Телповой насос для отопления загородного дома

Воплощение идеи брать энергию из окружающей среды в настоящее время перешло из области желаний в область практического воплощения. Пожалуй наиболее ярким и достаточно простым реализованным методом этого стали воздушные тепловые насосы. Кроме отопления, теперь их можно использовать для охлаждения помещений в жаркую пору года, сохраняя главное преимущество воздушных насосов – простоту инсталляции без значительных капитальных вложений в инженерную систему для их работы.

Тепловой насос работает очень просто – это обратная цикл холодильной машины. Забирая теплоту из одной части пространства, например, из воздуха снаружи дома, тепловой насос догревает теплоноситель в компрессоре (за счет сжатия) и отдает высоко-потенциальную теплоту в отапливаемое помещение.

Тепловые насосы обладают характерной особенностью – их эффективность чем больше, тем меньше разница температур между источником теплоты (в случае воздушных тепловых насосов – это наружный воздух) и температурного потребителя тепла. Поэтому тепловые насосы используются в низкотемпературных системах отопления, то есть они лучше работают при температурах теплоносителя на выходе от +35°С до +55°С.

В качестве низкотемпературных системах отопления используют не радиаторы отопления, а системы поверхностного нагрева типа «теплые полы» или «теплые стены», воздушные системы отопления с применением фанкойлов и т.д. Чем выше температура нагретого теплоносителя, например, воды, тем меньше эффективность теплового насоса. Чем выше температура источника тепла, тем тепловой насос работает эффективнее. Например, при повышении температуры источника при -20°С до +7°С эффективность работы повысится, например от значения СОР 2,0 до СОР =4,0. Следовательно чем меньше дифференциал температур между источниками тепла и его потребителями тем применение тепловых насосов выгоднее.

По типу окружающей среды, откуда забирается тепло, тепловые насосы делятся на три основных типа - «грунтовые» (потенциал почвы), «водяные» (тепло в подземных водных просторах или в открытом водоеме), «воздушные» (тепло атмосферного воздуха). По виду теплоносителя во входном и выходном контурах тепловые насосы подразделяют на семь типов: «грунт-вода», «вода-вода», «грунт-воздух», «воздух-вода», «вода-воздух», «воздух-воздух».

Грунтовые и водяные тепловые насосы считаются самыми эффективными, поскольку выполняют условно «избыток» источник теплоты с приблизительно постоянной температурой и большой теплоємкістю. Главный их недостаток-значительная стоимость оборудования, необходимость тяжелого и дорогостоящего монтажа внутренних подземных или подводных теплообменных контуров, которые не везде можно реализовать (например в городе).

Тепловые насосы типа «воздух-вода», в том числе реверсивные, чаще всего используются для бытовых систем отопления и горячего водоснабжения. Для отопления / охлаждения без функции приготовления " ГВС "пригодны тепловые насосы типа "воздух-воздух", которые по сути, мало отличаются по устройствам от сплит-кондиционеров воздуха.

Есть два типа воздушных тепловых насосов «воздух-вода» и «воздух-воздух». Два типа выбирают тепло из окружающего воздуха и передают его соответственно, теплоносителю-воде или воздуху. Вода, на самом деле служит промежуточным теплоносителем, горячую воду потом, направляют через гидравлическую систему в отопительные приборы (например в систему «теплый пол», которые в результате нагревают воздух в помещении.

Тепловой насос «воздух-воздух» повышает температуру непосредственно в помещении. В воздушных тепловых насосах двух типов резко уменьшается эффективность и производительность по теплу при наружной температуре ниже -15°С, тем не менее современные тепловые насосы теоретически использовать к внешней температуры до -25°С.

Особенности применения двух типов воздушных тепловых насосов пред’явленных в ниже

Подобно отопительного котла нагревает воду через теплообменник, который направляется в низкотемпературные отопительные приборы («теплый пол», фанкойлы) и/или для ГВС. Применение совместно с радиаторами (высокотемпературными нагревателями) не очень эффективно. Можно накапливать тепло в специальных баках-аккумуляторах.

