Тепловий насос для опалення приватного будинку

Оскільки для повітряних теплових насосів джерелом тепла являється зовнішнє атмосферне повітря, тобто з зміною його температури міняються умови роботи теплового насоса. При дуже низькій температурі зовнішнього повітря, опалення та приготування ГВП від теплового насоса стає нераціональним – кількості тепла в об'ємі первинного теплоносія (повітря), що перекачується, недостатньо.

Теж саме відбувається і для високих температур зовнішнього повітря при роботі теплового насоса в режимі охолодження – порція тепла, яка видаляється перекачкою через зовнішній теплообмінник, виявляється дуже малою. Тому є обґрунтований діапазон температури навколишнього повітря та температури вторинного теплоносія (води) як для обігріву, так і для охолодження, розрахований для кожної окремої моделі теплового насоса.

Наприклад, на малюнку приведені графіки для повітряних моноблочних теплових насосів. Перша цифра означає температуру зовнішнього повітря, друга температуру теплоносія в контурі опалення або охолодження. Експлуатувати тепловий насос потрібно всередині вказаних температурних областей.

Експлуатаційна границі застосування повітряних моноблочних теплових насосів в режимі опалення, ГВП та для охолодження приміщень.

Якщо замінити в якості опалювального обладнання тільки тепловий насос, тоді при низьких температурах потрібно буде використовувати тепловий насос з надлишковим запасом потужності. Це нераціонально в ціні самого пристрою та витрат на енергію для роботи теплового насосу. Тому в нашій кліматичній зоні де бувають періоди в році з температурою нижче -15°С та -20°С, рекомендується тепловий насос поєднувати з іншими джерелами тепла, наприклад:

Твердопаливним котлом, електричним або газовим котлом. Це так звана «бівалентна схема» опалення, при якій основне навантаження несе тепловий насос, а пікові навантаження покриваються допоміжними джерелами тепла, які споживають інший енергоносій.

Практичні схема «бівалентної» роботи теплового насоса з котлами вже відпрацьовані, багаторічний досвід підтверджується економічністю такого підходу. Сучасна автоматика регулює спільну роботу опалювальних пристроїв так, щоб в кожний момент отримувати максимальну кількість енергії з навколишнього середовища від теплового насоса при мінімумі витрати на закупну енергію. При цьому враховуються також добові особливості тарифів на електроенергію (двохзонна та багато-зонна тарифікація).

На малюнку пред’явлені схеми реалізації комбінації теплового насоса з додатковим опалювальним обладнанням: газовим котлом електричним котлом, притому комбінована схема дає можливість догрівати теплоносій до високої температури, необхідної до роботи радіаторного опалення. Рекомендується для модернізація діючих нагрівальних інсталяцій з газовим котлом і роздільними контурами для опалення та ГВП.

Якщо вже використовується низькотемпературна система опалення наприклад «тепла підлога» тоді великого нагріву не потребується та допоміжний котел включається рідко, тільки для покриття пікового теплового навантаження для опалення і для періодичного нагріву води для гарячого водопостачання до високої температури для видалення легіонелли в баку ГВП. Схема з «теплою підлогою» дає можливість також реалізувати на тепловий насос режим літнього охолодження приміщень.

Бівалентний режим роботи повітряного теплового насоса з газовим котлом та радіаторним опаленням, повітряний тепловий насос разом з електричним котлом та теплою підлогою.

Пристрій повітряного моноблочного теплового насоса можна зрозуміти на прикладі схеми з функцією «активний холод», тобто, здатного крім опалення зимою, використовуватись для охолодження літом. Моноблочний тепловий насос з всіма технічними засобами в внутрішньому блоці складається з теплового насосу, який встановлюється а відкритому повітрі: модуля управління, регулятора системи. На малюнку показані два режими роботи реверсивного теплового насоса, опалення (вгорі) та охолодження (внизу). Стрілками показано направлення потоків теплоносія до кожного режиму.

Схема повітряно-водяного моноблочного реверсивного теплового насоса.

Вигідна особливість моноблочного теплового насоса – немає необхідності «тягнути» в дім без блоку, розташованого зовні будинку, трубки з холодоагентом. Це суттєво спрощує монтаж та підвищує надійність системи – в будинок заводяться тільки теплоізоляційні труби системи опалення. Важливо правильно встановити зовнішній блок відносно стін самого будинку – це зменшить рівень шуму. Тим не менше, сучасні теплові насоси при роботі відрізняються дуже низьким рівнем шуму. Наприклад, завдяки технічним інноваціям сучасні теплові насоси обладнанні низьким рівнем шуму всього 35дБ на відстані 3 метри.

Попри те, що тепловий насос «повітря-вода» володіє меншим показником COP, ніж тепловий насос «грунт-вода» та «вода-вода», застосування саме «повітряних» теплових насосів розширюється особливо швидко. Не всюди можна встановити грунтові або водяні теплові насоси, особливо в містах та населених пунктах, де немає ніяких можливостей встановлювати підземні теплообмінники для водяних систем. Монтаж повітряних теплових насосів не викликає трудностей, особливо можна моноблочного типу.

