Воздушный тепловой насос: взгляд со стороны

М. Гусалов
Воплощение идеи черпать энергию из окружающей среды в наше время перешло из области пожеланий в область практического воплощения. Пожалуй, наиболее ярким и достаточно просто реализуемым примером этого стали воздушные тепловые насосы. Помимо отопления, теперь их можно использовать для охлаждения помещений в жар кое время года, сохраняя главное преимущество воздушных тепловых насосов – простоту установки без значительных капиталовложений в инженерную систему для их работы.
Принцип работы теплового насоса

Тепловой насос (ТН) работает очень просто – это обратный цикл холодильной машины. Отбирая теплоту из одной части пространства, например, из воздуха снаружи дома, ТН догревает теплоноситель в компрессоре (за счет сжатия) и отдает высокопотенциальную теплоту в отапливаемое помещение. Первое практическое воплощение идеи ТН связывают с именем выдающегося британского физика и инженера Уильяма Томсона (лорда Кельвина), который еще в 1852 г. обнародовал идею «умножителя тепла» – схему практической реализации теплонасосной системы. Причем эта машина была по сути именно воздушным тепловым насосом. Впоследствии, уже в XX веке, было предложено использовать для контура «отбора» тепла ТН грунтовые или водяные теплообменники. То есть, ТН может отбирать тепло отовсюду – из водоема, из земли, из окружающего воздуха – и передавать его дальше для подогрева теплоносителя. Если же здание нужно охлаждать в жаркое время, то происходит обратный процесс – тепловой поток перенаправляется обратно, и избыток теплоты сбрасывается в грунт, в водоем или подземный водоносный слой, в окружающий воздух. Один и тот же «реверсивный» тепловой насос может зимой нагревать воду для системы отопления и ГВС, а летом – охлаждать здание.

С самого начала практической реализации идеи ТН инженерами велась борьба за эффективность таких машин, которую принято исчислять в виде так называемого «коэффициен та преобразования», или COP (Coefficient of Performance), который показывает, сколько нужно затратить энергии на сбор, передачу и выделение тепла по сравнению с количеством этой «собранной» извне тепловой энергии. Показатель COP = 4 означает, что тепловой насос переносит полезного тепла вчетверо больше, чем затрачивает электроэнергии на свое функционирование.

Вполне работоспособные модели ТН при меняются еще с середины XX века. Но «расцвет» применения ТН происходит именно в наше время, когда очень остро стоит вопрос об энергоэффективности и экономии затрат на органическое минеральное топливо.

Тепловые насосы – источник возобновляемой энергии

Верховная Рада 1 ноября 2016 г. приняла изменения в Закон «Об альтернативных источниках энергии», которые теперь относят тепловые насосы к оборудованию, использующему возобновляемые источники энергии (ВИЭ). К «альтернативным источникам энергии» теперь относятся «аэротермальная энергия», «гидротермальная энергия» и «геотермальная энергия». Законом также определено, что «тепловая энергия, извлеченная тепловыми насосами из воздуха, воды, грунта считается произведенной из ВИЭ при условии, что годовой объем производства тепловой энергии таким тепловым насосом больше, чем объем тепловой энергии, затраченной на производство электрической энергии, потребленной самим тепловым насосом. Это соответствует Директиве 2009/28/ ЕС, которая регламентирует государственное поощрение использования таких видов энергии».

13 июня 2016 года Европарламент принял резолюцию по Стратегии отопления и охлаждения (EU Strategy on Heating and Cooling), согласно которой технологии прямого сжигания топлива для целей отопления при знаются технически бесперспективными. На первое место выводится комбинированная технология использования тепловых насосов, в т. ч. совместно с солнечными батареями (фотоэлектрическими и фототермальными), см. рис. 1.Va_1

Рис 1. Энергоэффек тив ность технологий оборудования для систем отопления, охлаждения и ГВС согласно «EU Strategy on Heating and Cooling 2016»

ТН обладают характерной особенностью – их эффективность тем больше, чем меньше разница температур между источником теплоты (в случае воздушных ТН это наружный воздух) и температурой потребителя теплоты. Поэтому ТН используются в т. н. низкотемпературных системах отопления, то есть они лучше работают при температурах теплоносителя на выходе от +35°C до +55°C. В качестве низкотемпературных систем отопления используются не радиаторы, а системы поверхностного нагрева типа «теплый пол», «теплая стена», «теплый плинтус», воздушные системы отопления с применением фэнкойлов и т. п. Чем выше температура нагреваемого теплоносителя, например, воды, тем меньше эффективность теплового насоса. И чем выше температура источника теплоты, тем ТН работает эффективнее. Например, при повышении температуры источника с минус 20°C до +7°C, эффективность работы ТН повысится, например, от значения COP = 2,0 до COP = 4,0. Итак, чем меньше дифференциал температур между источником тепла и его потребителем, тем применение ТН насосов выгоднее.

Типы тепловых насосов

По типу среды, от которой отбирается теплота, ТН разделяют на три основных типа – «грунтовые» (тепловой потенциал грунта), «водяные» (тепло в подземных водяных горизонтах или в открытом водоеме), «воздушные» (тепло атмосферного воздуха). По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на семь типов: «грунт–вода», «вода–вода», «воздух–вода», «грунт–воздух», «вода–воздух», «воздух–воздух».

