Тепловий насос для опалення будинку: будову і типи

Тепловий насос – це далеко не новий винахід. Перший робочий варіант був виготовлений ще в 1855 році. Але через недостатнє розвитку технологій не отримала широкого поширення аж 70-х років 20 століття. У цей час ідея економічного та енергозберігаючого опалення стала набирати популярності. В цей час і стали затребуваними теплові насоси для опалення будинку: при малих експлуатаційних витратах вони можуть повністю забезпечувати теплом для опалення та нагріву води. 

Пристрій теплового насоса

Чим же хороші ці агрегати? Тим, що витративши 1 кВт електроенергії, в найгіршому варіанті ви отримуєте 1,5 кВт тепла. І чудес тут немає: електрику витрачатися не на перетворення в теплову енергію, а на роботу агрегатів для перенесення тепла.

У цьому пристрої є три окремих контуру:

  • У першому (зовнішньому) циркулює звичайний теплоносій (соляний розчин або антифриз). Він нагрівається від зовнішніх джерел тепла (поза домом).
  • У другому (внутрішньому) герметично запаяні речовина з дуже низькою температурою кипіння.
  • І третій контур йде в опалювальну систему.

Якщо говорити коротко, то принцип роботи теплового насоса полягає в наступному. У об’єктів різної природи, що мають взимку позитивні температури (грунт на глибині нижче рівня промерзання, вода, повітря в вентиляційних шахтах і т.п.), тепло відбирається. Від цього тепла нагрівається циркулює по замкнутому контуру холодоагент. Нагрівшись до температури вище точки кипіння, рідина переходить в газоподібний стан. По трубі пар (з температурою вже вище 0oC) потрапляє в компресор, де стискається до високого тиску. При стисненні виділяється велика кількість тепла і з компресора виходить речовина, нагріте вже до пристойних величин + 35oC або навіть + 60oC. В іншому пристрої – конденсаторі – більшу частину свого тепла він передає теплоносія, який подається на труби опалення.

Холодоагент в значній мірі втратив тепло, але ще знаходиться в газоподібному стані і під пристойним тиском, рухається далі по внутрішньому контуру. Потрапляє на спускний клапан, де тиск падає, різко знижується температура, речовина знову стає рідиною. І знову потрапляє у випарник, починає наступний цикл роботи теплового насоса.

Ось і виходить що електроенергія витрачається не на вироблення тепла, а тільки на його переміщення. І тому витративши 1 кВт електроенергії, від цього пристрою можна отримати 2-6 кВт тепла. Такий розкид коефіцієнта перетворення через особливості використання: чим нижче температура первинного нагріву (від зовнішніх джерел), тим менш ефективно буде працювати тепловий насос. Але працювати він буде навіть при -20oC.

З якими системами опалення працює

Щоб ефективно використовувати тепловий насос для опалення будинку, іноді доводиться переробляти систему опалення. Справа в тому, що видобувають їм енергія нагріває теплоносій у контурі опалення до не надто високих температур. Вони рідко перевищують 50-55oC, а частіше бувають нижче. І це – визначальний фактор при виборі системи. Якщо віддаєте перевагу радіаторну, то її ретельно і уважно потрібно вважати: забезпечить будинок теплом подібна установка тільки при хорошій теплоізоляції. Причому радіаторів знадобиться дуже багато (розрахунок кількості секцій радіаторів тут). Тому в цьому випадку краще мати резервне джерело тепла. Ідеальний тепловий насос для опалення будинку теплими підлогами: він видає ту температуру теплоносія, яка рекомендована для водяного підігріву підлоги.

У чому недолік теплового насоса? Як було сказано вище, його ефективність (і температура нагріву теплоносія в контурі опалення) залежать від температури нагріву в первинному контурі. Не всі джерела тепла можуть давати стабільно одну і ту ж ступінь нагріву. За фактом цим можуть похвалитися лише деякі геотермальні джерела. В основному ж вони змінюються в досить широких межах. Це не найзручніше властивість. Але для нівелювання цього розкиду ставлять на вході в систему опалення теплоаккумулятор, який вирівнює скачки.

Другий недолік – висока вартість. І це не тільки вартість самого теплового насоса, хоч і вона вже дуже велика. Пристрій зовнішнього контуру теж потребує коштів, і часом чималих. Щоб зрозуміти конкретніше масштаби потрібних вкладень, поговоримо про джерела тепла і типах теплових насосів для опалення будинку, що працюють з ними.

Чим нижче температура, до якої буде нагріватися теплоносій в системі опалення, тим вище ефективність теплового насоса. При температурі не вище 35oC витративши 1 кВт електроенергії, ви можете отримати 5 кВт тепла. З підвищенням температури ефективність знижується. Так що ідеальна система для спільної роботи – водяні підлоги. Для достатньої тепловіддачі необхідно буде зробити крок укладання мінімальним (а й подбати про гарну теплоізоляції).

