

Достоинства и недостатки

Основным преимуществом теплового насоса перед всеми конкурентными технологиями является его условный к.п.д., который всегда превышает 1, что может показаться нарушением закона сохранения энергии. На самом деле здесь нет прямого нарушения столь авторитетного физического закона, а "лишняя" энергия берется из окружающей среды. Экономия получается как на потреблении электроэнергии, так и на снижении установленной мощности в сравнении с другими электронагревательными устройствами, что позволяет избежать такого затратного мероприятия, как усиление подводящей электропроводки. Кроме того, если оптимально подобрать исполнение ТН, то затраты на его адаптацию к существующей сети отопления или горячего водоснабжения можно снизить до приемлемого минимума. Вместе с тем, следует понимать, что полностью затрат не избежать, и срок их окупаемости может колебаться от 3 лет для системы "воздух-воздух" до 10 и более лет для системы "грунт-вода". Собственно на финансовых вопросах, которые нужно просчитывать перед принятием решения, все недостатки и заканчиваются. Если, конечно, не считать такого недостатка, как шум от установленного снаружи компрессорного блока порядка 50 дБА.

Так откуда же берутся лишние киловатты тепла?

Носителями тепловой энергии обладают все тела, температура которых выше абсолютного нуля - 0⁰К = -273⁰С. Иными словами, энергия есть даже в ледяной воде, вечной мерзлоте и в морозном воздухе. Вот только она рассеяна, и лучшим способом ее "уплотнения" является тепловой насос, который по сути, является компрессором. Согласно общему закону термодинамики, чем выше давление, тем выше температура, и наоборот. Этот принцип уже давно используется в холодильниках и кондиционерах, причем последние могут работать и в режиме подогрева, по сути, являясь тепловыми насосами. Для сжатия теплоносителя (воздуха или воды) тоже нужна электроэнергия, питающая компрессор, но ее затрачивается гораздо меньше, чем на ТЭНовый или индуктивный нагрев. "Лишнее" тепло изымается как раз из окружающей среды. На 1 кВт мощности, который берется "из розетки", в обогреваемое помещение поступает до 6 кВт тепловой мощности. Отношение мощности или энергии, получаемых обогреваемым объектом, к мощности или энергии, которая затрачивается на работу насоса, называется коэффициентом трансформации или коэффициентом эффективности COP (coefficient of performance - англ). По сути, COP есть тот же КПД, но с учетом использования уплотняемых энергий окружающей среды. COP зависит от ряда технических факторов и одного природного: температуры самой среды - чем она ниже, тем ниже COP. Но при этом COP никогда не может быть ниже 1.

Системы ТН

Геотермальный тепловой насос (земля-вода)

Система состоит из углубленного в грунт ниже отметки промерзания геотермального теплообменника, заполненного антифризом, и собственно теплового насоса.

Теплообменник может быть выполнен либо с горизонтальной укладкой труб в виде плоскостного коллектора, либо с вертикальной в виде зондов или армированных бетонных свай. При любом раскладе монтаж такого теплового насоса связан со значительным объемом земляных работ и последующих мероприятий по уборке и обустройству территории. Да и занимает такая система немалую площадь, особенно при горизонтальном теплообменнике.

Например, для отопления утепленного дома площадью 100 м2 понадобится 7,5 кВт тепловой мощности. И по данным лидера в производстве отопительного оборудования - компании Vaillant для обеспечения работы соответствующего теплового насоса понадобится порядка 250м2 площади под горизонтальный контур.

Основные преимущества:

• высокий COP - порядка 6
• очень незначительные колебания COP из-за относительно стабильной температуры на глубине

Основные недостатки:

• высокая стоимость оборудования (примерно от 8000 USD) и монтажа (от 2000 USD)
• потребность в больших площадях для размещения
• большие сроки монтажа - при оптимальной организации работ они занимают от 30 дней и больше.

Тепловой насос вода-вода

Система работает на отборе тепла из открытого водоема, реже - от грунтовых вод. Теплообменник устанавливается на дне водоема, но глубина заложения его должна быть не меньше 2 метров. Применяется такой тепловой насос там, где он целесообразен по местным условиям. Например, для отопления турбаз, коттеджей, других объектов, расположенных на берегах прудов, озер или рек.

Основные преимущества и недостатки - те же, что и у насосов типа "земля-вода". Только вместо большого объема земляных работ и занятой под них территории - водолазные монтажные работы на акватории водоема. COP системы так же стабилен, но по значению, как правило, ниже.

Тепловой насос воздух-воздух (сплит-система)

Эта система наиболее популярна в широкой потребительской среде, поскольку имеет ряд преимуществ, снижающих ее порог доступности на рынке. А именно:

• невысокая стоимость оборудования
• простота монтажа
• отсутствие особых требований к условиям установки
• наружный и внутренний блоки не занимают много места, могут монтироваться в подвесном исполнении

В числе недостатков сплит-системы - отсутствие преимуществ тепловых насосов, отбирающих тепло из более стабильной температурной среды - подземной и подводной. А именно:

• относительно невысокий показатель COP (не более 5)
• широкий диапазон колебаний COP в зависимости от температуры наружного воздуха (от 1 до 5)
• невозможность работы при внешних температурах ниже -30⁰С

Однако, несмотря на все ограничения, популярность систем "воздух-воздух" постоянно растет. Даже обычные бытовые / офисные кондиционеры, работающие при температуре не ниже -5⁰С (по паспорту), очень часто используют для дополнительного прогрева помещений. Что касается сплит-системы как основного отопительного устройства, то сейчас на рынке появился целый ряд моделей стоимостью порядка 600 - 800 долларов США от торговых марок CooperHanter, Mitsubishi, Daikin, инверторного типа с повышенными эксплуатационными и техническими характеристиками:

• температура наружного воздуха - -25 … 30⁰С;
• автоматическая разморозка при обледенении наружного блока;
• работа компрессора в постоянном, а не старт-стопном режиме;
• регулирование температуры с точностью до одного градуса, причем не за счет включения-выключения компрессора, а за счет плавной регулировки его оборотов на ходу;
• высокая надежность при круглосуточной работе.

Тепловой насос воздух-вода

Эта система удобна для подогрева воды в бассейнах, а также в ряде случаев может использоваться для горячего водоснабжения или водяного отопления помещений. Ее эксплуатационные характеристики обладают теми же преимуществами и недостатками, что и сплит-системы, использующие тот же источник тепла - рассеянную в воздухе тепловую энергию. Дополнительным недостатком является более высокая стоимость, которая примерно в 1,5 - 2 раза выше теплового насоса воздух-воздух. Но несомненным ее преимуществом перед воздушно-воздушными насосами является наличие такого удобного теплоносителя, как вода. Применяется в комплексе с водонагревателем-теплообменником и контуром отопления и / или горячего водоснабжения.

Источник: Анатолий Валтасар 1 ноября 2018