При зимних «минимумах» температур, недостаточной мощность по теплу можно компенсировать за счет дополнительных электронагревательных устройств, специально встроенных в водяной контур. Обычно тепловой насос «воздух-вода» приспособлены для совместной работы с другими отопительными устройствами (газовыми, твердотопливными котлами или солнечными водонагревательными панелями).

Особо выгодно применять тепловые насосы «воздух-вода» для модернизации существующей системы водяного отопления или когда отопление работает еще и для горячего водоснабжения.

Тепловой насос «воздух-вода» можно удачно использовать как основную систему отопления и дополнительную. Легко приспосабливается к работе с ГВС. В период может полностью работать только с ГВС. В реверсном режиме (для летнего охлаждения) может работать только в системах с фанкойлами и системами поверхностного охлаждения (стены, потолок). Применяется в системах индивидуального отопления . Требует установки гидросистемы, отделенной от централизованного отопления.

Тепловой насос «воздух-воздух» целесообразно использовать в качестве дополнительной системы отопления. Как основная система в период зимних "минимумов" может нуждаться в поддержке от дополнительных источников тепла.

Реверсивные (оборотные) тепловые насосы «воздух-воздух» используются для отопления и охлаждения. Есть модели, которые приспособлены к работе с ГВС. Реверсный режим (летнее охлаждение) не требует дополнительного или специального оборудования. Допускается параллельное использование с имеющейся системой централизованного отопления. Не требует глубокой обработки имеющейся системы отопления. Легко устанавливается в любых домах – от индивидуальных до многоквартирных домов, в офисных центрах и других объектах жилой или коммерческой недвижимости.

Если тепловые насосы «воздух-воздух» выбран как основную систему отопления, то недостаточную мощность по теплу в период зимних «минимума» можно компенсировать воздушными нагревателями других типов или параллельно подключать другую отопительную систему.

Легко оснащается системой рекуперации тепла воздуха в помещении, что работает в соответствии с теплового насоса. Легко согласуется с другими (вспомогательными или основными) системами отопления через погодозависимое управление или совместный контроль внутренней температуры помещения.

Тепловой насос «воздух-воздух» целесообразно использовать в качестве дополнительной системы отопления. Как основная система в период зимних "минимумов" может нуждаться в поддержке от дополнительных источников тепла. Реверсивные (обратимые) ТН «воздух-воздух» используются для отопления и охлаждения. Есть модели, которые приспособлены к работе с ГВС.

Реверсный режим (летнее охлаждение) не требует дополнительного или специального оборудования. Допускается параллельное использование с имеющейся системой централизованного отопления. Не требует глубокой переделки имеющейся системы отопления. Легко устанавливается в любых домах – от индивидуальных до многоквартирных домов, в офисных центрах и других объектах жилой или коммерческой недвижимости.

Поскольку для воздушных тепловых насосов источником тепла является внешнее атмосферный воздух, то есть с изменением его температуры меняются условия работы теплового насоса. При очень низкой температуре наружного воздуха, отопление и ГВС от теплового насоса становится нерациональным – количества тепла в объеме первичного теплоносителя (воздух), жидкости, недостаточно.

Тоже самое происходит и для высоких температур наружного воздуха при работе теплового насоса в режиме охлаждения – порция тепла, которая удаляется перекачкою через внешний теплообменник, оказывается очень малой. Поэтому есть обоснованный диапазон температуры окружающего воздуха и температуры вторичного теплоносителя (воды) как для обогрева, так и для охлаждения, рассчитанный для каждой отдельной модели теплового насоса.

Например, на рисунке приведены графики для воздушных моноблочных тепловых насосов. Первая цифра означает температуру наружного воздуха, вторая температуру теплоносителя в контуре отопления или охлаждения. Эксплуатировать тепловой насос нужно внутри указанных температурных областей.

Эксплуатационная границы применения воздушных моноблочных тепловых насосов в режиме отопления, ГВС и для охлаждения помещений.

