Отопление тепловым насосом: эффективность системы и варианты обустройства

Тепловой насос - это устройство, преобразовывающее низкопотенциальную энергию из природных источников для отопления, охлаждения дома и для обеспечения горячего водоснабжения. Отопление тепловым насосом считается одним из самых энергоэффективных решений, и является отличной альтернативой газовому или электрическому котлу.

Теплонасосное отопление загородного дома состоит из двух контуров:

1. Фреонового (контур самого теплового насоса).
2. Водяного (контуры систем отопления и охлаждения).
   

Фреоновый контур предназначен для генерации тепловой энергии, а водяной – для ее распределения по жилплощади, с использованием разных устройств (фанкойлов, систем теплых полов, бака горячего водоснабжения).

Фреоновый контур имеет следующие ключевые элементы:

• Фреон — хладагент, который движется по закольцованной системе. За счет изменения агрегатного состояния данного вещества производится отбор тепла из внешней среды и передача его в систему отопления/охлаждения. Фреон опасен для человека, поэтому герметичность системы является обязательным условием эксплуатации. Фреон проходит через несколько элементов системы – испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан. 
• Испаритель — внешняя часть системы, которая отбирает низкопотенциальную энергию внешней среды, будь это воздух, грунт или вода. В испарителе фреон всегда имеет газообразное состояние, поэтому данный элемент и получил такое название.

• Компрессор — устройство для сжатия фреона, предназначенное для повышения его давления и, как следствие, температуры. Компрессор – один из самых важных элементов ТН, поэтому его качество и характеристики, наряду с типом фреона, являются основными параметрами для тепловой мощности насоса.
• Конденсатор — внутренний блок, где происходит отдача тепловой энергии на контур системы отопления/охлаждения, где в качестве теплоносителя используется вода. По сути, конденсатор – это теплообменник, в одной части которого циркулирует фреон, а в другой – вода. Из-за резкого понижения температуры фреон конденсируется.
• Расширительный клапан — устройство для понижения давления и температуры фреона. На данном этапе фреон возвращается в газообразное состояние. Далее хладагент еще больше конденсируется, благодаря работе автоматики, его температура понижается до той, которая создаст необходимый перепад между внешним источником энергии и самим фреоном. После расширительного клапана фреон движется в испаритель. Далее все процессы повторяются по кругу. 

Точную окупаемость отопления дома тепловым насосом можно посчитать только при детализированном технико-экономическом обосновании.

Практика наших специалистов показывает, что средняя окупаемость теплового насоса варьируется от 2 до 15 лет. Все зависит от грамотности подхода инженеров-проектировщиков.

Чтобы тепловой насос окупился быстрее, а эффективность его работы была высокой, необходимо придерживаться определенных условий.

1. Частный дом или квартира должны соответствовать стандартам энергосбережения.

Это подразумевает наличие качественной теплоизоляции дома, чтобы избежать чрезмерных холодопоступлений зимой и теплопоступлений летом. Также важно качество используемых стеклопакетов – следует учитывать термическое сопротивление и Solar Factor данной конструкции.

2. Для вентиляции дома необходимо использовать специальную энергоэффективную систему с приточно-вытяжной установкой с функцией рекуперации. За счет рециркуляционной системы вентиляции снижается нагрузка на систему отопления, вдобавок вы получаете дополнительные преимущества:

• Свежий очищенный воздух круглые сутки, без открытых окон.
• Отсутствие посторонних звуков при проветривании.
• Отсутствие сквозняков.
• Пассивное увлажнение воздуха при условии использования энтальпийного рекуператора.

Вентиляционная система прогревает приточный воздух, используя энергию вытяжного, поэтому потребление энергии тепловым насосом снижается.

3. Для эффективных показателей COP необходимо реализовать все три функции теплового насоса:

• Отопление.
• Горячее водоснабжение.
• Охлаждение.

Для отопления необходимо использовать низкотемпературные системы, к примеру теплый пол или теплые стены. Также необходимы фанкойлы – устройства, которые обеспечивают как холод, так и тепло. Фанкойлы позволят не использовать дополнительные мульти-сплит системы для охлаждения.

Минус теплового насоса одновременно является и его плюсом — это низкотемпературные условия работы. Для эффективной работы оборудования ТН, система должна быть рассчитана под низкотемпературные параметры теплоносителя. Это подразумевает обязательное использование системы теплых полов, фанкойлов рассчитанных на температуру теплоносителя +35°С ... +55°С.

Также к недостаткам относят цену тепловых насосов, но ввиду быстрой окупаемости при рациональных расчетах этот фактор легко оправдать.

Система отопления/охлаждения с ТН имеет несколько решений:

1. Воздушный теплонасос, который подразумевает потребление тепловой энергии от уличного воздуха.
2. Геотермальный теплонасос использует энергию грунта.
3. Водяной тепловой насос для отопления дома потребляет энергию из рек или озер.

Тип используемой системы определяется в зависимости от технических параметров дома и характеристик участка.

Воздушный тепловой насос

Воздушный тепловой насос — это наиболее распространенный вариант среди потребителей. По таким основным причинам: 

1. Низкий стартовый капитал. Монтаж достаточно прост, ведь не нужно проводить дополнительный грунтовые работы, как для геотермальных и водяных ТН. Наружный блок системы отопления с тепловым насосом воздух-вода (воздушный ТН) устанавливается на улице возле дома. 
2. Неограниченное количество воздушных масс. Работа теплового насоса зависит от мощности составляющей системы, а не от объемов источника энергии. В случае с геотермальным или водяным насосами возникают вопросы с необходимой площадью земли или объемом озера. 
3. Возможна замена оборудования без капитальных изменений внутри и снаружи дома. 
4. Наличие модуляционного компрессора, который позволяет изменять мощность оборудования в зависимости от нагрузки на систему в конкретный момент и пожеланий заказчика. 

