Воздушные тепловые насосы: принцип работы, особенности, расчет затрат

Воздушный тепловой насос – это достаточно инновационный способ отопления жилых и офисных зданий и помещений, который сегодня активно используется в качестве альтернативы газовым, твердотопливным и электрическим котлам. В холодное время года насос вытягивает тепло из наружного воздуха, а летом, когда требуется охлаждение, напротив, выпускает его наружу.

Есть два основных типа воздушных тепловых насосов.

Первый, наиболее распространенный, — это агрегат типа «воздух-воздух», вытягивающий тепло из воздуха и направляющий его в дом или из дома, в зависимости от времени года и температурных условий.

Другой вариант – это тепловой насос типа «воздух-вода», используемый в домах с водяным отоплением. Во время отопительного сезона тепловой насос обогревает воду в домашних батареях и трубопроводах. Когда требуется охлаждение, то происходит обратный процесс: насос вытягивает тепло из воды, циркулирующей в системе домашнего водораспределения, и выбрасывает его наружу, тем самым охлаждая помещение. Такие системы – это, в общем-то, редкость, большинство из них не поддерживают функцию охлаждения, поэтому в нашем обзоре мы в дальнейшем будем говорить о тепловых насосах типа «воздух-воздух».

Таблица 1. Распределение воздушных насосов по ценовым сегментам

На рынке представлено достаточное количество типов воздушных тепловых насосов на любой вкус и кошелек. В таблице распределения марок по ценовым сегментам весьма условно приведены несколько основных типов оборудования. Как видно из Таблицы 1, цена тепловых насосов определяется не только мощностью как основной технической характеристикой, но и престижностью и авторитетностью марки производителя.

Не так давно на рынке появились миниатюрные тепловые насосы, не имеющие выводного протока. Внутренние блоки, размещаемые на стене, могут устанавливаться в разных помещениях дома. Один наружный блок может обслуживать до 8-ми блоков внутренних. Воздушные тепловые насосы могут встраиваться в действующую систему отопления в качестве вспомогательного элемента, работать от электричества, либо быть бивалентными.

Встраиваемые насосы созданы для совместной работы с другими источниками тепла, например, с дизельными, газовыми или электрическими котлами. Бивалетный тип отличается от остальных тем, что в нем используется газовая или пропановая горелка для увеличения температуры в наружном теплообменнике на входе в дом, что позволяет этой системе работать в холодном климате.

Принцип работы воздушного теплового насоса

Воздушный тепловой насос может работать в трех режимах: отопление, охлаждение и разморозка.
Режим отопления. В режиме отопления тепло втягивается из наружного воздуха и транспортируется внутрь помещения.

Рис. 1 Автономная работа теплового насоса в режиме отопления

В режиме отопления жидкий хладагент сначала проходит через расширительное устройство и при низком давлении превращается в смесь из жидкости и газа. Затем эта смесь попадает в наружный теплообменник, в котором происходит процесс испарения хладагента. Перед тем как эта смесь поступает в компрессор, она проходит через обратный клапан, при этом излишки жидкости собираются в специальный аккумуляторный бачок. В компрессоре эта низкотемпературная смесь сжимается, уменьшается в объеме, что заставляет ее нагреваться. В конце цикла обратный клапан направляет нагретый газ к внутреннему теплообменнику, где происходит процесс конденсации. Тепло нагретого газа переносится внутрь помещения, что заставляет хладагент при охлаждении обратно конденсироваться в жидкость. Эта жидкость возвращается в расширительное устройство, и цикл снова повторяется.

Способность теплового насоса транспортировать нагретый воздух внутрь помещения напрямую зависит от уличной температуры: чем она ниже, тем меньшее количество тепла насос сможет выработать. При определенной уличной температуре – назовем ее точкой температурного баланса – количество тепла, поступающего от насоса, сравняется с объемом тепловых потерь дома. Ниже точки температурного баланса тепловой насос сможет только частично обеспечить потребности отопления, и, для того чтобы в доме было комфортно, потребуются дополнительные источники тепла.

Функционируя в обычном режиме без каких-либо дополнительных мощностей, тепловой насос обычно не способен осуществлять такой же интенсивный нагрев воздуха, как котел и подобные отопительные приборы. Они, как правило, нагревают воздух до температуры 55-60°C, в то время как тепловые насосы прогоняют через себя большие воздушные массы, нагревая их до отметок от 25°C до 45C , и на это им требуется более длительное время.