Джерела тепла і вимоги до первинних контурам

Джерелом теплової енергії для теплового насоса може бути будь-яке середовище, яка в зимовий час має температуру стабільно вище 1oC. Це може бути:

  • вода – річка, озеро, що не промерзає ставок, колодязь, навіть стічні води і т.п. Тут все зрозуміло: під льодом температура води завжди позитивна. У воду занурюють трубопровід. Його довжина залежить від необхідної потужності: один метр трубопроводу дає до 30 Вт тепла. Якщо для опалення будинку необхідно 15 кВт, то в воду потрібно занурити 500 метрів труби. Її можна укладати кільцями або змійкою. Цей тип обладнання називається «тепловий насос вода-вода», якщо тепло відбивається від води і передається рідкому теплоносія в опалювальній системі. І тепловий насос вода-повітря, якщо відібране у води тепло йде на обігрів повітря в приміщенні.

  • повітря. Теплі повітряні маси систем вентиляції, вихлопи якихось агрегатів і ін. Якщо використовувати звичайний водяний контур для нагріву теплоносія і тепловий насос вода-вода, то в середньому коефіцієнт перетворення 1,5-2,2. Але є спеціальні теплові насоси повітря-повітря або повітря-вода, які показують набагато вищу ефективність за рахунок використання сучасних технологій. Тоді коефіцієнт перетворення може бути вище 4. Повітряні теплові насоси поширені найбільш широко: немає потреби встановлювати великі контуру, а джерело тепла можна знайти. По суті все кондиціонери, які можуть працювати на обігрів, є тепловими насосами, але з невеликою ефективністю. Є одне серйозне «але»: ці системи не можуть функціонувати при низьких температурах. Де брати тепло, якщо вже глибокий мінус? Тільки деякі моделі здатні відбирати його при -20oC і то не в найбільших кількостях, а для більшості нижня межа -10 ° C.
  • Породи на глибині понад 20 м. Найстабільніший джерело тепла. І взимку і влітку температура майже однакова. Вся складність полягає в тому, що доводиться бурити свердловини, а це далеко недешево. Вниз опускають U-подібну трубку, заповнену теплоносієм. Один метр свердловини може дати 50-60 Вт тепла. Тому для забезпечення такого ж кількості тепла 15 кВт потрібно 250-300 м свердловин. Зрозуміло, що однією свердловиною тут не обійдешся, дешевше зробити кілька розташованих поруч з розрахованої загальної протяжністю. Система досить ефективна, але термін окупності – не менше 10-15 років, і це при добре утепленому будинку. Ці насоси називають геотермальними – використовується тепло землі.

  • Відбір тепла від грунту. Нижче за рівень промерзання на 30-50 см температура практично завжди стабільно вище 0oC. На практиці заглиблення потрібно на 1-2 метри в залежності від регіону. Трубопровід укладають з відстанню між витками 1-1,5 метра. Відбір залежить від типу грунту і вологості: у вологих ґрунтах з близько розташованими грунтовими водами ефективність вище – 50-70 Вт / м, в сухих піщаних грунтах найнижча 30-40 Вт / м. Так при укладанні в «ефективний» грунт 15 кВт тепла можна отримати з 250 м трубопроводу. Для цього буде потрібно пристойний шматок землі. Для зменшення займаної площі труби можуть укладати кільцями. Незважаючи на досить високу ефективність, такий спосіб використовують рідко: великі обсяги земельних робіт. І підземний трубопровід з більшою ймовірністю може бути пошкоджений, ніж всі інші.

Джерела трьох останніх груп хоч і є різними середовищами, насправді отримують тепло в чималому ступені від земної кори. Тому пристрій, що працюють з ними, називають ще геотермальний тепловий насос.

Незважаючи на те, що в використанні теплові насоси дуже економічні, вони вимагають великих коштів на установку: від 300 $ до 1000 $ на один кіловат потужності. Термін їх окупності 5-15 років, при рядку експлуатації до капітального ремонту від 15 років до 20 років.

Для зниження витрат і зменшення «стартових» витрат систему роблять комбінованої: частина тепла для опалення будинку дає тепловий насос, а частина – якийсь інший джерело тепла, хоч та ж піч. Так витрати і на монтаж системи і на опалення мінімізуються. Справа в тому, що розрахунок потреби тепла береться виходячи з найнижчих температур в регіоні. Але такий час – це одна, максимум півтора тижні в опалювальному сезоні. Для решти проміжку потрібно набагато менша потужність. Ось цю середню потреба і забезпечує тепловий насос. Тобто його потужність може становити 50-70% від пікової. А в найхолодніші дні підключається резервне джерело тепла. Розумне рішення, яке заощаджує досить пристойну суму.