Если заменить в качестве отопительного оборудования только тепловой насос, тогда при низких температурах нужно использовать тепловой насос с избыточным запасом мощности. Это нерационально в цене самого устройства и расходов на энергию для работы теплового насоса. Поэтому в нашей климатической зоне где бывают периоды в году с температурой ниже -15°С -20°С рекомендуется тепловой насос сочетать с другими источниками тепла, например:

Твердотопливным котлом, электрическим или газовым котлом. Это так называемая "бивалентная схема" отопления, при которой основную нагрузку несет тепловой насос, а пиковые нагрузки покрываются вспомогательными источниками тепла, потребляющими другой энергоноситель.

Практические схема «бивалентной» работы теплового насоса с котлами уже отработаны, многолетний опыт подтверждается экономичностью такого подхода. Современная автоматика регулирует совместную работу отопительных устройств так, чтобы в каждый момент получать максимальное количество энергии из окружающей среды от теплового насоса при минимуме затраты на закупну энергию. При этом учитываются также суточные особенности тарифов на электроэнергию (двухзонная и много-зонная тарификация).

На рисунке пред’явлены схемы реализации комбинации теплового насоса с дополнительным отопительным оборудованием: газовым котлом электрическим котлом, притом комбинированная схема дает возможность догревать теплоноситель до высокой температуры, необходимой в работе радиаторного отопления. Рекомендуется для модернизация действующих нагревательных установок с газовым котлом и раздельными контурами для отопления и ГВС.

Если уже используется низкотемпературная система отопления например «теплый пол» тогда большого нагрева не требуется и вспомогательный котел включается редко для покрытия пиковой тепловой нагрузки для отопления и для периодического нагрева воды для горячего водоснабжения до высокой температуры для удаления легионеллы в баке ГВС. Схема с "теплым полом" дает возможность также реализовать на тепловой насос режим летнего охлаждения помещений.

Бивалентный режим работы воздушного теплового насоса с газовым котлом и радиаторным отоплением, воздушный тепловой насос вместе с электрическим котлом и теплым полом.

Устройство воздушного моноблочного теплового насоса можно понять на примере схемы с функцией "активный холод", то есть, способного кроме отопления зимой, использоваться для охлаждения летом. Моноблочный тепловой насос с всеми техническими средствами в внутреннем блоке состоит из теплового насоса, который устанавливается а открытом воздухе: модуля управления, регулятора системы. На рисунке показаны два режима работы реверсивного теплового насоса, отопления (вверху) и охлаждения (внизу). Стрелками показано направление потоков теплоносителя к каждому режиму.

Схема воздушно-водяного моноблочного реверсивного теплового насоса.

Выгодная особенность моноблочного теплового насоса – нет необходимости «тянуть» в дом без блока, расположенного снаружи дома, трубки с хладагентом. Это существенно упрощает монтаж и повышает надежность системы - в дом заводятся только теплоизоляционные трубы системы отопления. Важно правильно установить наружный блок относительно стен самого дома - это уменьшит уровень шума. Тем не менее, современные тепловые насосы при работе отличаются очень низким уровнем шума. Например, благодаря техническим инновациям современные тепловые насосы оборудовании низким уровнем шума всего 35дБ на расстоянии 3 метра.

Несмотря на то, что тепловой насос «воздух-вода» обладает меньшим показателем COP, чем тепловой насос «грунт-вода» и «вода-вода», применение именно «воздушных» тепловых насосов расширяется особенно быстро. Не везде можно установить грунтовые или водяные тепловые насосы, особенно в городах и населенных пунктах, где нет никаких возможностей устанавливать подземные теплообменники для водяных систем. Монтаж воздушных тепловых насосов не вызывает трудностей, особенно можно моноблочного типа.

Рассмотрим особенности системы отопления и горячего водоснабжения для коттеджа на одну сим’ю с моноблочным тепловым насосом «воздух-вода» с функцией «активный холод». Площадь отопления 200 м2, минимальная температура наружного воздуха -22°С, расчетная мощность отопительной системы 14 кВт. Здесь применяется как радиаторное отопление так и система «водяного теплого пола», которую летом используют также для охлаждения.

