Отопление дома тепловым насосом: виды, плюсы, минусы

• Устройство теплового насоса
• С какими системами отопления работает
• Источники тепла и требования к первичным контурам
• Перспективы
• Производители тепловых насосов
• Итоги

Тепловой насос — это далеко не новое изобретение. Первый рабочий вариант был изготовлен еще в 1855 году. Но из-за недостаточного развития технологий не получила широкого распространения вплоть 70-х годов 20 века. В это время идея экономичного и энергосберегающего отопления стала набирать популярности. В это время и стали востребованными тепловые насосы для отопления дома: при малых эксплуатационных расходах они могут полностью обеспечивать теплом для отопления и нагрева воды. 

Устройство теплового насоса

Чем же хороши эти агрегаты? Тем, что затратив 1 кВт электроэнергии, в самом плохом варианте вы получаете 1,5 кВт тепла. И чудес тут нет: электричество тратиться не на преобразование в тепловую энергию, а на работу агрегатов для переноса тепла.

В этом устройстве есть три отдельных контура:

• В первом (внешнем) циркулирует обычный теплоноситель (соляной раствор или антифриз). Он нагревается от наружных источников тепла (вне дома).
• Во втором (внутреннем) герметично запаяно вещество с очень низкой температурой кипения.
• И третий контур идет в отопительную систему.
  

  Устройство теплового насоса: это три контура с теплоносителями, компрессор и испаритель, сбросный клапан (кликните для увеличения размера)

Если говорить коротко, то принцип работы теплового насоса состоит в следующем. У объектов разной природы, имеющих зимой положительные температуры (грунт на глубине ниже уровня промерзания, вода, воздух в вентиляционных шахтах и т.п.), тепло отбирается. От этого тепла нагревается циркулирующий по замкнутому контуру хладагент. Нагревшись до температуры выше точки кипения, жидкость переходит в газообразное состояние. По трубе пар (с температурой уже выше 0oC) попадает в компрессор, где сжимается до высокого давления. При сжатии выделяется большое количество тепла и из компрессора выходит вещество, нагретое уже до приличных величин +35oC или даже +60oC. В другом устройстве — конденсаторе — большую часть своего тепла он передает теплоносителю, который подается на трубы отопления.

Достаточно привлекательный внешний вид , малый уровень шумов позволяет устанавливать оборудование в доме

Хладагент в значительной степени потерявший тепло, но еще находящийся в газообразном состоянии и под приличным давлением, движется дальше по внутреннему контуру. Попадает на спускной клапан, где давление падает, резко снижается температура, вещество снова становится жидкостью. И снова попадает в испаритель, начинает следующий цикл работы теплового насоса.

Вот и получается что электроэнергия уходит не на выработку тепла, а только на его перемещение. И потому затратив 1 кВт электроэнергии, от этого устройства можно получить 2-6 кВт тепла. Такой разброс коэффициента преобразования из-за особенностей использования: чем ниже температура первичного нагрева (от внешних источников), тем менее эффективно будет работать тепловой насос. Но работать он будет даже при -20oC.

С какими системами отопления работает

Чтобы эффективно использовать тепловой насос для отопления дома, иногда приходится переделывать систему отопления. ДЕло в том, что извлекаемая им энергия нагревает теплоноситель в контуре отопления до не очень высоких температур. Они редко превышают 50-55oC, а чаще бывают ниже. И это — определяющий фактор при выборе системы. Если предпочитаете радиаторную, то ее тщательно и внимательно нужно считать: обеспечит дом теплом подобная установка только при хорошей теплоизоляции. Причем радиаторов понадобится очень много (расчет количества секций радиаторов тут). Потому в этом случае лучше иметь резервный источник тепла. Идеален тепловой насос для отопления дома теплыми полами: он выдает ту температуру теплоносителя, которая рекомендована для водяного подогрева пола.

В чем недостаток теплового насоса? Как было сказано выше, его эффективность (и температура нагрева теплоносителя в контуре отопления) зависят от температуры нагрева в первичном контуре. Не все источники тепла могут давать стабильно одну и ту же степень нагрева. По факту этим могут похвалиться только некоторые геотермальные источники. В основном же они меняются в достаточно широких пределах. Это не самое удобное свойство. Но для нивелирования этого разброса ставят на входе в систему отопления теплоаккумулятор, который выравнивает скачки.

Тепловой насос с теплыми полами — идеальная совместимость

Второй недостаток — высокая стоимость. И это не только стоимость самого теплового насоса, хоть и она уже очень велика. Устройство внешнего контура тоже требует средств, и порой немалых. Чтобы понять конкретнее масштабы требующихся вложений, поговорим об источниках тепла и типах тепловых насосов для отопления дома, работающих с ними.

Чем ниже температура, до которой будет нагреваться теплоноситель в отопительном контуре, тем выше эффективность теплового насоса. При температуре не выше 35oC затратив 1 кВт электроэнергии, вы можете получить 5 кВт тепла. С повышением температуры эффективность снижается. Так что идеальная система для совместной работы — водяные полы. Для достаточной теплоотдачи необходимо будет сделать шаг укладки минимальным (но и позаботиться о хорошей теплоизоляции).