Грунтовые и водяные ТН считаются самыми эффективными, поскольку используют условно «неограниченный» источник теплоты с примерно постоянной температурой и огромной теплоемкостью. Главный их недостаток – значительная стоимость оборудования, необходимость сложного и дорогого монтажа внешних подземных или подводных теплообменных контуров, которые к тому же не везде возможно реализовать (например, в городе). ТН типа «воздух-вода», в том числе реверсивные, чаще всего используются для бытовых систем отопления и ГВС. Для отопления (отопления/охлаждения) без функции приготовления воды в ГВС пригодны ТН типа «воздух-воздух», которые, по сути, мало отличаются по устройству от сплит-кондиционеров воздуха.

Рекомендуемые режимы

Поскольку для воздушных тепловых насосов источником теплоты является наружный атмосферный воздух, то с изменением его температуры меняются условия работы ТН. При очень низкой температуре наружного воздуха отопление и приготовление горячей воды от теплового насоса становится нерациональным – количества теплоты в перекачиваемом объеме первичного теплоносителя (воздуха) недостаточно. То же самое происходит и для высоких температур наружного воздуха при работе ТН в режиме охлаждения – порция теплоты, удаляемая прокачкой через наружный теплообменник, оказывается слишком мала. Поэтому есть обоснованный диапазон температуры окружающего воздуха и температуры вторичного теплоносителя (воды) как для обогрева, так и для охлаждения, рассчитанный для каждой конкретной модели ТН. Например, на рис. 2 приведены графики для воздушных моноблочных ТН компании Vaillant серии aroTHERM. Первая цифра в скобках означает температуру наружного воздуха, вторая – температуру теплоносителя (воды) в контуре отопления/охлаждения. Эксплуатировать ТН следует внутри указанных температурных областей.Va_2

Рис 2. Эксплуатационные границы применения воздушных моноблочных ТН типа Vaillant aroTHERM моделей VWL 85/2 – 115/2 A 400 V в режиме отопления, ГВС и для охлаждения помещений

Если применять в качестве отопительного оборудования только ТН, то при низких температурах нужно будет использовать ТН с из быточным запасом мощности. Это нерационально и в смысле стоимости самого оборудования, и затрат на энергию для работы ТН. Поэтому в нашей климатической зоне, где бывают периоды в году с температурами ниже минус 15°С...минус 20°С, рекомендуется ТН сочетать с другим источником тепла, например, с газовым конденсационным котлом или с электрокотлом. Это так называемая «бивалентная схема» отопления, при которой основную (базовую) нагрузку несёт тепловой насос, а пиковые нагрузки покрываются вспомогательным источником, потребляющим другой энергоноситель.

Практические схемы бивалентной работы ТН с котлами уже отработаны, многолетний опыт их эксплуатации подтверждает экономичность такого подхода. Современная автоматика регулирует совместную работу отопительных приборов так, чтобы в каждый момент получать максимальное количество энергии из окружающей среды от ТН при минимуме затрат на покупную энергию (электричество и газ). При этом учитываются также суточные особенности тарифов на электроэнергию (двузонная и многозонная тарификация).

На рис. 3 а) и б) представлены схемы реализации комбинации ТН с дополнительным отопительным оборудованием – с газовым котлом (а) и электрокотлом (б), причем комбинированная схема позволяет донагревать теплоноситель до высокой температуры, необходимой для работы радиаторного отопления. Схема на рис. 3а) рекомендуется для модернизации существующих нагревательных установок с газовым настенным котлом и с раздельными контурами для отопления и ГВС. Если же используется низкотемпературная система отопления (например, «теплый пол»), то большого нагрева не требуется (рис. 3, б), и вспомогательный котел включается редко, только для покрытия пиковых тепловых нагрузок для отопления и для периодического прогрева воды в ГВС до высокой температуры для удаления легионелл в баке ГВС. Но схема с «теплым полом» помогает также реализовать на ТН режим летнего охлаждения помещений (см. рис. 3, б).Va_3

Рис. 3. Бивалентный режим работы воздушного ТН с газовым котлом (а) и радиаторным отоплением; воздушный ТН вместе с электрокотлом (б) и «теплым полом»

Как устроен воздушный ТН

Устройство воздушного моноблочного ТН можно понять на примере схемы Vaillant aroTHERM моделей VWL 55/2 A – VWL 155/2 А с функцией «активный холод», то есть способного помимо отопления зимой использоваться для охлаждения летом.

Моноблочная теплонасосная установка (со всеми техническими средствами во внешнем блоке состоит) из ТН aroTHERM, который устанавливается на открытом воздухе; модуля управ ления ТН VWZ AI; регулятора системы multiMATIC VRC 700.