Расчеты мощности учитывают среднемесячные температурные графики. Контур ГВС разделен с отопительным контуром, компактным буферный бак, а благодаря теплообменнику для теплового насоса, можно гидравлически изолировать тепловой насос и защитить его от замерзания.

Антифриз используется только в контуре циркуляции теплоносителя в самом тепловом насосе, который не смешивается с водой. Бивалентный емкостный нагреватель для ГВС имеет два встроенных независимых теплообменника для контура теплового насоса и дополнительного источников тепла. Благодаря такой функции ГВС можно нагревать до более высокой температуры для обеззараживания (удаления легионелл).

Температура бивалентности теплового насоса составляет минус 6,4°С, то есть начиная с -7°С, автоматика модуля управления тепловым насосом, он включит тепловой насос и начнет им управлять согласно действующей рабочей системы. Погодозависимый регулятор с функцией управления каскадом отопительного оборудования может управлять вместе с несколькими тепловыми насосами, электрическими котлами или для подключения других источников энергии (например, солнечных коллекторов).

Использование воздушных тепловых насосов совместно с другими устройствами и высокоэффективными отопительным оборудованием вместе с цифровыми системами управления – перспективная европейская тенденция, которая продолжает усиливать в условиях подорожание традиционных энергоносителей. Тепловой насос типа «воздух-вода» становятся все более популярные в Украине. Моноблочные модели воздушных тепловых насосов 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 тепловыми насосами. Все больше предлагается различных готовых комплексных решений, вырабатываемых на практике.

Схема практической реализации системы отопления с тепловым насосом для коттеджа в Киевской области (отапливаемая площадь 200 м2). Перспективный выбор воздушного теплового насоса для отопления и охлаждения. Ниже приведены некоторые общие термины, с которыми можно столкнутся в технической документации по воздушным тепловым насосам.

Хладагент - это жидкость, которая циркулирует через тепловой насос, попеременно поглощая, транспортируя и выделяя тепло. В зависимости от своего расположения во время работы системы, эта жидкость может быть жидкой, газообразной или смесью газ/пар.

Реверсивный клапан контролирует направление потока хладагента в тепловом насосе и изменяет тепловой насос с режима нагревания на режим охлаждения или наоборот.

Змеевик, катушка – это петля или петли из труб, в которых происходит теплообмен между источником/стоком тепла и хладагентом. Трубопроводы могут иметь ребра для увеличения площади поверхности для теплообмена.

Испаритель - это змеевик, в котором хладагент поглощает тепло из окружающей среды и закипает, превращаясь в низкотемпературную пару. Когда хладагент проходит от обратного клапана до компрессора, аккумулятор собирает лишнюю жидкость, которая испаряется в газ. Не все тепловые насосы имеют аккумулятор.

Компрессор («улитка») сжимает молекулы хладагента вместе, увеличивая температуру хладагента. Устройство помогает передавать тепловую энергию между источником и стоком.

Конденсатор - это змеевик, в котором хладагент отдает тепло окружающей среде и становится жидкостью. Расширительный устройство снижает давление, создаваемое компрессором. Это приводит к снижению температуры, и хладагент становится смесью пара/жидкости с низкой температурой.

Внешний блок – это место, где тепло передается в/из внешнего воздуха на тепловой насос воздушного источника. Этот блок обычно содержит катушку теплообменника, компрессор и расширительный клапан. Он выглядит и работает так же, как внешняя часть кондиционера и обычно имеет вентилятор.

Внутренний блок – это место, где тепло передается в/из воздуха в помещении некоторых типах тепловых насосов с источником воздуха. Как правило, внутренний блок содержит катушку теплообменника, а также может содержать дополнительный вентилятор для циркуляции нагретого или охлажденного воздуха к занимаемому пространству.

Пленум, или камера с приточным воздухом, можно увидеть только в воздушных установках, он является частью сети для распределения воздуха. Пленум - это воздушный отсек, который является частью системы распределения нагретого или охлажденного воздуха через дом. Как правило, это большой отсек непосредственно над теплообменником или вокруг него.