Поиск товараНеобычное название этого устройства в нашей стране пока не на слуху, хотя его не назовешь недавним изобретением. У теплового насоса почти двухсотлетняя история и полувековой стаж активной эксплуатации. Новый взрыв интереса вызван бурным ростом цен на энергоносители и ужесточением экологического законодательства.
Разброс по возможностям у техники довольно велик, среди представленных на рынке моделей найдется оборудование и для индивидуального жилого дома, и для населенного пункта или промышленного предприятия. Основным условием для реализации проектов с использованием этих устройств является экономическая эффективность.
Зачем нужен тепловой насос
Из уроков физики и житейской практики нам известно, что более нагретые тела отдают тепло менее нагретым, пока их температура не сравняется. Однако это не говорит о том, что в отдающем теле больше тепловой энергии. Мировой океан – гигантский тепловой резервуар, но, если мы сунем в него раскаленный металлический стержень, произойдет передача тепла от стержня к океану, а не наоборот.
Функция теплового насоса как раз и состоит в том, чтобы собрать эту рассеянную энергию и заставить течь процесс в обратном направлении. На бытовом уровне это можно пояснить на примере холодильника, который и является по существу тепловым насосом. В нем происходит постоянная перекачка тепла из холодной внутренней камеры с продуктами в более теплую внешнюю среду. Теплообмен совершается через решетку-радиатор на задней стенке, что можно почувствовать при ее касании.
Английский физик Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин, установил, что тепловая энергия сохраняется в телах до температуры −273.15 °C (точка абсолютного нуля). Поэтому вокруг нас в природе в изобилии имеются неисчерпаемые и, главное, бесплатные источники тепла. Это грунт, вода в реках, водоемах и под землей, окружающий воздух. К ним можно присовокупить рукотворные тепловые ресурсы – хозяйственно-бытовые стоки, отработанное тепло производственных предприятий, нагретый воздух из вентиляции.
На примере того же холодильника мы видим, что тепловой насос способен не только принимать тепло от внешней среды, но и, наоборот, скидывать в нее излишки. Таким образом, помимо отопления, горячего водоснабжения или обогрева технологического оборудования на производстве это устройство может использоваться еще и для кондиционирования.
Как устроена техника
Наибольшее распространение получили парокомпрессионные тепловые насосы, практически все оборудование для эксплуатации в быту представлено именно такими установками. В основе их устройства лежит замкнутый контур, по которому циркулирует хладагент – жидкость с очень низкой температурой кипения. Именно в этом свойстве хладагента и кроется секрет высокой эффективности техники.
Основные узлы и схема работы парокомпрессионного теплового насоса:
- Испаритель. Здесь жидкий хладагент поглощает тепло от внешнего источника и под нагревом преобразуется в холодный пар низкого давления. Передача тепла от источника происходит при непосредственном контакте или через промежуточный коллектор с теплоносителем.
- Компрессор. Поступивший сюда пар сжимается, в результате по закону Менделеева—Клапейрона давление и температура хладагента растет. Энергия, приводящая в действие компрессор, также превращается в дополнительное тепло, которое поглощается хладагентом.
- Конденсатор. Тут нагретый пар отдает тепловую энергию, полученную при испарении и сжатии, теплоприемнику. Вследствие отдачи тепла хладагент конденсируется, то есть снова становится жидким.
- Расширительный клапан (дроссель). При прохождении через дроссель высокое давление снижается, и температура падает. Хладагент возвращается в испаритель в первоначальном состоянии, далее цикл повторяется.
Основной характеристикой теплового насоса считается коэффициент преобразования теплоты ϕ, который показывает отношение переданной тепловой энергии к затратам мощности на привод компрессора. Величина этого показателя лежит в интервале 2.5–8.
