Воздушные тепловые насосы

Воздушные тепловые насосы
Сборник статей

Появившиеся в Европе в конце прошлого века низкотемпературные воздушные тепловые насосы (НВТН) принципиально изменили существовавшие ранее представления о технических возможностях такого оборудования. В России же дефицит внятной информации о технических особенностях и возможностях НВТН успел породить в отношении них массу всевозможных версий преимущественно скептического толка. В книге убедительно доказывается возможность использования низкотемпературных воздушных тепловых насосов для комфортного отопления в российских условиях.

Издание ориентировано на широкий круг читателей, интересующихся данной тематикой.

Воздушные тепловые насосы

Издательский Центр «Аква-Терм» выражает благодарность московскому филиалу «Мицубиси Электрик Юроп Б. В.» (Нидерланды) за экспертную помощь при создании книги

Введение

Тепловой насос является самым экономичным отопительным агрегатом, поскольку до 80 % необходимого потребителю тепла он совершенно бесплатно извлекает из окружающей среды. В буквальном понимании, тепловой насос – это машина, которая за счет подводимой к ней извне электрической энергии переносит внутри себя тепло от низкотемпературного источника к гораздо более высокотемпературному теплоносителю. Современные тепловые насосы на 1 кВт подведенной электроэнергии способны извлечь из окружающей среды до 4 кВт природного тепла и сконцентрировать его до температуры от 35 до 65 °С. Таким образом, тепловой насос позволяет использовать для теплоснабжения неисчерпаемое рассеянное тепло, поставляемое нам самим Солнцем. Поэтому ни одно из существующих сегодня средств энергосбережения не в состоянии конкурировать с тепловым насосом по степени эффективности количественно.

Сегодня использование тепловых насосов стало выгоднее обогрева электричеством не только по текущим (эксплуатационным), но и по первоначальным (капитальным) затратам.

В зависимости от задачи текущего момента тепло можно транспортировать как внутрь помещения, так и на улицу, но во втором случае тепловой насос будет выполнять уже функцию кондиционера. Поэтому-то функционально тепловой насос представляет собой универсальный бытовой агрегат типа «два в одном» (и котел, и кондиционер), что позволяет экономить на покупке одного из агрегатов.

Стоимость, служившая до сих пор основным препятствием для распространения тепловых насосов, соизмерима в настоящее время с ценой покупки дополнительного количества электроэнергии, необходимого для организации теплоснабжения. Поэтому сегодня использование тепловых насосов стало выгоднее обогрева электричеством не только по текущим (эксплуатационным), но и по первоначальным (капитальным) затратам.

Но даже не сама перспектива довольно-таки существенной экономии (хотя по нынешним временам это отнюдь немаловажно) делает тепловой насос исключительно полезным оборудованием. Особая ценность теплового насоса заключается в том, что он позволяет не только меньше платить за энергоноситель, но и меньше его использовать. А уже снижение зависимости от энергоносителя, в свою очередь, является реальной основой для дополнительных свобод!

Уменьшение потребности в энергоносителе позволяет организовывать теплоснабжение в тех случаях, когда без теплового насоса это просто не представлялось бы возможным. Здесь подразумеваются ставшие буквально повсеместными случаи, когда проведенная еще в прошлом веке электросеть попросту не рассчитывалась на современных «коммунаров» из дачных поселков, которых по мере завершения строительства этих поселков сближает уже не только любовь к природе, но и понимание понятия «жесткий лимит». Таким образом, тепловой насос позволяет расширить будущему домовладельцу возможность выбора среды обитания – и при прочих равных обладатель теплового насоса, в любом случае, будет менее своих соседей зажат в энергетических рамках.

Уменьшение потребности в энергоносителе позволяет организовывать теплоснабжение в тех случаях, когда без теплового насоса это просто не представлялось бы возможным.

Меньшая потребность в электричестве позволяет, в свою очередь, претендовать на роль уже не промышленного, а обыкновенного – бытового – клиента электрослужб (со всеми вытекающими отсюда льготами и преференциями).

И наконец, более скромные энергетические запросы делают в перспективе и более реальной полную автономизацию объекта, означающую ни много ни мало – энергетическую независимость его владельца. В свете событий, происходящих на рынке энергоносителей, подобный суверенитет становится одним из самых востребованных качеств современного индивидуального жилья. Особенно для тех, кто навсегда хотел бы забыть о человеческом факторе, климатических аномалиях, техногенных катастрофах, административных амбициях, политических интригах и прочих вызовах нашего времени.