Режим охлаждения. Описанный отопительный цикл может работать и в обратном направлении для охлаждения дома в летние месяцы. Насос вытягивает лишнее тепло из воздуха в помещении и «выталкивает» его наружу. Также как и при работе в режиме отопления жидкий хладагент проходит расширительное устройство, где он трансформируется в промежуточное жидко-газообразное состояние. Далее эта смесь попадает в теплообменные трубопроводы, в которых происходит процесс испарения. После прохождения обратного клапана и удаления лишних остатков в аккумуляторный бачок, газообразная смесь попадает в компрессор. В компрессоре эта взвесь хладагента снова сжимается, уменьшается в объеме и при этом нагревается.

В итоге получившийся нагретый газ проходит через обратный клапан и трубопроводы теплообменника наружу, при этом конденсируясь. Тепло из нагретого газа выделяется в наружный воздух, при этом хладагент возвращается в жидкое состояние. Цикл повторяется, когда эта жидкость снова направляется в расширительное устройство. В режиме охлаждения тепловой насос попутно высушивает воздух в помещении, влага из воздуха конденсируется в теплообменнике на выходе из дома и стекает в специальный поддон, из которого по конденсаторной трубке вода попадает в ливневую канализацию.

Рис. 2 Автономная работа теплового насоса в режиме охлаждения

По своей сути тепловой насос типа «воздух-воздух» представляет собой обычный, правда достаточно мощный кондиционер. То есть это оборудование, в отличие, скажем от котлов или конвекторов, не вырабатывает тепло из электричества, а только транспортирует его из воздуха, в котором оно и так содержится. Соответственно, на транспортировку тепла тратится на порядок меньше энергии, чем на нагрев, что при правильном использовании воздушного теплового насоса дает колоссальную экономию в денежном выражении.

Режим разморозки. При наружной температуре воздуха около или ниже нуля тепловой насос, работающий в режиме отопления, подвержен обледенению. Это происходит, когда влага из воздуха конденсируется в наружном теплообменнике, и он может покрываться ледяной коркой. Толщина этой ледяной корки зависит от наружной температуры и влажности воздуха. Обледенение снижает эффективность работы насоса, так как при этом уменьшается способность теплообменника передавать тепло хладагенту. Таким образом, обледенение является нежелательным, и от него нужно избавляться. На этот случай в тепловом насосе имеется режим разморозки, работающий следующим образом. Сначала обратный клапан переключает устройство в режим охлаждения. Это заставляет горячий газ поступать во внешний теплообменник, лед в котором начинает таять. В это же время наружный вентилятор, который обычно гонит по теплообменнику холодный воздух, отключается для того, чтобы снизить количество необходимого для разморозки тепла. В это же время тепловой насос осуществляет продувку трубопроводов прохладным воздухом, тогда как в обычном режиме система, напротив, прогревает этот воздух, поступающий в помещение.

Режим разморозки имеет достаточно много общего с режимом кондиционирования: теплый воздух забирается из помещения и переносится на обледеневший наружный теплообменник. Несмотря на то, что фактически этот режим кондиционирования включается в холодное время года, никакого дискомфорта из-за этого в доме обычно не ощущается – ведь работает режим разморозки, как правило, не более 5 минут в час, и помещение просто не успевает охладиться и какое-то время сохраняет тепло, ранее выработанное воздушным насосом.

Для запуска режима разморозки теплового насоса могут применяться два метода. Чтобы определить текущий уровень обледенения блок контроля анализирует воздушный поток, давления хладагента, дифференциал температуры и давления во внешнем теплообменнике. При использовании первого метода режим разморозки включается по таймеру и работает по принципу периодичности, начинаясь и заканчиваясь в установленное таймером время. Второй метод использует другой принцип, когда включение режима разморозки согласуется с температурным датчиком, размещенным снаружи теплообменника. Первый режим по таймеру может запускаться каждые 30, 60 или 90 минут, в зависимости от климатических условий и типа устройства. Лишнее время работы режима разморозки снижает показатели производительности тепловых насосов. В результате, метод включения режима разморозки по необходимости, определяемой температурным датчиком, в, общем-то, считается более эффективным, поскольку тогда насос меньше работает вхолостую.