Чем меньше температурная разница между источником тепла и нагреваемой средой, тем больше коэффициент преобразования. Повлиять на температуру источника тепла нельзя, но можно снизить температуру подачи теплоприемнику. Например, подключить к насосу вместо радиаторов систему теплый пол либо использовать догрев с помощью проточного или накопительного нагревателя.
Снижение температуры подачи на один градус уменьшает расход энергии примерно на 2.5 процента.
Парокомпрессионный тепловой насос с электроприводом оказывается экономичнее котла на органическом топливе при ϕ > 3. Для оборудования с компрессором, работающим от газовой турбины или двигателя внутреннего сгорания, финансовая выгода получается уже при ϕ > 1.5. Однако здесь не учтена разница в капитальных затратах между котлом и насосом, поэтому для принятия окончательного решения о реализации проекта необходимо подготовить технико-экономическое обоснование.
Режимы работы
В моновалентном режиме за подачу тепла отвечает исключительно тепловой насос. Максимально достижимая температура подачи должна превышать предельные расчетные показатели. В моноэнергетическом режиме оборудование нагревает воду до определенного уровня, а максимальную температуру подачи обеспечивает электронагревательная вставка.
В бивалентном режиме тепловой насос работает в тандеме с другой техникой, обычно отопительным котлом. Дублирующий теплогенератор включается при заданной температуре, которая называется точкой бивалентности. Критерием выбора точки бивалентности может быть температура воздуха на улице, текущие значения тарифов на энергоносители или их соотношение, внешний сигнал.
Варианты работы в бивалентном режиме:
- Альтернативный. Тепловой насос после достижения точки бивалентности отключается, и нагрузка целиком переходит к дублеру.
- Вспомогательный. После прохождения точки бивалентности насос продолжает работу параллельно с дополнительным генератором тепла.
В качестве дублера может использоваться еще один тепловой насос или даже несколько, это называется каскадной установкой. В этом случае также возможна схема, при которой насосы работают раздельно на отопление и горячее водоснабжение.
Моновалентный режим больше подходит при стабильности температуры источников тепла (грунт, грунтовые воды, сбросы предприятий) и низкой температуре потребителей энергии (теплый пол, фанкойлы). Серьезный его недостаток – высокие капвложения в оборудование.
Если надо снизить срок окупаемости теплового насоса, лучше остановиться на бивалентном режиме. Такая схема позволяет уйти от нерациональных расходов на технику с избыточными характеристиками и одновременно избежать нехватки мощности в момент пиковых нагрузок.
Чем хорош тепловой насос
- Сокращение расходов. Платежи за энергопотребление уменьшаются в несколько раз. Оборудование не окупится сразу, но со временем принесет ощутимую выгоду.
- Локализация системы теплоснабжения. Источник тепла располагается рядом с потребителем, не требуется прокладка протяженных инженерных коммуникаций. Это особенно удобно при теплоснабжении удаленных районов, куда тянуть газопровод нерентабельно, а завоз топлива в бочках недешев и сопряжен с загрязнением природной среды.
- Реверсивность. Одну и ту же установку можно использовать для подключения систем отопления с горячим водоснабжением и при необходимости переводить в режим кондиционирования помещения.
- Гарантия безопасности. Не приходится нести риски, связанные с наличием пожаро- и взрывоопасных источников тепла в помещении.
- Программируемая настройка. Параметры работы могут автоматически изменяться на основании датчиков температуры, выставленных приоритетов или времени суток.
- Простота технического обслуживания. Внимания тепловому насосу малой мощности требуется не больше, чем обычному холодильнику или кондиционеру. Для работы оборудования большой мощности нужна лишь периодическая проверка да замена компрессора раз в 15–25 лет.
- Минимальное воздействие на окружающую среду. Отсутствие процессов сжигания топлива улучшает экологию. Существенно сокращаются выбросы в атмосферу диоксида углерода (углеродный след).