Розглянемо особливості системи опалення та гарячого водопостачання для котеджу на одну сім’ю з моноблочним тепловим насосом «повітря-вода» з функцією «активний холод». Площа опалення 200 м2, мінімальна температура зовнішнього повітря -22°С, розрахункова потужність опалювальної системи 14 кВт. Тут застосовується як радіаторне опалення так і система «водяної теплої підлоги», яку літом використовують також для охолодження.

Розрахунки потужності враховують середньомісячні температурні графіки. Контур ГВП розділений з опалювальним контуром, компактним буферний баком, а завдяки теплообміннику для теплового насоса, можна гідравлічно ізолювати тепловий насос та захистити його від замерзання.

Антифриз використовується тільки в контурі циркуляції теплоносія в самому тепловому насосі, який не змішується з водою. Бівалентний ємнісний нагрівач для ГВП має два вбудованих незалежних теплообмінника для контуру теплового насосу і додаткового джерел тепла. Завдяки такій функції ГВП можна нагрівати до більш високої температури для обеззараження (видалення легіонелл).

Температура бівалентності теплового насоса складає мінус 6,4°С, тобто починаючи з -7°С, автоматика модулю управління тепловим насосом, він увімкне тепловий насос і почне ним керувати згідно діючої робочої системи. Погодозалежний регулятор з функцією управління каскадом опалювального обладнання може керувати разом з декількома тепловими насосами, електричними котлами або для підключення інших джерел енергії (наприклад, сонячних колекторів).

Використання повітряних теплових насосів разом з іншими пристроями та високоефективними опалювальним обладнанням разом з цифровими системами управління – перспективна європейська тенденція, яка продовжує посилювати в умовах подорожання традиційних енергоносіїв. Тепловий насос типу «повітря-вода» стають все більш популярні в Україні. Моноблочні моделі повітряних теплових насосів при цьому мають ряд переваг як при монтажі так і під час експлуатації.

Компанії, які представляють виробників обладнання, накопичують все більший досвід проектування та практичної реалізації об’єктів з повітряними тепловими насосами. Все більше пропонується різних готових комплексних рішень, виробовуваних на практиці.

Схема практичної реалізації системи опалення з тепловим насосом для котеджу в Київській області (опалювальна площа 200 м2). Перспективний вибір повітряного теплового насоса для опалення та охолодження. Нижче приведені деякі загальні терміни, з якими можна зіткнуться в технічній документації по повітряним тепловим насосам.

Холодоагент - це рідина, яка циркулює через тепловий насос, поперемінно поглинаючи, транспортуючи та виділяючи тепло. Залежно від свого розташування під час роботи системи, ця рідина може бути рідкою, газоподібною або сумішшю газ/пар.

Реверсивний клапан контролює напрямок потоку холодоагенту в тепловому насосі та змінює тепловий насос з режиму нагрівання на режим охолодження або навпаки.

Змійовик, котушка – це петля або петлі з труб, в яких відбувається теплообмін між джерелом/стоком тепла та холодоагентом. Трубопроводи можуть мати ребра для збільшення площі поверхні для теплообміну.

Випарник - це змійовик, в якому холодоагент поглинає тепло з навколишнього середовища і закипає, перетворюючись на низькотемпературну пару. Коли холодоагент проходить від зворотного клапана до компресора, акумулятор збирає зайву рідину, яка випаровується в газ. Не всі теплові насоси мають акумулятор.

Компресор («равлик») стискає молекули холодоагенту разом, збільшуючи температуру холодоагенту. Пристрій допомагає передавати теплову енергію між джерелом та стоком.

Конденсатор - це змійовик, в якому холодоагент віддає тепло навколишньому середовищу і стає рідиною. Розширювальний пристрій знижує тиск, що створюється компресором. Це призводить до зниження температури, і холодоагент стає сумішшю пари/рідини з низькою температурою.

Зовнішній блок – це місце, де тепло передається в/із зовнішнього повітря на тепловий насос з повітряного джерела. Цей блок зазвичай містить котушку теплообмінника, компресор та розширювальний клапан. Він виглядає та працює так само, як зовнішня частина кондиціонера і зазвичай має вентилятор.

Внутрішній блок – це місце, де тепло передається в/з повітря в приміщенні деяких типах теплових насосів з джерелом повітря. Як правило, внутрішній блок містить котушку теплообмінника, а також може містити додатковий вентилятор для циркуляції нагрітого або охолодженого повітря до займаного простору.

Пленум, або камера з припливним повітрям, можна побачити лише у повітряних установках, він є частиною мережі для розподілу повітря. Пленум – це повітряний відсік, який є частиною системи розподілу нагрітого чи охолодженого повітря через будинок. Як правило, це великий відсік безпосередньо над теплообмінником або довкола нього.