Как работает система отопления на основе теплового насоса?
Тепловые насосы работают по циклу Карно и конструктивно схожи с инерционными сплит-системами. Для обогрева здания также используется низкопотенциальное тепло из источника возобновляемой энергии, которое преобразуется за счет 2 адиабатных и 2 изотермических процессов. Тепловой насос забирает низкопотенциальное тепло из окружающей среды, которое передается по теплоносителю через внешний теплообменник на компрессорный контур. Далее компрессор сжимает фреон, забравший энергию теплоносителя до газообразного состояния, что сопровождается выбросом полезного тепла, которое аккумулируется конденсатором ТН. Конденсатор направляет тепло на систему отопления или контур ГВС, а передавший тепло фреон проходит через расширительный клапан для сброса давления и полной конденсации в жидкое состояние. Далее цикл повторяется. В качестве источника низкопотенциального тепла могут выступать геотермальная энергия, а также температура воды или воздуха из атмосферы. Разберем каждый вид тепловых насосов.
«Грунт–вода»
В роли низкопотенциального источника тепла выступает геотермальная энергия. Внешний теплообменник герметичный и размещается в грунте на глубине непромерзания и аккумулирует тепло для последующей передачи на компрессорный контур. В качестве системы отопления используется водяной контур — обычно магистрали с радиаторными батареями или теплый пол. Внешний контур может размещаться горизонтальным образом на глубине от 2–3 м, либо в глубинных скважинах или геологических зондах. Вертикальное размещение теплообменника позволяет получить больший съем тепла с 1 м магистральной трубы. Для повышения КПД ТН внешний теплообменник может размещаться на дне водоема или в подземном озере.
«Вода–вода»
Внешний контур системы размещается в водоеме, в качестве теплообменника выступает вода, забираемая из озера или скважины. Для работы ТН необходим водоем с площадью от 200 м2 и глубиной 2 или более метра. Водоем должен быть расположен на дальше 100 м от здания, либо на глубине до 40 м. При этом расстояние между скважинами забора и сброса воды должно составлять не менее 5 м. Из сложностей системы нужно выделить необходимость установки фильтров и вспомогательного буферного бака, предупреждающего риск замерзания воды. Тепловые насосы класса «вода–вода» характеризуются большим КПД, чем «грунт–вода», однако могут размещаться только при близком расположении источника для забора воды. Система отопления может быть представлена теплым полом или радиаторными батареями.
«Воздух–вода»
ТН использует низкопотенциальную энергию атмосферы, в качестве теплоносителя используется воздух. Тепло из атмосферы передается на компрессорный контур, где компрессор направляет тепловую энергию на конденсатор, с которого тепло рассеивается на водяной контур системы отопления. В качестве отопления могут выступать радиаторные батареи или теплый пол. Отличием ТН «воздух–вода» от геотермальных систем считается простота установки. Для монтажа системы не требуется проведение подготовительных земляных и сложных инженерных работ. Воздушный тепловой насос подойдет для южных и средних широт в РФ, монтаж часто дополняется резервным источником тепла.
«Воздух–воздух»
Обогрев здания происходит за счет тепловой энергии воздуха, которая подается через систему вентиляции или фанкойлов. В системе каждый фанкойл может регулироваться отдельно, что позволяет настроить микроклимат для каждой комнаты. Тепловой котел класса «воздух–воздух» не может использоваться для организации горячего водоснабжения. Воздушные тепловые насосы могут работать при температуре на улице до -20–25 градусов, однако при снижении до -10 у ТН сильно увеличивается расход электроэнергии. Воздушные ТН есть смысл устанавливать в южных регионах страны в качестве источника альтернативного отопления — системы более эффективны и надежны, чем инверторные кондиционеры и не требуют сложных подготовительных работ.
Особенности отопления с помощью теплового насоса: что нужно знать?
Эффективность теплового насоса зависит от энергоэффективности внешнего теплообменника: чем больше тепла удается извлечь из окружающей среды, тем выше коэффициент производительности ТН. В среднем СОР тепловых насосов составляет 4.5–5 кВт/ч на каждый затраченный кВт/ч электроэнергии. Несмотря на высокую производительность, работа теплового насоса сопровождается рядом особенностей, которые необходимо учитывать. Для беспроблемной работы ТН необходимо:
- Подключение к стабильной электросети — в момент интенсивного обогрева воздуха в доме ТН увеличивает нагрузку на электросистему. Для моделей с энергопотреблением от 3.5 кВт/ч, устанавливаемых для отопления зданий площадью от 200 м2, рекомендуется подключение к трехфазной электросети 380 Вольт.
