Тепловые насосы для отопления коттеджа: принцип работы, преимущества, опыт использования

Как обеспечить отопление частного дома с минимальными затратами в отсутствие магистрального газа? Одним из наиболее эффективных решений является тепловой насос.

Сегодня мы выясним, что это такое, как работают тепловые насосы разных типов, за счет чего они обеспечивают экономию и какие специфические особенности имеет система отопления с тепловым насосом.

Немного экономики

Как известно, разные источники тепловой энергии для отопления заметно различаются по стоимости киловатт-часа тепла.

Вот ориентировочные цены:

• Природный газ с подачей из магистрали газоснабжения — 0,7 рубля;
• Сухие дрова — 1,3 рубля;
• Пеллеты — 1,5 рубля;
• Каменный уголь — 1,6 рубля;
• Природный газ с подачей из газгольдера — 2,4 рубля;

• Пропан-бутан в баллонах — 3 рубля;
• Дизтопливо — 3,4 рубля;
• Электроэнергия замыкает таблицу рейтинга: киловатт-час стоит от 3,5 до 5,5 рублей в зависимости от местных тарифов.

Капитан Очевидность подсказывает: местные цены на прочие энергоносители тоже могут заметно отличаться от приведенных выше. Скажем, тонна пеллет (гранулированных опилок), которая  стоит около 7000 рублей в Москве, в Севастополе, где живет автор статьи, обойдется уже в 11- 15 тысяч.

Автономность отопительной системы

Однако при оценке той или иной схемы обогрева жилья экономичность — не единственный критерий. Не менее важна автономность оборудования, то есть способность поддерживать заданный температурный режим без участия владельца. И по этому параметру наша таблица рейтинга выглядит совсем иначе.

1. Лидирует электрическое отопление. И современные электрокотлы, и системы распределенного обогрева (электрические теплые полы, конвекторы, электрорадиаторы и т.д.) способны работать без обслуживания неограниченно долго. Их текущая мощность может гибко подстраиваться под текущую потребность в тепле благодаря работе термостатов;

2. Газовые котлы и конвекторы проигрывают электрическому оборудованию по удобству использования весьма незначительно: они требуют отвода продуктов сгорания, что предполагает монтаж вблизи дымохода или внешней стены дома. Кроме того, газовое оборудование с питанием от газгольдера или баллонов нуждается в периодическом пополнении запаса топлива;
3. Дизельный котел работает автономно вплоть до исчерпания запаса солярки. В его недостатки стоит записать громкий шум горелки, необходимость хранения большого объема дизтоплива и его специфический запах;

4. Автоматические угольные и пеллетные котлы благодаря подаче сыпучего топлива из бункера обладают автономностью до 7-10 дней;
5. Твердотопливные котлы верхнего горения снижают планку до 24-36 часов;
6. Пиролизные котлы с традиционной загрузкой топлива работают на одной его закладке до 12 часов;
7. Наконец, традиционные твердотопливники нужно растапливать раз в 4-6 часов.

Впрочем: периодичность растопок можно заметно увеличить, включив в схему отопления теплоаккумулятор — теплоизолированный водяной бак значительного объема.

Итак, электричество с точки зрения удобства использования отопительной системы было бы идеальным, если бы не высокая стоимость киловатт-часа тепла. Можно ли ее снизить?

Весь в белом и на белом коне

Все электрические нагревательные приборы работают по принципу прямого нагрева: движение заряженных частиц вызывает нагрев проводника (нагревательной спирали, ферромагнитного сердечника индукционного котла или воды в электродном котле). КПД любого прибора прямого нагрева равен 100% просто-напросто в силу закона сохранения энергии: котел не совершает физической работы и не преобразует электричество в свет или гамма-лучи.

Тепловой насос позволяет получить 2,5-7 киловатт тепла на каждый киловатт потребляемой электрической мощности. В результате, лучшие представители семейства обходят по экономичности твердотопливные котлы, и вплотную приближаются к работающим на магистральном газе.

Но позвольте, разве КПД выше 100% возможен? Нет, но здесь отсутствует какое-либо противоречие.

Дело в том, что тепловые насосы не вырабатывают тепловую энергию, а транспортируют ее (что, собственно, отражено в названии этого класса приборов). Благодаря особой схеме фазовых переходов теплоносителя (хладагента), насос может отбирать энергию у среды с низкой температурой, и отдавать ее воде или воздуху в отапливаемом помещении, нагретым до более высоких температур.

История

Концепция, которая легла в основу устройства теплового насоса, была разработана в середине 19-го века британцем Вильямом Томсоном (гораздо более известным как лорд Кельвин). Первый прототип устройства был построен в 1855 году австрийцем Петером фон Риттингером.