В чем недостатки оборудования
- Высокая стоимость. При установке техники придется сразу расстаться со значительной суммой. В то же время по регулярным расходам тепловые насосы значительно выгодней электрических котлов и сопоставимы с газовыми. По мере выравнивания ценового перекоса между стоимостью электроэнергии и газа, у которого нет внятного экономического объяснения, отдача от оборудования будет расти.
- Чувствительность к повреждениям. Из-за использования хладагента контур насоса должен быть абсолютно герметичен. При появлении течи происходит потеря хладагента, для заделки повреждения придется опустошать контур и по новой закачивать после ремонта. Однако на примере холодильников и кондиционеров мы видим, что этот недостаток малозначим и не играет роли в спросе на технику.
Опыт применения за рубежом и в России
Первые удачные попытки создания тепловых насосов состоялись еще в середине XIX века, а экспериментировать с отоплением жилых домов и общественных зданий в Европе подобным способом стали в первой половине 20-го столетия. Толчок бурному развитию дали энергетические кризисы 1973 и 1979 года. Сейчас можно уверенно говорить о том, что у этой технологии блестящее будущее.
К настоящему моменту в одних только США насчитывается свыше 30 миллионов тепловых насосов. Столь большой спрос объясняется теплым климатом страны и отсутствием потребности в сильном нагреве радиаторов отопления. Оборудование стоит примерно в трети индивидуальных жилых домов Скандинавии. В ряде европейских странах, включая Францию и Германию, потенциальных пользователей стимулируют льготами.
В СССР из-за дешевого углеводородного топлива тепловые насосы признали нерентабельными, и сейчас мы серьезно отстаем от развитых стран, хотя потенциал у техники весьма велик. За последние двадцать лет работа сильно активизировалась. Реализованных проектов уже очень много, в качестве отдельных примеров можно назвать установку насосов в детском саду микрорайона «Зеленые горки» в Томске, школе деревни Филиппово Ярославской области, торговом центре «Квартал» в Сочи, на вокзале Анапы.
Анализ использования по источнику тепла
В российских условиях применению тепловых насосов нередко мешает проблема эффективности. Однако, как показывает опыт, выгодная с экономической точки зрения схема по большей части оказывается возможной. Наиболее перспективными источниками тепла признаются реки, водоемы и грунтовые воды с температурой около +10 °C, канализационные стоки, сбросы в градирнях.
Воздушные насосы
С учетом низкой теплоотдачи и большой температурной амплитуды зимой уличный воздух не обеспечивает надежного снабжения теплом. Наибольший потенциал для использования у воздушных насосов имеется в южных регионах или при утилизации тепла вентиляционных выбросов.
Оборудование рассчитано на температуру до −30 °C, издержки установки и эксплуатации по сравнению с грунтовыми или водяными насосами минимальны. Испаритель помещается в вентиляционные воздуховоды или ставится прямо на улице.
При температуре от 0 °C до −6 °C в условиях влажного климата на поверхности испарителя образуется иней, что затрудняет теплопередачу и ведет к снижению мощности насоса.
Размораживают испаритель реверсом или обдуванием вентиляторами. Несмотря на такой недостаток, воздушные насосы охотно используются для круглогодичного кондиционирования. На практике встречаются решения, когда оборудование летом работает с воздухом, а в холодный сезон переключается на другой источник тепла.
Грунтовые насосы
Температура грунта в нескольких метрах от поверхности остается постоянной в течение всего года, что обеспечивает стабильность потока тепловой энергии. От влажности грунта напрямую зависит теплоотдача, значения которой находятся в диапазоне 10–35 Вт/м2. Грунтовые насосы наиболее целесообразно эксплуатировать в сезонном режиме, при котором оборудование работает на обогрев зимой и кондиционирование летом.
При постоянном съеме тепла тепловая регенерация оказывается недостаточной, что снижает эффективность системы, может привести грунт к промерзанию и сделать непригодным для растениеводства.