Источники тепла и требования к первичным контурам

Источником тепловой энергии для теплового насоса может быть любая среда, которая в зимнее время имеет температуру стабильно выше 1oC. Это может быть:

• Вода — речка, озеро, непромерзающий пруд, колодец, даже сточные воды и т.п. Тут все понятно: подо льдом температура воды всегда положительная. В воду погружают трубопровод. Его длина зависит от требуемой мощности: один метр трубопровода дает до 30 Вт тепла. Если для отопления дома необходимо 15 кВт, то в воду нужно погрузить 500 метров трубы. Ее можно укладывать кольцами или змейкой. Этот тип оборудования называется «тепловой насос вода-вода», если тепло отбивается от воды и передается жидкому теплоносителю в отопительной системе. И тепловой насос вода-воздух, если отобранное у воды тепло уходит на обогрев воздуха в помещении.
  
  
  

  Для отбора тепла у воды потребуется утопить большое количество труб

• Воздух. Теплые воздушные массы систем вентиляции, выхлопы каких-то агрегатов и др. Если использовать обычный водяной контур для нагрева теплоносителя и тепловой насос вода-вода, то в среднем коэффициент преобразования 1,5-2,2. Но есть специальные тепловые насосы воздух-воздух или воздух-вода, которые показывают гораздо более высокую эффективность за счет использования современных технологий. Тогда коэффициент преобразования может быть выше 4. Воздушные тепловые насосы распространены наиболее широко: нет нужды устанавливать большие контура, а источник тепла можно найти. По сути все кондиционеры, которые могут работать на обогрев, являются тепловыми насосами, но с небольшой эффективностью. Есть одно серьезное «но»: эти системы не могут функционировать при низких температурах. Где брать тепло, если уже глубокий минус? Только некоторые модели способны отбирать его при -20oC и то — не в самых больших количествах, а для большинства нижний предел -10°C.
• Породы на глубине более 20 м. Самый стабильный источник тепла. И зимой и летом температура почти одинакова. Вся сложность заключается в том, что приходится бурить скважины, а это далеко недешево. Вниз опускают U-образную трубку, заполненную теплоносителем. Один метр скважины может дать 50-60 Вт тепла. Потому для обеспечения такого же количества тепла 15 кВт потребуется 250-300 м скважин. Понятно, что одной скважиной тут не обойдешься, дешевле сделать несколько расположенных рядом с рассчитанной общей протяженностью. Система довольно эффективна, но срок окупаемости — не менее 10-15 лет, и это при хорошо утепленном доме. Эти насосы называют геотермальными — используется тепло земли.
  
  
  

  Способы устройства коллектора в грунте: вертикальный и горизонтальный

• Отбор тепла от грунта. Ниже уровня промерзания на 30-50 см температура практически всегда стабильно выше 0oC. На практике заглубление требуется на 1-2 метра в зависимости от региона. Трубопровод укладывают с расстоянием между витками 1-1,5 метра. Отбор зависит от типа грунта и влажности: во влажных грунтах с близко расположенными грунтовыми водами эффективность выше — 50-70 Вт/м, в сухих песчаных грунтах самая низкая 30-40 Вт/м. Так при укладке в «эффективный» грунт 15 кВт тепла можно получить с 250 м трубопровода. Для этого потребуется приличный участок земли. Для уменьшения занимаемой площади трубы могут укладывать кольцами. Несмотря на довольно высокую эффективность, такой способ используют редко: велики объемы земельных работ. И подземный трубопровод с большей вероятностью может быть поврежден, чем все остальные.

Источники трех последних групп хоть и являются разными средами, на самом деле получают тепло в немалой степени от земной коры. Потому устройство, работающие с ними, называют еще геотермальный тепловой насос.

Чтобы горизонтальный контур занимал меньшую площадь, трубы можно уложить кольцами

Несмотря на то, что в использовании тепловые насосы очень экономичны, они требуют больших средств на установку: от 300$ до 1000$ на один киловатт мощности. Срок их окупаемости 5-15 лет, при строке эксплуатации до капитального ремонта от 15 лет до 20 лет.

Для снижения расходов и уменьшения «стартовых» затрат систему делают комбинированной: часть тепла для отопления дома дает тепловой насос, а часть — какой-то другой источник тепла, хоть та же печка. Так расходы и на монтаж системы и на отопление минимизируются. Дело в том, что расчет потребности тепла берется исходя из самых низких температур в регионе. Но такое время — это одна, максимум полторы недели в отопительном сезоне. Для остального промежутка требуется намного меньшая мощность. Вот эту среднюю потребность и обеспечивает тепловой насос. То есть его мощность может составлять 50-70% от пиковой. А в самые холодные дни подключается резервный источник тепла. Разумное решение, которое экономит довольно приличную сумму.