Кроме того: первый холодильник-рефрижератор, использующий тот же компрессионный цикл, был предъявлен публике в 1850-м году американским врачом Джоном Гори.

Долгое время прототипы тепловых насосов использовались исключительно для производства искусственного льда и для хранения продуктов. Однако в 40-х годах прошлого века произошла случайность, в значительной степени повлиявшая на дальнейшую историю систем отопления и водоснабжения: некто Роберт Вебер случайно прикоснулся к трубкам на выходе морозильной камеры. Полученный ожог заставил его задуматься о том, как можно утилизировать бесполезно рассеиваемое в воздухе тепло.

Первая конструкция Вебера обеспечила всю его семью горячей водой. Однако ее производительность оказалось избыточной для нужд водоснабжения, и прототип был доработан: нагретая вода стала циркулировать по змеевику, тепло от которого разгонялось вентилятором по дому.

Несколькими годами позже теплообменник, ранее охлаждавший морозильную камеру, переместился в грунт, температура которого менялась в течение года весьма незначительно.

Так родился первый полноценный геотермальный тепловой насос.

Устройство

Работу теплового насоса, холодильника и кондиционера обеспечивает один и тот же компрессионный цикл:

• Газообразный хладагент сжимается компрессором. При росте давления (физика, однако!) газ нагревается до высоких температур;
• Далее хладагент проходит внутренний теплообменник и отдает избыток тепла воде, антифризу или воздуху в отапливаемом помещении. При охлаждении он конденсируется и далее продолжает путешествие по магистралям в качестве жидкости;
• Следующим на его пути встречается расширительный клапан. Резкое падение давления охлажденной жидкости приводит к дальнейшему (и весьма ощутимому) снижению ее температуры;
• Во внешнем теплообменнике холодная жидкость отбирает тепло у более теплой внешней среды и, нагреваясь, испаряется;
• Поступающий к компрессору газ сжимается — и цикл повторяется.

Отношение количества транспортируемой хладагентом тепловой энергии к количеству электроэнергии, затраченной на работу компрессора, называется C.O.P. (coefficient of performance) и является основной характеристикой теплового насоса. Максимальные значения COP у современных устройств достигают 6,5-7.

Полезно: если COP не указан в документации к ТН в явном виде, его можно рассчитать как результат деления номинальной или максимальной  производительности по теплу на номинальную или максимальную электрическую мощность.

Преимущества

Экономичность на фоне прочих источников тепла (за исключением котлов на магистральном газе, с которыми могут конкурировать лишь лучшие представители семейства) — самое очевидное достоинство тепловых насосов. Но не единственное.

• В отличие от традиционных электрических нагревательных приборов, они создают небольшую нагрузку на проводку. Если на ваш дом выделен небольшой лимит мощности — не проблема: для отопления коттеджа площадью 100 м2 достаточно 3-4 кВт;
• Устройства полностью совместимы с внешними термостатами и могут поддерживать заданную температуру воздуха в полностью автоматическом режиме;
• При этом возможна настройка суточных и недельных температурных циклов. Например, температура в доме может снижаться до безопасного минимума ночью или в рабочее время, что опять-таки означает экономию электроэнергии;

• В летнее время ТН может использоваться для кондиционирования воздуха. Для этого нужно лишь инвертировать направление циркуляции хладагента.

Общие особенности

COP теплового насоса зависит от дельты температур между его теплообменниками. Чем теплее среда, у которой ТН отбирает тепло, тем меньше счета за свет.

Снижения расходов можно добиться и другим способом — понизив температуру внутреннего теплообменника.

Именно поэтому с тепловыми насосами используются низкотемпературные системы водяного отопления. В приоритете — водяной теплый пол; если в проект заложено конвекционное отопление, то количество радиаторов увеличивается вдвое относительно расчетного для стандартных условий (читай — температуры теплоносителя 90°С).

Обратите внимание: теплый пол обеспечивает дополнительную экономию за счет более рационального распределения температуры воздуха в отапливаемом помещении и, как следствие, снижения теплопотерь через перекрытие и стены.

Разновидности

Тепловые насосы могут отдавать тепловую энергию теплоносителю системы отопления или воздуху в отапливаемом помещении.

В качестве низкопотенциального источника тепла могут использоваться:

• Окружающий воздух. Из-за технологических ограничений, связанных с температурой фазовых переходов существующих хладагентов, минимальная рабочая температура лучших ТН “воздух-воздух” или “воздух-вода” (то есть отдающих тепло воздуху в помещении или теплоносителю отопительной системы), не может опускаться ниже -25°С.

