Опалення тепловим насосом: ефективність системи та варіанти облаштування

Система обігріву будинку тепловим насосом складається із двох контурів:

1. Фреонового (контур теплового насоса).
2. Водяного (контури систем опалення та охолодження).

Фреоновий контур призначений для генерації теплової енергії, а водяний — для її розподілу по житлоплощі, з використанням різних пристроїв (фанкойлів, систем теплої підлоги, бака гарячого водопостачання).

Фреоновий контур має такі ключові елементи:

• Фреон — холодоагент, який рухається закільцьованою системою. Завдяки зміні агрегатного стану цієї речовини проводиться відбір тепла із зовнішнього середовища та передача його в систему опалення/охолодження. Фреон небезпечний для людини, тому герметичність системи є обов'язковою умовою експлуатації. Фреон проходить через кілька елементів системи – випарник, компресор, конденсатор та розширювальний клапан.

• Випарник — зовнішня частина системи, яка відбирає низькопотенційну енергію зовнішнього середовища. Це може бути повітря, ґрунт або вода. У випарнику фреон має газоподібний стан, тому даний елемент і отримав таку назву.

• Компресор — пристрій для стиснення фреону, призначений для підвищення його тиску і, як наслідок, температури. Компресор – один із найважливіших елементів ТН, тому його якість та характеристики, як і тип фреону, є основними параметрами для теплової потужності насоса.

• Конденсатор — внутрішній блок, де відбувається віддача теплової енергії на контур системи опалення/охолодження, в якому теплоносієм є вода. Власне, конденсатор – це теплообмінник, у одній частині якого циркулює фреон, а в інший – вода. Через різке зниження температури фреон конденсується.

• Розширювальний клапан — пристрій для зниження тиску та температури фреону. На цьому етапі фреон повертається у газоподібний стан. Далі холодоагент ще більше конденсується завдяки роботі автоматики, його температура знижується до тієї, яка створить необхідний перепад між зовнішнім джерелом енергії і самим фреоном. Після розширювального клапана фреон рухається у випарник. Далі всі процеси повторюються по колу.

Точну окупність опалення будинку тепловим насосом можна визначити лише за деталізованого техніко-економічного обґрунтування.

Практика наших фахівців демонструє, що середня окупність теплового насоса варіюється від 2 до 15 років. Все залежить від грамотності підходу інженерів-проєктувальників.

Щоб тепловий насос окупився швидше, а ефективність його роботи була високою, необхідно дотримуватись певних умов.

1. Дім або квартира повинні відповідати стандартам енергозаощадження.

Це означає наявність якісної теплоізоляції будинку, що дозволяє уникнути надмірних холодонадходжень взимку та теплонадходження влітку. Також важлива якість використовуваних склопакетів – слід враховувати термічний опір та Solar Factor даної конструкції.

2. Для вентиляції будинку необхідно використовувати спеціальну енергоефективну систему з припливно-витяжною установкою з функцією рекуперації. Завдяки рециркуляційній системі вентиляції знижується навантаження на систему опалення, до того ж ви отримуєте додаткові переваги:

• Свіже очищене повітря цілодобово, без відкритих вікон.

• Відсутність сторонніх звуків під час провітрювання.

• Відсутність протягів.

• Пасивне зволоження повітря за умови використання ентальпійного рекуператора.

Вентиляційна система прогріває припливне повітря, використовуючи витяжну енергію, тому споживання енергії тепловим насосом знижується.

3. Для ефективних показників COP необхідно реалізувати три функції теплового насоса:

• Опалення.

• Гаряче водопостачання.

• Охолодження.

Для опалення потрібно використовувати низькотемпературні системи, наприклад, теплу підлогу або теплі стіни. Також потрібні фанкойли — пристрої, які забезпечують як холод, так і тепло. Фанкойли дозволять не використовувати додаткові мульти-спліт системи для охолодження.

Мінус теплового насоса одночасно є його плюсом — це низькотемпературні умови роботи. Для ефективної роботи обладнання ТН система має бути розрахована під низькотемпературні параметри теплоносія. Це передбачає обов'язкове використання системи теплої підлоги, фанкойлів, розрахованих на температуру теплоносія +35°С ... +55°С.

Також до недоліків відносять ціну теплових насосів, але через швидку окупність при раціональних розрахунках цей фактор легко виправдати.

Система опалення з тепловим насосом має декілька рішень:

1. Повітряний теплонасос, який передбачає споживання теплової енергії від вуличного повітря.
2. Геотермальний теплонасос використовує енергію ґрунту.
   
3. Водяний тепловий насос для опалення будинку споживає енергію з річок чи озер.

Тип системи визначається в залежності від технічних параметрів будинку і характеристик ділянки.

Повітряний тепловий насос

Повітряний тепловий насос – це найпоширеніший варіант серед споживачів. З основних причин попиту:

1. Низький стартовий капітал. Монтаж досить простий, адже не потрібно проводити додаткові ґрунтові роботи, як для геотермальних та водяних ТН. Зовнішній блок системи опалення із тепловим насосом повітря-вода (повітряний ТН) встановлюється на вулиці біля будинку. 
2. Необмежена кількість повітряних мас. Робота теплового насоса залежить від потужності складової системи, а не від обсягів джерела енергії. У випадку з геотермальним або водяним насосом виникають питання з необхідною площею землі або обсягом озера. 
3. Можлива заміна обладнання без капітальних змін усередині та зовні будинку. 
4. Наявність модуляційного компресора, який дозволяє змінювати потужність обладнання залежно від навантаження на систему у конкретний момент та побажань замовника. 