На рис. 4, где показаны оба режима работы реверсивного ТН – и отопление (вверху), и охлаж дение (внизу). Стрелками показано направление потоков теплоносителя для каждого режима.Va_4

Рис. 4. Схема воздушно-водяного моноблочного реверсивного ТН Vaillant aroTHERM VWL: испаритель (1); четырехходовой клапан (2); вентилятор (3); компрессор (4); электронный расширительный клапан (5); пластинчатый теплообменник (6)

Выгодная особенность моноблочного исполнения ТН – нет необходимости «тянуть» в дом из блока, расположенного снаружи дома, трубки с хладагентом. Это существенно упрощает монтаж и повышает надежность системы – в дом заводятся только теплоизолированные трубы системы отопления. Важно правильно установить внешний блок относительно стен самого дома – это снизит ощущаемый уровень шума. Тем не менее, современные ТН при работе отличаются очень низкой шумностью. Например, благодаря техническим новациям, модель Vitocal 200-S моноблочного воздушно-водяного ТН компании Viessmann, представленная в этом году на выставке на ISH-2017, обеспечивает особенно низкий уровень шума – всего 35 дБ(А) на расстоянии 3 м.

С обзором современных моделей воздушных ТН различных производителей можно ознакомиться в статье «Тепловые насосы типа «воздух-вода»: обзор» в этом номере журнала.

Практичность и эффективность

Несмотря на то, что ТН «воздух-вода» обладают несколько меньшим показателем COP, чем ТН типа «грунт-вода» и «вода-вода», применение именно «воздушных» ТН расширяется особенно быстро (теперь и в Украине). Не везде и не всюду можно установить грунтовые или водяные ТН, особенно в городах и населенных пунктах со старой исторической застройкой, где просто не позволят устраивать подземные теплообменные поля или бурить колодцы для водяных систем. Не везде есть близкие подземные водяные горизонты или подходящий водоем. Монтаж воздушных ТН не вызывает трудностей, особенно ТН моноблочного типа.

ТН «воздух-вода» можно применять всюду, даже в городах и даже в многоэтажках.

Рассмотрим особенности системы отопления и ГВС для коттеджа на одну семью с моноблочным ТН «воздух-вода» Vaillant aroTHERM VWL 155/2 A 230 V с функцией "активный холод", практически реализованной в Киевской области. Площадь отопления 200 м2, минимальная температура наружного воздуха минус 22 °C, расчетная мощность отопительной системы 14 кВт, рис. 5. Здесь при меняется как радиаторное отопление, так и система «водяной теплый пол», которую летом используют еще и для охлаждения. Расчеты мощности учитывали среднемесячные температурные графики в данной местности. Контур ГВС разделен с отопительным контуром компактной буферной емкостью Vaillant VWZ MPS 40, а благодаря модулю теплообменника Vaillant VWZ MWT 150 для теплового насоса Vaillant aroTHERM можно гидравлически изолировать тепловой насос, и защитить его от замерзания. Антифриз исполь зуется только в контуре циркуляции теплоносителя в самом ТН, не смешиваясь с водой в остальной гидросистеме. Бивалентный емкостный водонагреватель косвенного нагрева Vaillant VIH для ГВС имеет два независимых змеевиковых теплообменника: для контура ТН и контура газового конденсационного котла ecoTEC plus VU с возможностью приготовления горячей воды в комбинации с емкостным водонагревателем. Благодаря этой функции, воду для ГВС можно периодически нагревать до более высокой температуры для обеззараживания (устранения легионелл). Температура бивалентности теплового насоса составляет минус 6,4°C, то есть, начиная с минус 7°C автоматика модуля управления тепловым насосом VWZ AI включит ТН и начнет управлять согласованной работой системы. Погодозависимый регулятор Vaillant multiMATIC VRC700/4 с функцией управления каскадом отопительного оборудования может управлять совместно с ТН несколькими тепловы ми насосами, газовыми котлами или для подключения впоследствии других источников энергии (например, солнечных панелей). Наилучший вариант заказчикам и монтажникам в каждом конкретном случае подскажут квалифицированные специалисты, представляющие фирмы-производители оборудования.Va_5

Рис. 5. Схема практической реализации системы отопления с ТН для коттеджа в Киевской области (отапливаемая площадь 200 м2)

Перспективный выбор

Использование воздушных ТН вместе с другими устройствами ВИЭ и высо ко эффективным отопительным оборудованием вместе с цифровыми системами управления – перспективная европейская тенденция, которая продолжает усиливаться в условиях удорожания традиционных энергоносителей. ТН типа «воздух-вода» становятся все популярнее и в Украине. Моноблочные модели воздушных ТН при этом имеют ряд преимуществ как при монтаже, так и во время эксплуатации. Компании, представляющие производителей оборудования, накапливают все больший опыт проектирования и практической реализации объектов с воздушными ТН. Все больше предлагается различных готовых комплектных решений, апробированных на практике. Специалисты-монтажники всегда могут рассчитывать на квалифицированную консультацию и техническую поддержку.



1 комментарий

  • Несколько меньший показатель COP может быть и в 1,5-2 раза меньшим ... а в разрезе затрат на целый год — разница будет очень заметной. Не стоит забывать и про Сезонный COP (SCOP),.. этот показатель более точно определяет разницу эффективности воздушного и грунтового тепловых насосов (хотя и разница в цене + установка тоже конечно есть).

Оставьте комментарий