Теплонасосные установки (тепловые насосы) — альтернативное отопление дома

Тепловой насос (ТН) – тепловая машина для отопления / охлаждения помещения или нагрева воды. Принцип работы – перенос тепловой энергии от воздуха, воды или грунта к отопительной системе / водонагревателю (ГВС).

В роли теплоносителя выступает жидкость, циркулирующая по трубам ТН и передающая тепло радиаторам, конвекторам, фанкойлам, бакам для ГВС и другим отопительным приборам.

Достоинства ТН:

• экономия средств на отоплении и ГВС;
• экологичность;
• независимость от тепло-газо коммуникаций;
• компактные размеры;
• значительный моторесурс (20 лет до капитального ремонта);
• безопасность использования;
• многофункциональность (отопление и охлаждение).

Недостатки ТН:

• высокая цена техники, на окупаемость которой влияет интенсивность эксплуатации;
• сложность и дороговизна монтажа.

Важно: если в электросети часто случаются перепады напряжения или перебои с электричеством, то тепловой насос устанавливать не рекомендуется. Также не стоит приобретать оборудование в здании площадью до 100-120 м2. В этом случае затраты экономически нецелесообразны (чем больше площадь здания, тем дешевле получается тепловая энергия и меньше срок окупаемости насоса).

В силу принципов действия ТН не нагревает теплоноситель выше 70°С. Поэтому такое устройство эффективно лишь в хорошо утепленном помещении. При этом лучше подключать агрегат к низкотемпературным отопительным системам, например, теплому полу или теплым стенам (температура теплоносителя не превышает 35°С).

Использовать радиаторы при таком температурном графике (45/35) сложнее из-за повышенных габаритов. Чем меньше температура теплоносителя, тем больше длина батареи, чтобы выдать необходимую тепловую мощность. Установить такие радиаторы не всегда возможно.

Тепловой насос

Тип системы

Воздух-вода (воздушный, аэротермальный) – получает энергию из воздуха. Достоинства: простота монтажа, не требуется земельный участок, возможность установки на высоте. Недостатки: сравнительно низкая эффективность и моторесурс, сильная зависимость от температурных условий.

Воздушный насос используется в качестве дополнительного источника тепла (тепловой насос+теплый пол, тепловой насос+котел). Выбор в пользу этого оборудования делается и в случае, если нельзя установить грунтовой насос, либо цена бурения приближается к стоимости ТН.

Грунт-вода (грунтовой, геотермальный) – черпает энергию из грунта. Достоинства: высокая эффективность, независимость от температуры воздуха, долговечность. Недостатки: большая цена, сложность и дороговизна монтажа (насос закапывается в землю), невозможность установки на верхних этажах сооружений. Геотермальный насос используется как основной источник тепла.

Грунтовой насос представлен двумя разновидностями:

• вертикальный – укладывается на сравнительно небольшом участке, но требует больших затрат из-за высокой глубины бурения (40-200 м);
• горизонтальный – дешевле в монтаже за счет малой глубины бурения (1.5 м), но занимает намного больше места.

Участок с горизонтальным ТН не пригоден для сельскохозяйственных и ландшафтных работ. Вертикальная тепловая машина не испортит ландшафтный дизайн и потому оптимальна для благоустроенного участка. Подобный вариант используется и на тяжелом грунте.

Важно: вертикальный ТН выгодно отличается от горизонтальной модели полной невосприимчивостью к погодным условиям. В итоге температура теплоносителя на выходе из геотермальных скважин остается постоянной независимо от температуры окружающей среды.

Вода-вода (водяной, гидротермальный) – берет энергию из грунтовых вод или водоема. По характеристикам напоминает насос «грунт-вода», но менее надежен из-за дополнительного оборудования, например, погружного насоса или фильтров.

Воздух / грунт-вода – универсальный насос, черпающий энергию из воздуха или воды. Достоинства: простой монтаж, комфортная эксплуатация. Недостаток – высокая цена.

Как устроен тепловой насос

Тепловой насос переносит тепло одной среды в другую с помощью трёх взаимосвязанных тепловых контуров. В качестве первой среды используют атмосферный воздух, вода или грунт. В качестве второй — или теплоноситель, нагревающий радиаторы, или водяной тёплый пол, или воздух внутри помещения.