На заметку: По мере снижения уличной температуры, растут теплопотери здания, и падает COP теплового насоса – поэтому воздушные ТН применяются в основном в теплых регионах.

Обратите внимание: наиболее доступное решение — воздушные тепловые насосы-моноблоки, подключающиеся непосредственно к контуру отопления. Они могут использовать как инверторные (снижающие мощность по мере уменьшения тепловой нагрузки), так и “старт-стоп” компрессоры.

• Вода из незамерзающего водоема или грунтовые воды. В последнем случае, на небольшом расстоянии друг от друга бурятся две скважины: первая служит источником воды, вторая выполняет функцию дренажа;

• Грунт. Грунтовый теплообменник ТН может быть вертикальным (погруженным в скважины глубиной 20-100 метров) и горизонтальным (уложенным в траншеи или котлован на глубину, превышающую глубину промерзания грунта). Это решение обеспечивает наиболее высокое среднегодичное значение COP, и абсолютно независимо от климатических условий – но обходится заметно дороже альтернатив из-за большого объема земляных или буровых работ.

Личный опыт

С теорией покончено. Однако теоретических обоснований эффективности тепловых насосов в интернете много  и без нас. Читателю наверняка интересен, прежде всего, личный опыт отопления коттеджа с помощью ТН.

В смежных домах, принадлежащих автору и его близким родственникам, реализованы две схемы отопления с тепловыми насосами, работающими по схеме “воздух-воздух” и “воздух-вода”.

Важный момент: место действия — Севастополь, Крым. Средняя температура января — +3°С; минимальная температура за пять лет, которые автор прожил в Крыму — -21°С. Столь теплый по российским меркам климат и склонил к выбору воздушных ТН.

Воздух-воздух

Обогрев дома автора реализован путем установки во всех отапливаемых помещениях… обычных инверторных кондиционеров. Да-да, они, как и любые другие кондиционеры,  представляют собой частный случай ТН.

Более того: модель Cooper@Hunter CH-S12FTXN, отвечающая за обогрев мансарды в доме автора, позиционируется производителем именно как бытовой тепловой насос.

• Суммарные расходы: примерно 130 тысяч рублей (покупка и монтаж пяти сплит-систем).
• Отапливаемая площадь: 155 квадратных метров.
• Суммарная номинальная тепловая мощность при работе на обогрев: 15 кВт.
• Среднее энергопотребление в отопительный сезон: 600-1200 кВт·ч в месяц в зависимости от температуры на улице.
• Температура в доме: 19-22 °С в зависимости от функций помещения. Минимальная температура поддерживается в спальне, максимальная — в гостиной. Регулировка климата во всех комнатах — независимая, с пульта кондиционера.

Важный момент: при использовании кондиционеров на обогрев важно обеспечить равномерное распределение температуры в объеме помещения. Для этого внутренний блок сплит-системы устанавливается на небольшой высоте, а его жалюзи направляют поток теплого воздуха вниз.

Воздух-вода

В соседнем доме для обогрева и приготовления горячей воды используются два воздушных ТН “воздух-вода” производства DanHeat с максимальной производительностью по теплу 9,2 кВт. Система отопления — внутрипольная, коллекторная (водяной теплый пол в стяжке).

Для хранения нагретой воды и в качестве буферной емкости для отопления используется 300-литровый теплоаккумулятор.

Быстрый нагрев помещений зимой и их кондиционирование летом обеспечивают установленные в каждой комнате фанкойлы.

Суммарные расходы (два ТН с обвязкой, теплоаккумулятор, укладка водяного пола и стяжки, монтаж фанкойлов) — приблизительно 1 млн. 300 тыс. рублей.

Любопытно: к общему отопительному контуру подключен теплообменник камина. Вырабатываемое им тепло утилизируется для работы теплого пола.

Рабочая температура теплоносителя: 23-40 °С.

• Отапливаемая площадь: 280 м2.
• Среднемесячное энергопотребление: 2500-4000 кВт·ч в зависимости от уличной температуры и потребления горячей воды (напомним, ТН работают на отопление и ГВС).
• Температура в доме: 20-24°С (минимальная температура установлена в холле и на лестнице, максимальная — в гостиной). Раздельная регулировка температуры отдельных контуров теплого пола осуществляется из коллекторного шкафа; с панели управления ТН задается лишь температура теплоносителя.

Заключение

Надеемся, что нам удалось успешно познакомить читателя с самым интересным и, пожалуй,  перспективным видом отопления.  Узнать больше о работе тепловых насосов вам поможет прикрепленное к статье видео. Успехов!