- Установка генератора с автозапуском — при монтаже ТН рекомендуется подключить генератор с автозапуском, способным запитать систему при отключении подачи электроэнергии. При выборе генератора необходимо учитывать сумму пусковых токов, которые требуются для работы компрессора ТН и циркуляционных насосов во внешнем теплообменнике и контуре отопления.
- Установка шумоизоляции — промышленные модели, способные обогреть здания площадью от 200 м2, могут нуждаться в дополнительной шумоизоляции при размещении в подвале или возле жилых зданий. ТН со спиральными или винтовыми компрессорами более шумные, чем бытовые с компрессором инверторного типа.
- Настройка автоматики — электроника во многом определяет энергоэффективность ТН и суммарный расход энергии. При выборе теплового насоса рекомендуется рассматривать модели с удаленным управлением или с пользовательским режимом настройки — это позволит ограничить нагрузку на ТН, когда это не нужно и снизить расход электроэнергии.
Как рассчитать мощность теплового насоса?
При организации отопления с помощью теплового насоса основной проблемой является расчет мощности устройства. Для этого производится расчет теплопотерь всех комнат в здании, после чего анализируется объем тепла, который можно получить, используя доступные источники альтернативной энергии. Для расчета теплопотерь здания применяется следующая формула: Q=k*V*∆T, в которой:
- Q — объем тепла, который необходим для нагрева здания в отопительный сезон с учетом компенсации энергии на работу оборудования. Показатель Q определяется в ккал/ч, и составляет 860 ккал/ч на 1 кВт/ч расходуемой энергии.
- K — коэффициент теплопередачи здания. Для дома с кирпичной кладкой коэффициент составляет 1, при наличии утепления стен и крыши — 0.6.
- V — общий объем всех комнат в здании, в которых планируется разместить контур отопления. Для вычисления объема площадь комнат умножается на высоту потолков.
- Дельта T — разница между температурой в доме в период сильных морозов. Для Москвы обычно учитывается максимальная температура снаружи в -30 градусов, для Санкт-Петербурга — -26, в южных регионах — -15.
Таким образом для частного дома в Москве общей площадью 150 м2 и высотой потолков 2.7 м расчет мощности будет выглядеть следующим образом: Q= 1 * (150*2.7) * (25- (-30)) = 22275 ккал/ч. После преобразования получаем 22275 / 860 = 25.9 кВт — мощность теплового насоса, способного покрыть теплопотери дом и обеспечить нагрева воздуха в помещении до +25 градусов. При установке блока с нагревом воды для ГВС, мощность системы рекомендуется увеличить на 15–20%. В случае монтажа воздушного ТН с системой фанкойлов, мощность установки увеличивается на 7% для каждого подключенного фанкойла. Правильный расчет мощности позволит предотвратить необходимость установки дополнительных источников отопления в период заморозков и ускорить окупаемость системы. В среднем проект альтернативного отопления для частного дома окупается за 6–8 лет, для промышленного здания — 4–6.
Часто задаваемые вопросы об альтернативном отоплении
Напоследок разберем распространенные мифы, которые многих смущают при выборе варианта альтернативного отопления:
- Эффективность ТН зависит от температуры на улице — данный миф справедлив лишь для воздушных тепловых насосов и не относится к установкам геотермального типа. Воздушные ТН становятся менее производительными при температуре воздуха от -10 градусов, поэтому не рекомендованы к установке в холодном климате. Геотермальные ТН более эффективны и абсолютно независимы от внешних погодных или климатических факторов.
- Контур с теплоносителем замерзнет при отключении электричества — такое возможно только при длительном простое системы. Для предотвращения замерзания в качестве теплоносителя используется раствор антифриза для герметичных систем и дополнительный буферный бак — для контура с открытым забором воды. Кроме того, проект ТН предполагает установку генератора с автозапуском.
- ТН могут работать только от геотермальных источников — принцип работы ТН позволяет эффективно работать при разнице температуры между фреоном и внешним теплоносителем в 4–7 градусов. Добиться такого результата можно уже при размещении теплообменника на глубине непромерзания грунта — температуры земли стабильна и составляет +7 градусов. Наличие геотермальных источников не требуется.