Типы тепловых насосов

• воздух — воздух (этот тип и используется в бытовых кондиционерах);
• вода — воздух;
• земля — воздух;
• воздух — вода;
• вода — вода;
• земля — вода.

Наибольшее распространение получили модели, в которых первой средой выступает воздух или земля, так как пригодные для использования водоёмы есть не везде. Второй средой является вода, из-за популярности водяного отопления.

По среде, выступающей в роли источника тепла, проложен контур из труб, по нему циркулирует теплоноситель. В процессе прохождения по нему теплоноситель приобретает такую же температуру, как и среда. Затем он поступает на теплообменник испарителя, где нагревает до кипения жидкий фреон, находящийся во вторичной системе. Газообразный фреон переходит в компрессор, где при сжатии происходит его сильный нагрев до 55–75 °С. Далее фреон попадает в конденсатор, где нагретый газ отдаёт тепло среде номер два, воздуху или жидкости-теплоносителю из системы отопления.

Визуализация: Игорь Смирягин/ Burda Media

Принципиальная схема теплового насоса: 1— источник тепла; 2 — низко-температурный первичный контур; 3 — испаритель; 4 — компрессор; 5 — конденсатор; 6 — третий контур (отопления).

Визуализация: Игорь Смирягин/ Burda Media

Варианты устройства первичного контура в грунте: вертикальное (скважинное) залегание, горизонтальное залегание.

• Отопление

  4 распространенные ошибки в обустройстве отопления в загородном доме

Назначение

Отопление – основная функция тепловых насосов. При этом не каждая модель способна дать необходимую тепловую мощность для полноценного отопления.

Охлаждение – предусмотрено в большинстве воздушных моделей. А вот многие грунтовые устройства не способны работать на охлаждение без дополнительной техники, которая приобретается отдельно. Вертикальные ТН обеспечивают лучшее охлаждение, чем горизонтальные тепловые машины.

Горячее водоснабжение (ГВС) – реализовано за счет встроенного водонагревателя или возможности подсоединения к внешнему бойлеру. Подобные насосы относятся к воздушному типу и встречаются редко.

Отопление и ГВС – сочетание двух режимов. Универсальный вариант.

Оборудование для теплового насоса

Выбор отопительного оборудования обычно начинается с определения его требуемой мощности. Производится тепловой расчёт помещения, подсчёт теплопотерь, учитывается нужное количество горячей воды для ГВС. Этот расчёт поручать лучше специалисту, чтобы избежать ошибок. Примерный порядок цифр выдают программы-калькуляторы на сайтах компаний-производителей.

Далее можно выбирать тип устройства с учётом участка. Если в вашем распоряжении имеется достаточно большой водоём (несколько сотен кубических метров), то, возможно, он подойдёт для размещения системы. Последний напоминает змеевик из гибких полимерных труб, его аккуратно укладывают на дно и закрепляют там грузом.

Воздушные теплообменники вполне годятся для ветреных южных регионов нашей страны или для бивалентных систем. Их можно размещать на удалении до 30 м от внутреннего блока. На деле их стремятся расположить как можно ближе к дому, так как длинные соединительные линии увеличивают потери и снижают полезную мощность. В идеале это глухая стена дома, подальше от окон спален.

Важный параметр — минимальная температура наружного воздуха в режиме нагрева. У специально адаптированных к морозам моделей она может составлять –25 °С.

Грунтовой коллектор может быть устроен несколькими способами. Например, в виде горизонтальной прокладки длинного (несколько сотен метров) трубопровода на плоскости с заглублением выше уровня промерзания (обычно 1,5–2,0 м). Трубопровод может быть уложен по периметру участка или змейкой, как трубопровод тёплого пола, но с гораздо большим шагом. Общая занимаемая площадь участка земли составляет несколько соток, причём возможности дополнительного использования этой земли существенно ограниченны. На ней не получится разводить огород или сажать деревья. Поэтому многие домовладельцы считают горизонтальную прокладку коллектора нерациональной и предпочитают вертикальную, в виде нескольких скважин, разнесённых друг от друга на 5–10 м. Или в виде одного «куста» скважин (скважины бурятся из одной точки на поверхности, но не вертикально, а под углом обычно не менее 30° по азимуту). Такой «вертикальный» подход позволяет сэкономить на площади, но удорожает строительство на 30-50 %.

