Эффективность теплового насоса

При выборе теплового насоса для отопления или устройства горячего водоснабжения важной характеристикой является его КПД. Эта величина зависит от различных факторов, среди которых температура прогрева, тип устройства, условия его работы.

Современное климатическое оборудование стоит достаточно дорого, то же самое можно сказать о его установке и наладке. Это означает, что тепловой насос должен эффективно экономить энергию, позволяя обеспечить полную автономность систем отопления и горячего водоснабжения без подключения газовых или электрических котлов.

Типы тепловых насосов

Все тепловые насосы работают по единому принципу – они берут тепловую энергию у одного тела и передают его другому. Именно по выбору среды, из которой отбирается тепло и различают основные типы насосов:

• Грунтовые или геотермальные.
• Воздушные.
• Водяные.

В качестве среды, передающей полезное тепло в помещения чаще всего, используется вода или воздух. Исходя из этого предлагается еще один тип классификации оборудования, указывающий на то, откуда и куда передается энергия:

• воздух-воздух или воздух-вода;
• вода-вода или вода-воздух;
• грунт-воздух или грунт-вода.

Принцип работы теплового насоса

Главная особенность теплового насоса сводится к тому, что он не производит энергию, которую генерируют котлы или другое классическое тепловое оборудование. Его задача отобрать тепло из одной среди и передать его другой. Именно поэтому КПД тепловых насосов выше 100 %, поскольку он выдает больше энергии, чем напрямую потребляют его узлы. То есть, затрачивая на работу 1 кВт электроэнергии можно получить существенно больше энергии, но уже в виде тепла.

Важно понимать, что закон сохранения энергии при этом не нарушается, поскольку тепловые насосы не являются замкнутыми системами. Они черпают энергию из внешней среды, перенося ее в другую. Современные производители используют оригинальные конструкции с собственными или заимствованными решениями, причем каждая марка оборудования имеет свои преимущества и недостатки.

Как КПД зависит от температуры

Согласно общепринятым нормам для обеспечения комфортной среды в помещениях и ГВС температура теплоносителя должна находиться в пределах 50-55 градусов Цельсия. Для теплого пола этот показатель несколько ниже и составляет 30-35 градусов Цельсия.

В холодное время года вода в системе имеет температуру около 5 градусов. Для ее нагрева потребуется определенный объем энергии, зависящий от конечной температуры, до которой нужно нагреть воду. Именно от разницы температур будет зависеть КПД насоса.

Согласно разработанным таблицам, можно определить КПД тепловых насосов при нагреве воды на 50 градусов. Чем выше температура теплоносителя, тем ниже КПД, поэтому чтобы нагреть воду на 30 градусов, показатель из таблицы нужно умножить на 1,5.

Тепловой насос типа грунт-воздух или грунт-вода

При реальных замерах КПД теплонасоса, отбирающего энергию из грунта, в зависимости от конструкции, составляет от 400 до 800 %. Еще более высоких показателей можно достигнуть, если поверхность грунта обогревается солнечными лучами, а на ней находиться геотермальное поле вместо глубоких скважин. КПД тепловых насосов, отбирающих энергию со скважин, зависит от дистанции между ними. При этом разница может составлять от 50 до 100 % от номинальных значений.

Главная особенность геотермального насоса является то, что он работает в стационарной среде. При неправильном расчете мощности, количества скважин, площади или глубины геотермального поля возникнут проблемы. Если земля будет промерзать, не успевая получить нужное количество энергии, КПД оборудования неизбежно упадет ниже 100 % и его эксплуатация станет нерентабельной. Важно понимать, что, отбирая тепло из грунта, теплонасос способствует его вымораживанию, это нужно учитывать в расчетах.

Тепловые насосы вода-воздух или вода-вода

Этот тип теплонасосов имеет средний КПД на уровне 400 %, при этом он напрямую зависит от температуры воды, из которой отбирается энергия. Зимой она может составлять 1 градус Цельсия и КПД не превышает 200 %, а летом, когда вода прогревается до 20 градусов, этот показатель может достигать 1000 %.

Но летом тепловые насосы практически не используются, поэтому такой высокий КПД это, как правило, формальность. Одна из особенностей конструкций вода-вода или вода-воздух, состоит в том, что любой водоем медленно прогревается и так же медленно остывает. Это означает, что осенью, когда вода накапливает тепло, КПД будет выше, чем весной, когда энергия постепенно рассеивается.

Эффективность теплового насоса воздух-вода или воздух-воздух

В данном оборудовании КПД напрямую зависит от температуры воздуха, из которого отбирается энергия. При этом лучшие производители разработали и внедрили оборудование, работающее при очень низких температурах внешнего воздуха. Сегодня предлагается конструкция, позволяющая отапливать бассейн, которая при температуре внешнего воздуха -15 градусов Цельсия выдает КПД равный 230 %. Бюджетные тепловые насосы выдают эффективный КПД начиная от температуры 5 градусов, при более низких температурах их применение нерентабельно.

Принципы работы насосов, отбирающих тепло из воздуха схожи с водяными теплонасосами. Это означает, что зависимость КПД от температуры внешней среды у них схожи, и их можно увидеть на специальном графике.

Эффективность теплонасосов в мороз

Часто говорят о том, что при понижении внешней температуры ниже 0 градусов, КПД любого теплового насоса скачкообразно падает. Это правда лишь от части, многое зависит от типа оборудования и среды, где отбирается тепло:

• Грунтовые насосы, работающие от скважин одинаково эффективны в любое время года.
• Водяные насосы снижают эффективность в конце зимы, начале весны при остывании воды в водоемах.
• Воздушные насосы эффективны при температурах выше 5 градусов, но предлагаются конструкции, предлагающие выигрыш даже при низких температурах, но он не превышают 230 %.

Реальный КПД оборудования

Давно известно, что производители сознательно завышают КПД своих тепловых насосов, при этом реальный показатель может быть до 1,5 раза ниже заявленного, хотя такое нечасто встречается. Это связано с тем, что, несмотря на общность принципов, применяемое оборудование может сильно отличаться. Предлагаются одно- или двухконтурные конструкции, разные компрессоры и теплоносители и т.д.

Прикладным показателем теплового насоса является его мощность, определяющее объем полезной энергии, которую передает носителю в единицу времени. В большинстве случаев, КПД более мощных моделей ненамного, но выше. Например, более мощный воздушный насос при низкой температуре воздуха выдает КПД 200 %, а менее мощный показывает только 150 %. В то же время, более мощное оборудование обойдется значительно дороже, что тоже необходимо учитывать при проектировании.