Что еще приятно, что летом система может работать в режиме кондиционирования, отбирая тепло в помещении и отдавая его в первичный контур.

Перспективы

Само оборудование и установка теплового насоса очень недешевы. Но привлекательна идея. В Европе давно функционируют тысячи агрегатов. Для наших просторов это пока экзотика, но есть уже фирмы, которые могут не только рассчитать и смонтировать систему, есть даже производители тепловых насосов в России.

Тепловой насос воздух-воздух не требует устройства внешнего контура

Все дело в том, что системы требуют индивидуального расчета и выбора источника, протяженности трубопровода и подбора самого оборудования. Но есть две модификации, которые не так и много стоят. Это те, которые отбирают энергию у воздуха. Например, тепловой насос воздух-воздух часто можно встретить в кондиционерах, которые могут работать и на отопление. Они работают именно по этой технологии и потому такие агрегаты имеют более высокую стоимость по сравнению с теми, которые только охлаждают.

Тепловой насос воздух-вода работает по схожему с отопительными кондиционерами принципу, но для нагрева воды используется гидромодуль — устройство, в котором и происходит нагрев воды. Мощность этого типа оборудования можно подобрать с таким расчетом, чтобы оно работало не только на отопление, но и нагревало воду для бытовых нужд. Вот тут нужно считать: возможно, поставить отдельный бойлер будет дешевле.

Система воздух-вода: водяное отопление с обогревом от атмосферного тепла (кликните для увеличения размера)

Производители тепловых насосов

Это оборудование давно применяется в Европе, потому на рынке довольно большое количество «европейцев». Присутствуют и японцы, и корейцы, есть и вездесущие китайцы. С качеством все, как и в остальной технике: европейцы и японцы качественны, но дороги, корейцы, и по качеству и по цене чуть ниже. С китайской продукцией тоже как обычно: повезет, все работает отлично, не повезет — будете покупать новый насос.

Примеры хорошо зарекомендовавших себя фирм:

• Шведские . Есть оборудование, работающее от любого геотермального источника (грунт, горные породы, вода), а также агрегаты воздух-вода. Эти системы дешевыми не назовешь, но срок эксплуатации — 20 лет, стабильная репутация и хорошие отзывы.
  
  
  

  На рынке много европейских производителей. Для них экономия на отоплении из-за высоких цен очень актуальна, а тепловые насосы окупаются у них за несколько лет

• Тепловые насосы Viessmann — продукт европейского концерна, который почти столетие занимается разработкой и производством отопительного и климатического оборудования. В нашей стране представлены модели вода-вода и рассол-вода. Большая часть оборудования по максимуму может нагреть теплоноситель внешнего контура до 45oC, 55oC или до 60oC. Одна линейка выдает 65oC. Как и отопительные котлы, тепловые насосы Viessmann имеют отличную репутацию: надежны, не требуют внимания и обслуживания.
• Немецкие тепловые насосы Stiebel Eltron типа воздух-вода работают при температуре до -20oC, некоторые модели, работающие на соляном растворе, могут обеспечивать также нагрев воды для хозяйственных нужд, и работать на охлаждение летом. Некоторые — только отопление. Есть модульные модификации, пригодные для больших площадей. Они собираются в группу до шести штук.
• Известная японская кампания Mitsubishi Electric в 2007 году запустила в производство тепловые насосы Z В этой линейке есть бытовые модели, полупромышленные и промышленные агрегаты. Некоторые дают возможность сделать мультизональное разделение, которое позволяет управлять температурой в каждом обслуживаемом помещении. Есть линейка тепловых насосов воздух – вода Mitsubishi Heavy, которые работать могут и на обогрев и на охлаждение.

Присутствуют на рынке и тепловые насосы российского производства. Цены и качество — между европейскими и китайскими агрегатами. Например, тепловые насосы «Henk system». С качеством оборудования, судя по отзывам, все нормально, но проблема, как обычно у нас, в грамотном расчете, а особенно в монтаже. Если с воздушными системами проблемы бывают нечасто, то об установках геотермального типа этого не скажешь: нормальные партнеры у этого предприятия есть не во всех регионах.

Henk выпускает много разных агрегатов, разной производительности и типа. Всего 82 модели. Есть линейка для низкотемпературных систем водяного пола, есть для высокотемпературных — с радиаторами. Тип подключения — однофазный и трехфазный, с теплообменниками для подогрева воды бытового назначения. Собственно, выбрать есть из чего.

Итоги

Современные тепловые насосы — это высокоэффективные устройства, которые легко обеспечивают 3-4 кВт тепла на один затраченный киловатт электроэнергии. Но стоимость самого оборудования и устройства первичного контура не многим по карману. Если же говорить о моделях воздух-воздух или воздух-вода, то хорошую эффективность они показывают при плюсовых температурах, с падением температуры их производительность сильно снижается (хотя последние линейки могут работать и до -40oC). Технология, несомненно, очень интересная и перспективная, но пока доступна немногим.

Возможно, вам интересна будет статья «Солнечное отопление: насколько эффективно?»