Компоненты системы воздушного теплового насоса

Основные составные части системы воздушного теплового насоса представлены на рис. 1 (режим отопления) и рис. 2 (режим охлаждения). Помимо основных компонентов устройства: внутреннего и внешнего теплообменника, компрессора, расширительного устройства, обратного клапана и трубопроводов – на схеме (рис. 3) мы также видим вентиляторы, которые продувают воздух по трубам, а также дополнительный источник тепла. Компрессор может располагаться и внутри и снаружи внешнего блока.

Рис. 3 Тепловой насос как дополнительный элемент системы отопления

Когда тепловому насосу не достает тепловой мощности, то в качестве дополнительных источников тепла могут использоваться отопительные приборы, располагающиеся в пространстве для циркуляции воздуха, например, в приточной камере подачи воздуха, рядом с внутренним теплообменником. Если тепловой насос встраивается в систему как дополнительный прибор, как это показано на рис. 3, основное количество тепла будет поступать от котла, который может быть электрическим, дизельным или газовым. Система отопления, при которой имеет место быть совместная работа котла и теплового насоса, несравнимо сложнее обычной, одинарной, когда работает только один из этих приборов. В практике часто применяются упрощенные, не имеющие воздуховодов системы тепловых насосов, работающие совместно с радиаторами, электрическими либо водяными.

Попробуем составить примерную смету затрат на приобретение, ввод в эксплуатацию, обслуживание и использование воздушного теплового насоса. Для сравнения возьмем аналогичные затраты для среднего электрического котла, работающего на отопление дома, и кондиционера – для охлаждения.

Таблица 4. Сравнительная смета затрат на приобретение, монтаж и эксплуатацию климатического оборудования в частном доме

Таким образом, ориентировочный временной промежуток, который потребуется, чтобы экономия от использования теплового насоса превысила разницу в издержках на приобретение и монтаж климатического оборудования, потребуется около двух лет круглогодичной эксплуатации. Причем, в данном случае речь идет не об окупаемости полной стоимости приобретения и монтажа теплового насоса, для которой потребуется значительно большее время. В данной смете производится сравнение двух вариантов оснащения частного дома климатическим оборудованием: с одной стороны, кондиционера и электрического котла, с другой стороны – теплового насоса, выполняющего функции их обоих.

Мы приходим к следующему выводу: устанавливать тепловой насос можно и нужно для отопления и охлаждения частного дома, если климатические условия более-менее подходящие и когда система «строится», что называется, с нуля. То есть когда во вновь построенной «коробке» решается вопрос о прокладке коммуникаций и устройстве систем, вентиляции, отопления и кондиционирования, то с учетом всех «за» и «против» во многих случаях целесообразнее будет установка воздушного теплового насоса как альтернативы котлам, сплит-системам, вентиляторам.

С другой стороны, в существующем частном доме с уже проложенными коммуникациями, функционирующим оборудованием и особенно в случаях с подключенным газоснабжением, закупка и монтаж таких тепловых насосов вряд ли когда-нибудь окупится. Это инновационное оборудование все же по эффективности и показателям КПД во многом проигрывает тем же газовым котлам, являющимся на сегодняшний момент практически единственным вариантом для местностей с суровыми зимами. Коэффициент тепловой мощности и экономичность газового котла почти всегда будет выше аналогичных показателей воздушных тепловых насосов.

Разумеется, есть более сложные и дорогостоящие модели этого оборудования, вытягивающие тепло не из воздуха, а из земли или воды, и их рабочие параметры демонстрируют поразительную эффективность и экономичность. Однако тепловые насоса типа «вода-вода», «земля-вода», «вода-воздух» и им подобные, отличаясь исключительными преимущества, при этом имеют столько сложностей и условий монтажа, в числе которых рытье скважин, устройство специальных грунтовых контуров, что многих это останавливает. Да и стоимость этих мощнейших агрегатов в разы превышает цену даже самых престижных марок воздушных тепловых насосов.

Как бы мы не пытались посчитать потенциальные доходы и расходы от использования тепловых насосов, сколько бы ни искали преимуществ приобретения того или иного вида климатического оборудования, решение в итоге принимается только собственником. Причем желательно, чтобы решение это было взвешенным, основанным на конкретных расчетах по энергопотреблению, ценам подходящего по мощности оборудования, потребностям дома в тепле и т.п. В основу расчетов может быть взята наша примерная смета расчетов затрат и энергопотребления, однако заполнить ее конкретными цифрами, соответствующими Вашим фактическим параметрам, — это хоть и сложное, но очень нужное дело, справится с которым сможете только Вы сами.

  Поделитесь ссылкой на статью в социальных сетях

  Вы можете оставить свой комментарий