Що ще приємно, що влітку система може працювати в режимі кондиціонування, відбираючи тепло в приміщенні і віддаючи його в первинний контур.

перспективи

Саме обладнання і установка теплового насоса дуже недешеві. Але приваблива ідея. В Європі давно функціонують тисячі агрегатів. Для наших теренів це поки екзотика, але є вже фірми, які можуть не тільки розрахувати і змонтувати систему, є навіть виробники теплових насосів в Україні.

Вся справа в тому, що системи вимагають індивідуального розрахунку і вибору джерела, протяжності трубопроводу і підбору самого обладнання. Але є дві модифікації, які не так і багато коштують. Це ті, які відбирають енергію у повітря. Наприклад, тепловий насос повітря-повітря часто можна зустріти в кондиціонерах, які можуть працювати і на опалення. Вони працюють саме за цією технологією і тому такі агрегати мають більш високу вартість у порівнянні з тими, які тільки охолоджують.

Тепловий насос повітря-вода працює за схожим з опалювальними кондиціонерами принципом, але для нагріву води використовується гідромодуль – пристрій, в якому і відбувається нагрів води. Потужність цього типу обладнання можна підібрати з таким розрахунком, щоб воно працювало не тільки на опалення, а й нагрівало воду для побутових потреб. Ось тут потрібно вважати: можливо, поставити окремий бойлер буде дешевше.

Виробники теплових насосів

Це обладнання давно застосовується в Європі, тому на ринку досить велика кількість «європейців». Присутні і японці, і корейці, є і всюдисущі китайці. З якістю все, як і в решті техніці: європейці та японці якісні, але дороги, корейці, і за якістю і за ціною трохи нижче. З китайською продукцією теж як зазвичай: пощастить, все працює відмінно, не пощастить – будете купувати новий насос.

Приклади добре зарекомендували себе фірм:

  • Шведські. Є обладнання, яке працює від будь-якого геотермального джерела (грунт, гірські породи, вода), а також агрегати повітря-вода. Ці системи дешевими не назвеш, але термін експлуатації – 20 років, стабільна репутація і хороші відгуки.

  • Теплові насоси Viessmann – продукт європейського концерну, який майже століття займається розробкою і виробництвом опалювального і кліматичного обладнання. У нашій країні представлені моделі вода-вода і розсіл-вода. Велика частина устаткування по максимуму може нагріти теплоносій зовнішнього контуру до 45oC, 55oC або до 60oC. Одна лінійка видає 65oC. Як і опалювальні котли, теплові насоси Viessmann мають відмінну репутацію: надійні, не потребують уваги і обслуговування.
  • Німецькі теплові насоси Stiebel Eltron типу повітря-вода працюють при температурі до -20oC, деякі моделі, що працюють на соляному розчині, можуть забезпечувати також нагрів води для господарських потреб, і працювати на охолодження влітку. Деякі – тільки опалення. Є модульні модифікації, придатні для великих площ. Вони збираються в групу до шести штук.
  • Відома японська кампанія Mitsubishi Electric в 2007 році запустила у виробництво теплові насоси Z У цій лінійці є побутові моделі, напівпромислові і промислові агрегати. Деякі дають можливість зробити мультизональними поділ, яке дозволяє управляти температурою в кожному приміщенні, що обслуговується. Є лінійка теплових насосів повітря – вода Mitsubishi Heavy, які працюватимуть можуть і на обігрів і на охолодження.

Присутні на ринку і теплові насоси російського виробництва. Ціни і якість – між європейськими та китайськими агрегатами. Наприклад, теплові насоси «Henk system». З якістю обладнання, судячи з відгуків, все нормально, але проблема, як зазвичай у нас, в грамотному розрахунку, а особливо в монтажі. Якщо з повітряними системами проблеми бувають нечасто, то про установках геотермального типу цього не скажеш: нормальні партнери у цього підприємства є не у всіх регіонах.

Henk випускає багато різних агрегатів, різної продуктивності і типу. Всього 82 моделі. Є лінійка для низькотемпературних систем водяного статі, є для високотемпературних – з радіаторами. Тип підключення – однофазний і трифазний, з теплообмінниками для підігріву води побутового призначення. Власне, вибрати є з чого.

підсумки

Сучасні теплові насоси – це високоефективні пристрої, які легко забезпечують 3-4 кВт тепла на один витрачений кіловат електроенергії. Але вартість самого устаткування і пристрою первинного контуру не всім по кишені. Якщо ж говорити про моделі повітря-повітря або повітря-вода, то хорошу ефективність вони показують при плюсових температурах, з падінням температури їх продуктивність сильно знижується (хоча останні лінійки можуть працювати і до -40oC). Технологія, безсумнівно, дуже цікава і перспективна, але поки доступна небагатьом.

Можливо, вам цікава буде стаття «Сонячне опалення: наскільки ефективно?»

Ссылка на основную публикацию