Система также имеет и недостаток. Основная проблема заключается в скачках температуры внешнего воздуха. Большинство ТН рассчитаны на работу до -20°C...- 25°C. Однако при таких параметрах COP (коэффициент полезного действия, который указывает на количество тепловой энергии, преобразованной из 1 кВт электричества) приближается к 1,5 – 2. Такой КПД все еще эффективен, но не целесообразен. Для сравнения, при температуре на улице +7°C COP стремится к 5. Это значит, что использовав 1 кВт энергии, тепловой насос отдаст 5 кВт тепла. 

Важно отметить, что низкие температуры, снижающие эффективность тепловых насосов – редкость в Украине. Средняя температура с октября по апрель равна -3°C, и с каждым годом показатель только растет. Поэтому среднегодовой COP тепловых насосов в нашей стране – 3,5. Воздушный теплонасос актуален для жилья площадью 50 м² - 250 м². 

Если вы желаете реализовать отопление тепловым насосом для дома больших размеров, такой вариант возможен при использовании каскадной системы, где эксплуатируются 2 и более тепловых насосов. Такое решение делает систему более гибкой, а ее модуляция превосходит все альтернативные варианты.

Геотермальный тепловой насос

Тепловой насос геотермального типа является более стабильным и продуктивным вариантом, поскольку COP такой системы находится в диапазоне от 4 до 4.5.

Это связано с источником питания системы, а именно грунтом. Температура грунта неизменна круглый год (+10°С…+12°С), а значит отсутствуют скачки в производительности системы ТН.

Плюсы геотермальных теплонасосов:

1. Отличный показатель COP.
2. Поддержание комфортного микроклимата на протяжении целого года, с использованием систем обогрева, охлаждения и ГВС.
3. Отличный вариант для коттеджей от 250 м² до 400 м².

Минусы геотермальных теплонасосов:

• Необходима достаточно большая площадь грунтового участка, которую будет невозможно использовать для капитального строительства или насаждения растений с развитой корневой системой.
• Высокие первоначальные инвестиции за счет масштабных земляных работ.
• При некачественных расчетах, проектировании или монтаже есть вероятность перемороженной скважины, что приведет к поломке системы. Ремонтные работы потребуют больших вложений.

Водяной тепловой насос

Отопление тепловым насосом данного типа основано на потреблении энергии из водоемов.

В качестве источника может использоваться озеро. Однако есть свои нюансы:

• Площадь озера должна быть достаточно большой. В ином случае возможно замерзание водоема.
• Водяной тепловой насос сильно влияет на микроклимат водоема, откуда черпает энергию. Это может повлечь за собой негативные последствия для флоры и фауны.

Следующим возможным источником энергии может быть река. В случае использования наземной реки, тепло отбирается по течению выше, а сбрасывается по течению ниже.

При использовании подземных вод, спрогнозировать постоянный отбор энергии невозможно. Ведь из-за геологических процессов глубинный источник воды может исчезнуть.

Преимущества:

1. Водяной теплонасос имеет самую высокую производительность, СОР 4.5 – 5. Это связано с тем, что вода обладает большим количеством “скрытой” энергии.
2. По сравнению с тепловым насосом геотермального типа, установочные работы стоят дешевле.
3. Выгодно использовать при габаритных площадях дома – от 400 м² до 600 м².

Недостатки водяного теплового насоса для коттеджа:

• Необходимы большие объемы воды. Для получения 5 кВт тепла теплонасос должен обработать 1 м³/час воды.
• Оборудование будет иметь большую цену, в сравнении с геотермальной и воздушной тепловыми системами.
• Возможно негативные последствия для окружающей среды.
• Требуется регулярный сервис скважин.

Также значимым минусом теплового насоса можно назвать большие затраты при эксплуатации. 

Во-первых, глубинный насос, который перекачивает необходимое количество воды для обеспечения работы теплового насоса, имеет высокое энергопотребление. К тому же, такое оборудование требует дополнительного сервиса.

Во-вторых, понадобится докупить дополнительные элементы. Поскольку достаточно часто компрессор водяного теплового насоса имеет слабую модуляцию.

Чтобы организовать отопление тепловым насосом, нужно произвести теплотехнический расчет дома. В результате инженеры узнают количество теплопотерь. С учетом данного значения определяются необходимые параметры мощности теплового насоса для “перекрытия” теплопотерь.

Для охладительной системы делается аналогичный расчет для определения количества теплопоступлений. 

Особенности монтажа каждого вида оборудования индивидуальны и приведены в инструкциях. При этом можно выделить несколько основных этапов монтажа теплового насоса:

1. Установка блоков теплового насоса (если у вас сплит-система, то придется прокладывать фреономагистраль, а также соединять между собой части системы; а тепловые насосы типа "моноблок" нужно просто подключить к системе отопления).
2. При установке теплового насоса грунт-вода необходимо подготовить земляной участок. В зависимости от выбранного типа геотермального оборудования, вам нужно будет обустроить дренажное поле, подготовить водоем или пробурить скважину. После этого укладывается контур оборудования.
3. На следующем этапе тепловой насос подключается к климатическим системам - отопления, кондиционирования, горячего водоснабжения.
   
4. Далее проводятся контуры заполняются теплоносителем, и можно проводить пусконаладочные работы, чтобы настроить систему на дальнейшее функционирование.
5. Если Вы обратились в надежную инженерную компанию, вам выдадут гарантии на проведенные работы.

Установка геотермального оборудования намного сложнее, чем установка теплового насоса воздух-вода. Учтите этот момент при выборе системы.