Опалення тепловим насосом повітряного типу також має недолік. Основна проблема полягає у стрибках температури зовнішнього повітря. Більшість ТН розраховані на работу за температури до -20°C...-25°C. Однак за таких параметрів COP (коефіцієнт корисної дії, який вказує на кількість теплової енергії, перетвореної з 1 кВт електрики) наближається до 1,5 – 2. Такий ККД все ще ефективний, але не доцільний. Для порівняння, при температурі на вулиці +7°C COP прагне 5. 

Це означає, що, використавши 1 кВт енергії, тепловий насос віддасть 5 кВт тепла. Важливо відзначити, що низькі температури, що знижують ефективність теплових насосів, – рідкість в Україні. Середня температура з жовтня до квітня дорівнює -3°C, і з кожним роком показник тільки зростає. Тому середньорічний COP теплових насосів нашій країні – 3,5. Повітряний теплонасос є актуальним для житла площею 50 м² - 250 м². 

Якщо ви бажаєте реалізувати опалення тепловим насосом для будинку великих розмірів, такий варіант можливий при використанні каскадної системи, де експлуатуються 2 і більше теплових насосів. Таке рішення робить систему гнучкішою, та її модуляція перевершує всі альтернативні варіанти.

Геотермальний теплонасос

Опалення тепловим насосом геотермального типу є стабільнішим і продуктивнішим варіантом, оскільки COP такої системи знаходиться в діапазоні від 4 до 4.5.

Це пов’язано з джерелом живлення системи – ґрунтом. Температура ґрунту незмінна цілий рік (+10°С…+12°С), отже відсутні стрибки продуктивності системи ТН.

Плюси геотермальних теплонасосів:

1. Відмінний показник COP.
2. Підтримка комфортного мікроклімату протягом цілого року, з використанням систем обігріву, охолодження та ГВП.
3. Чудовий варіант для котеджів від 250 м² до 400 м².

Мінуси геотермальних теплонасосів:

• Необхідна досить велика площа ґрунтової ділянки, яку неможливо буде використовувати для капітального будівництва або насадження рослин з розвиненою кореневою системою.

• Високі початкові інвестиції через масштабні земляні роботи.

• При неякісних розрахунках, проєктуванні чи монтажі є можливість обмороження свердловини, що призведе до виходу з ладу системи. Ремонтні роботи вимагатимуть великих вкладень.

Водяний теплонасос

Опалення тепловим насосом даного типу ґрунтується на споживанні енергії з водойм.

Як джерело може використовуватися озеро. Проте є свої нюанси:

• Площа озера має бути досить великою. В іншому випадку можливе замерзання водойми.

• Водяний тепловий насос сильно впливає на мікроклімат водоймища, звідки черпає енергію. Це може спричинити негативні наслідки для флори та фауни.

  
  

Наступним можливим джерелом енергії може бути річка. У разі використання наземної річки тепло відбирається за течією вище, а скидається за течією нижче. При використанні підземних вод спрогнозувати постійний відбір енергії неможливо. Адже через геологічні процеси глибинне джерело води може зникнути.

Переваги:

1. Водяний теплонасос має найвищу продуктивність, СОР 4.5 – 5. Це пов'язано з тим, що вода має велику кількість “прихованої” енергії.
2. Порівняно з тепловим насосом геотермального типу, монтажні роботи коштують дешевше.
3. Вигідно використовувати при габаритних площах будинку від 400 м² до 600 м².

Недоліки водяного теплового насоса для котеджу:

• Потрібні великі обсяги води. Для отримання 5 кВт тепла теплонасос має обробити 1 м³/год води.

• Обладнання матиме велику ціну, порівняно з геотермальною та повітряною тепловими системами.

• Можливі негативні наслідки для навколишнього середовища.

• Потрібний регулярний сервіс свердловин.

Також значним мінусом теплового насоса можна назвати великі витрати під час експлуатації.

По-перше, глибинний насос, який перекачує потрібну кількість води для забезпечення роботи теплового насоса, має високе енергоспоживання. До того ж, таке обладнання потребує додаткового сервісу.

По-друге, потрібно докупити додаткові елементи. Оскільки часто компресор водяного теплового насоса має слабку модуляцію.

Перед вибором обладнання провадиться теплотехнічний розрахунок будинку. В результаті інженери дізнаються кількість тепловтрат. З урахуванням цього значення визначаються необхідні параметри потужності теплового насоса для перекриття тепловтрат.

Для охолоджувальної системи робиться аналогічний розрахунок визначення кількості теплонадходжень.

​

Особливості монтажу кожного виду обладнання індивідуальні та наведені в інструкціях. При цьому можна виділити декілька основних етапів монтажу теплового насоса:

​

1. Встановлення блоків теплового насоса (якщо у вас спліт-система, то доведеться прокладати фреономагістраль, а також з'єднувати між собою частини системи; теплові насоси типу "моноблок" потрібно просто підключити до системи опалення).
2. При встановленні теплового насоса ґрунт-вода необхідно підготувати земляну ділянку. Залежно від обраного типу геотермального обладнання, вам потрібно буде облаштувати дренажне поле, підготувати водоймище або пробурити свердловину. Після цього укладається контур обладнання.
3. На наступному етапі тепловий насос підключається до кліматичних систем – опалення, кондиціювання, гарячого водопостачання.
4. Далі проводяться контури, що заповнюються теплоносієм, і можна проводити пусконалагоджувальні роботи, щоб налаштувати систему на подальше функціонування.
5. Якщо Ви звернулися до надійної інженерної компанії, вам видадуть гарантії на проведені роботи.

Встановлення геотермального обладнання набагато складніше, ніж встановлення теплового насосу повітря-вода. Врахуйте цей момент під час вибору системи.