Насосный коллектор укладывается горизонтально ниже уровня промерзания грунта в данном регионе, ориентировочно на глубине 0.8–1.5 м. Укладка происходит петлями или змейкой на откопанной площадке либо в траншеи.
Точная длина коллектора определяется потребностями в тепле и величиной теплосъема с одного погонного метра, которая зависит от условий местности. Участок над коллектором не должен затеняться, засаживаться деревьями с развитой корневой системой, желательно, чтобы он был минимально застроен.
При ограниченной площади участка или тяжелом грунте вместо горизонтальной укладки коллектора бурится скважина на глубину до 200 м, в которой устанавливается вертикальный зонд. Для бурения глубоких скважин необходимо получить согласование в контролирующих органах, поэтому взамен одной скважины нередко бурят сразу несколько, но меньшей глубины.
Водяные насосы
Температура подземных вод остается стабильной на протяжении всего года, поверхностных – сильно зависит от сезона. По этой причине тепло рек и водоемов используется прежде всего в регионах с мягким климатом и меньшей годовой амплитудой температур. Наибольший эффект дает отбор тепла сточных вод и горячих подземных источников.
Коллектор закрепляют на дне реки или водоема и пригружают, чтобы не всплыл. Предварительно надо убедиться, что вода не промерзает до самого дна. При использовании грунтовых вод бурят две скважины, в которых располагают подводящую и отводящую трубу.
Возвращать грунтовую воду в ту же скважину после отработки нельзя. Перемешивание с остальной массой понижает температуру, что вызывает снижение тепловой мощности вплоть до полного обнуления.
Для установки оборудования в ряде случаев потребуется заключение государственной экологической экспертизы и химический анализ воды, от состава которой зависит износ коллекторов.
Какое устройство выбрать
Тепловые насосы малоизвестных брендов не уступают, а иной раз и превосходят по качеству продукцию ведущих производителей, но при этом существенно дешевле. Если сравнивать с европейской техникой китайскую, то последняя ничем не хуже и обычно менее дорогая.
В чем оборудование из Европы обходит Китай, так это в удобстве за счет большего числа опций. В то же время европейские предприятия, в отличие от азиатских, не выпускают воздушные тепловые насосы, рассчитанные на температуру ниже −15 °C.
Для определения необходимой тепловой мощности сейчас имеется достаточно программ, которые позволяют автоматизировать расчет. Закладываться на максимальные теплопотери здания нецелесообразно. Опыт показывает, что при производстве энергии на 50–70 процентов от этого показателя потребность закрывается на 70–90 процентов, а остальное можно оставить на долю догревателя.
FAQ
Когда стоит призадуматься об установке теплового насоса?
Первая и основная причина – если у вас нет газа, а подводить коммуникации дорого. Вторая причина – если вам нужна автономная система отопления и нагрева воды, но неохота заниматься обслуживанием. Ну и, наконец, если вы заботитесь об экологии и безопасности жилища.
Насколько выгоднее тепловой насос по сравнению с электрообогревом?
Тепловой насос превосходит по эффективности обогрев электрическим котлом до 6 раз. То есть там, где тепловой насос затратит на генерацию тепла всего 1 кВт, электрический потребит целых 6.
Может ли тепловой насос полностью обеспечить дом теплом в средней полосе России?
Может на 90 процентов времени, на оставшиеся 10 процентов понадобится дополнительный генератор тепла. Но это только при условии, что теплопотери дома не превышают 70 Вт/м2.
Какие параметры для теплового насоса оптимальны?
Эффективнее всего оборудование работает при температуре отдачи тепла от +45 °C до +55 °C. Самыми ходовыми считаются насосы с выходной мощностью до 20 кВт.
Сколько места занимает тепловой насос?
Наравне с электрическим или газовым котлом и меньше, чем твердотопливный. Особых требований к помещению нет. При установке воздушного насоса понадобится место для наружного блока, который по размерам чуть больше кондиционера.