В силу технических особенностей тепловой насос лучше применять для загородного дома, в котором вы живете долго. Максимальной эффективности они достигают в сочетании с системами «тёплый пол», которые при этом инерционны. Экономический эффект будет прямо пропорционален интенсивности использования. В отечественных условиях (Европейская часть России) наибольшее распространение получили варианты «рассол (земля) — вода» с вертикальными зондами. Они обес­печивают возможность полного покрытия нагрузок по отоплению и ГВС практически независимо от климатических условий.

Ariston

Тепловой насос со встроенным баком и аккумулятором.

Viessmann

Наружный блок воздушного теплообменника.

• Отопление

  Подбираем циркуляционный насос для системы отопления: обзор важных параметров и полезные советы

Тепловая мощность

Этот показатель характеризует эффективность теплового насоса. Чем мощнее ТН, тем больше тепла он способен извлечь из окружающей среды и передать в систему отопления или нагрева воды. В то же время возрастает цена и энергопотребление тепловой машины. Для оценки мощности используются два параметра – максимальная и при температуре 0°С.

Максимальная тепловая мощность – номинальная величина, которая указывается в расчете на идеальные условия, прежде всего, высокую температуру воздуха. Практика показывает, что фактическая мощность тепловой машины всегда ниже данного показателя

При 0°С – основной показатель мощности, позволяющий более точно оценить фактическую мощность теплового насоса.

При выборе теплового насоса по мощности учитывается площадь отапливаемого помещения, потребление горячей воды (зависит от количества проживающих людей), норма теплопотерь и другие параметры. Вычисление необходимой мощности выполняется специалистами по формулам.

Также указывается максимальная мощность охлаждения (для ТН с такой функцией). На эту характеристику влияет площадь помещения, теплоизоляции и другие факторы. Мощность охлаждения рассчитывается по специальным формулам.

Важно: одна и та же тепловая машина не в состоянии одинаково хорошо отапливать и охлаждать помещение, поскольку тепловая мощность устройства выше мощности охлаждения. Рекомендуется выбирать модель, которая отапливает всю площадь помещения, а охлаждает – только ее часть (не обязательно остужать воздух в коридорах или технических помещениях).

Для горячего водоснабжения

Все термонасосы могут не только отапливать помещение, но и круглый год подавать горячую воду. Но нужно учесть, что это оборудование является низкотемпературным, соответственно, температура воды в водонагревателе будет не более 40−50C. То есть объем бойлера обязан быть больше, чем во время эксплуатации обычной системы отопления. Поэтому может потребоваться жесткая экономия горячей воды в зимнее время.

Этот факт необходимо учесть при проектировании месторасположения и соответствующей площади для котельной. Также во время выбора бойлера нужно не забывать, что для этого потребуется специальное оборудование, которое рассчитано на работу с тепловыми насосными установками. Основное отличие этого бойлера от традиционного — большая площадь теплообменника, требующаяся для эффективной передачи тепловой энергии от термонасоса.

Коэффициент преобразования теплоты

Коэффициент преобразования теплоты (COP, КПТ) – цифра, выражающая соотношение между тепловой и потребляемой мощностью ТН. По этому параметру оценивается производительность тепловой машины.

КПТ показывает, сколько тепловой энергии перемещает устройство, затрачивая 1 кВт электроэнергии. Чем больше COP, тем эффективнее работает тепловой насос. Современные модели вырабатывают 4-5 кВт и более тепла на 1 кВт электричества (COP – 4-5).

Важно: на COP влияет температура окружающей среды и температура теплоносителя при выходе из ТН (температура подачи). С увеличением разницы между ними уменьшается коэффициент преобразования. Поэтому для более точной характеристики тепловой машины производители указывают КПТ для конкретных температур.

Не путайте КПТ и КПД (коэффициент полезного действия). В отличие от COP, КПД всегда меньше 1.

Питание

220 В – подключается к однофазной (бытовой) сети. Такое питание чаще всего используется в моделях потребляемой мощностью до 3.5 кВт.

380 В – подключается к трехфазной сети, которую обычно применяют в промышленности. Для бытовых нужд подобная линия прокладывается отдельно. На практике трехфазное питание экономичнее однофазного (при одной и той же мощности постоянно работающего ТН).

220 В+380 В – комбинированный вариант, позволяющий запитывать тепловую машину от однофазной или трехфазной сети.

Тип компрессора

Компрессор – основной компонент ТН, отвечающий за движение теплоносителя по контурам агрегата и транспортировку тепловой энергии из окружающей среды в помещение.

Типы компрессоров, которые применяются в тепловых насосах.

• Инверторный – малошумный, долговечный, потребляет сравнительно немного электроэнергии. Большинство воздушных ТН оснащено такими компрессорами.
• Спиральный – отличается низким уровнем шума и большим моторесурсом, но обойдется значительно дороже предыдущего варианта. Спиральные компрессоры применяются в грунтовых ТН и моделях «воздух-вода» средней мощности.
• Винтовой – характеризуется повышенной эффективностью и надежностью, но сильно шумит. Эти компрессоры встречаются только в мощных агрегатах с высоким энергопотреблением.

Принцип действия

Принцип действия теплонасосов простой. В основе работы находится способность хладагента поглощать или передавать тепло с учетом изменения своего агрегатного состояния. По сути, термонасосы практически не отличаются от холодильных установок.

Схематично теплонасос можно представить в виде системы, которая имеет три контура:

• В первом контуре расположен тепловой носитель, который переносит энергию от источника низкопотенциального тепла.
• В следующем циркулирует хладагент. Он может испаряться, забирая тепловую энергию из первого контура, или заново конденсироваться, передавая тепло третьему контуру.
• В последнем контуре циркулирует теплоприемник (обычно вода), который переносит тепло по батареям для отапливания дома.

То есть жидкий фреон поступает в испаритель, в котором преобразуется в газообразное состояние. Требуемая энергия для прохождения этого процесса забирается у теплового носителя, который циркулирует по первому контуру. Затем нагретый на 2−3 градуса газообразный фреон поступает в компрессор, основное предназначение которого — сжатие газа.

Давление газа увеличивается, причем он сильно нагревается (на входе температура может составлять 7−12C, а на выходе более 50C). Далее горячий газ переходит в конденсатор и передает тепло отопительной системе, переходя при этом в жидкое состояние. После лишнее давление сбрасывается спусковым клапаном, и цикл повторяется.

Комплектация и оснащение

Водонагреватель – позволяет нагревать и подавать воду в ГВС. Существует два способа применения водонагревателя в паре с ТН:

• встроенный водонагреватель – дает возможность пользоваться косвенным нагревом и ТЭНом;
• возможность подсоединения к внешнему водонагревателю – использует только принцип косвенного нагрева, что снижает его эффективность. Правда, ТН с внешним водонагревателем компактнее аналога со встроенным нагревателем воды. Также пользователь может выбирать место монтажа водонагревателя.

ТЭН – увеличивает тепловую мощность ТН, что полезно при очень низких температурах. Минус – большой расход электроэнергии.

Wi-Fi-модуль – предназначен для дистанционного управления ТН с помощью мобильного устройства, например, планшета или смартфона.

Подключение к системе «умный дом» – позволяет контролировать состояние системы отопления, регулировать температуру теплоносителя и воздуха в помещении.

Также в ТН предусматривается ЖК-дисплей (упрощает работу с устройством).

Режимы работы

Автоматический – ТН самостоятельно контролирует и поддерживает температуру в помещении на заданном уровне. Устройство автоматически регулирует температуру теплоносителя исходя из температуры окружающей среды (погодозависимый режим). Также тепловая машина может самостоятельно управлять радиаторами и теплыми полами.

Энергосберегающий – уменьшение температуры нагрева и расхода электроэнергии при отсутствии людей в помещении. Для реализации такого режима тепловой насос оснащается специальными датчиками.

Бивалентный – работа ТН в паре с другим источником тепловой энергии, например, котлом. Тепловая машина работает до определенного значения температуры (точки бивалентности), после которого включается другой теплогенератор. Если же температура воздуха повысится, то данный источник тепла выключится. По сравнению с моновалентным режимом (использование одного ТН) такой режим эффективнее, но дороже.

Важно: бивалентный режим позволяет приобрести устройство с меньшей тепловой мощностью. Специалисты рекомендуют выбирать технику, покрывающую 80% потребности в тепловой энергии на отопление и ГВС. Остальные 20% обеспечит дополнительный источник энергии.

Термическая дезинфекция – уничтожение микроорганизмов путем повышения температуры воды до 70°С.

Защита от замерзания – размораживает внешний блок ТН. Дает возможность использовать тепловую машину в условиях низкой температуры окружающей среды. Чаще всего такая опция встречается в моделях «воздух-вода».

Что дешевле для отопления: электричество, газ или тепловой насос

Приведем затраты на подключение каждого из типа отопления. Для представления общей картины возьмем Московскую область. В регионах цены могут отличаться, но соотношение цен останется прежним. В расчетах принимаем, что участок «голый» — без проведеного газа и электричества.

Затраты на подключение

Тепловой насос. Укладка горизонтального контура по ценам МО – 10 000 рублей за смену экскаватора с кубовым ковшом (выбирает до 1 000 м³ грунта за 8 часов). Система для дома в 100 м² будет закопана за 2 дня (справедливо для суглинка, на котором можно снять до 30 Вт тепловой энергии с 1 м.п. контура). Порядка 5 000 рублей потребуется для подготовки контура к работе. В итоге, горизонтальный вариант размещения первичного контура обойдётся в 25 000.

Скважина выйдет дороже (1 000 рублей за погонный метр, с учётом монтажа зондов, обвязки их в одну магистраль, заправкой теплоносителем и опрессовкой.), но значительно выгоднее для будущей эксплуатации. При меньшей занятой площади участка возрастает отдача (для скважины 50 м – минимум 50 Вт с метра). Покрываются потребности насоса, появляется дополнительный потенциал. Поэтому вся система будет работать не на износ, а с некоторым запасом мощности. Разместить 350 метров контура в вертикальных скважинах – 350 000 рублей.

Газовый котёл. В Московской области за подключение к газовой сети, работы на участке и монтаж котла «Мособлгаз» запрашивает от 260 000 рублей.

Электрический котел. Подключение трёхфазной сети обойдётся в 10 000 рублей: 550 – местным электросетям, остальное – на распределительный щит, счётчик и прочее наполнение.

Потребление

Для работы ТН с тепловой мощностью 9 кВт требуется 2.7 кВт/ч электроэнергии – 9 руб. 53 коп. в час,

Удельная теплота при сгорании 1 м³ газа – те же 9 кВт. Бытовой газ для МО выставлен по 5 руб. 14 коп. за куб.

Электрокотёл потребляет 9 кВт/ч = 31 руб. 77 коп. в час. Разница с ТН – почти в 3,5 раза.

Эксплуатация

• Если подведён газ, то наиболее рентабельный вариант для отопления – газовый котёл. Стоит оборудование (9 кВт) минимум 26 000 рублей, месячная оплата за газ (по 12 ч/сутки) составит 1 850 рублей.
• Мощное электрооборудование выгоднее с точки зрения организации трёхфазной сети и приобретения самого оборудования (котлы – от 10 000 рублей). Тёплый дом будет стоить 11 437 рублей за месяц.
• С учётом первоначальных вложений в альтернативное отопление (оборудование 275 000 и монтаж горизонтального контура 25 000), ТН, расходующий электричества на 3 430 руб/месяц, окупится не ранее чем через 3 года.

Сравнивая все варианты отопления, при условии создания системы «с нуля», становится очевидным: газ будет не намного выгоднее геотермального теплонасоса, а обогрев электричеством в перспективе 3 лет безнадёжно проигрывает обоим этим вариантам.

С подробными расчётами в пользу эксплуатации теплового насоса можно ознакомиться, просмотрев видео от производителя:

Некоторые дополнения и опыт эффективной эксплуатации освещены в этом ролике:

Хладагент

В ТН очень редко применяется фреон марки R22, который отличается низкой ценой и рабочим давлением, а также однородным составом (облегчает дозаправку системы при утечках). Недостаток – опасность для озонового слоя.

Менее токсичный хладагент марки R134A при аналогичной однородности более прихотлив к условиям эксплуатации, в частности, требует использования полиэфирных масел.

Хладагенты марок R407C и R410A – самые безопасные для окружающей среды. Но из-за высокого рабочего давления такие фреоны применяются в дорогой технике, да и сами обходятся недешево. R410A выгодно отличается от R407C однородностью состава. А вот R407C при утечке заменяется полностью.