Воздушные тепловые насосы для теплоснабжения в условиях холодного климата

В настоящее время на отечественном рынке присутствует широкий спектр гибридных систем отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования (рис. 1), примером которых может служить установка Zubadan (Mitsubishi Electric). Следует заметить, что подобные установки пользуются особенным успехом в Северной Европе. Мы же совершенно не ассоциируем появившиеся недавно на российском рынке инверторные тепловые насосы на фреоне R410A с задачей экономичного теплоснабжения, для решения которой они и были созданы.

Рис. 1. Отопление и кондиционирование реализуется в гибридных системах посредством отдельных гидравлических контуров

При анализе использования современных воздушных тепловых насосов для обогрева следует помнить, что сплит-системы, посредством которых реализуется этот процесс, представляют собой систему теплоснабжения и воздушного отопления. Агрегаты, подобные Zubadan, являются сплит-системами наполовину, поскольку пластинчатый или змеевиковый жидкостный теплообменник дополнительно требует еще и отопительных приборов (фэнкойлов), систем напольного или внутристенного отопления. Для работы в режиме кондиционирования помимо фэнкойлов используются потолочные поглощающие панели.

На то, что современные воздушные тепловые насосы, оборудованные инверторами, можно использовать для отопления в условиях холодного климата, первыми обратили внимание в странах Северной Европы. И сразу же после появления такой техники она не только стала позиционироваться на потребительском рынке в качестве отопительной, но и сделалась объектом всесторонних обширных исследований. Исключительная серьезность такого отношения подтверждается тем, что с недавнего времени различными исследовательскими группами по всей территории Скандинавии проводятся испытания отопительных возможностей всех существующих сегодня воздушных тепловых насосов. С 2003 г. результаты этих испытаний регулярно публикуются в периодической печати, ориентированной непосредственно на потребителя (рис. 2, 3).

Рис. 2. Результаты исследований тепловых насосов «воздух-воздух» в условиях климата Финляндии

Очевидное совпадение результатов исследований – безусловный показатель степени объективности испытаний. Точки излома графиков ограничивают наиболее характерные температурные интервалы отопительного периода. Температурный интервал, выделенный розовым цветом (рис. 3), характеризуется коэффициентом трансформации (СОР), по величине которого можно судить об эффективности технологии для отопительного периода в целом. Почти все из существующих сегодня воздушных тепловых насосов на фреоне R410A при минимальных наружных температурах в районе – 20 °C имеют коэффициент трансформации около 2. Отметим, что ввиду кратковременности наиболее холодного периода, величина СОР в этот временной интервал не столь уж и существенна. Более важным и принципиальным моментом здесь является то, что в этот период современные системы способны гарантировать потребителю достаточную надежность работы, что подтверждено обширной практикой. Средний же за отопительный сезон СОР, который-то и характеризует реальную экономию электроэнергии, для преобладающей части обитаемых регионов нашей страны, судя по графикам, обещает быть в районе 3.

Рис. 3. Результаты исследований тепловых насосов «воздух-воздух» в условиях климата Норвегии

От инверторных VRF-систем на фреоне R410A, в силу их заведомого технического превосходства над обычными сплит-системами, следует ожидать более высокого коэффициента трансформации – не менее 2,5 при температуре наружного воздуха ?20 °C (среднесезонный COP – более 3). Поэтому использование для теплоснабжения в условиях холодного климата данного типа оборудования более предпочтительно. График зависимости COP от температуры, характерный для VRF-систем, представлен на рис. 4.

Рис. 4. График зависимости COP от температуры, характерный для VRF-систем

Можно абсолютно однозначно утверждать, что потребность в теплоснабжении в России будет значительно превосходить соответствующую потребность в кондиционировании. А этот вывод имеет уже практическую коммерческую ценность. Понятно, что количественное подтверждение этой безусловной истины для различных климатических регионов страны будет иметь различное наполнение. Проиллюстрируем сказанное посредством диаграммы, показывающей распределение функций воздушного теплового насоса в течение года во Франкфурте-на-Майне (рис. 5).

Рис. 5. Распределение функций воздушного теплового насоса во Франкфурте-на-Майне

По сведениям Mitsubishi Electric, охлаждение во Франкфурте-на-Майне требуется, как правило, всего лишь на протяжении 5 % (442 часа) года (общей продолжительностью 8760 часов), а отопление – на протяжении 77 %. Причем для 68 % года (5964 часа) для отопления достаточно одного только воздушного теплового насоса, а еще на протяжении 9 % (793 часа) потребуется также и дополнительный источник тепла. В течение 1500 часов (17 % года) допустим нейтральный режим.

Мы видим, что даже в регионе с заведомо более мягким климатом, чем в большинстве из тех, что могли бы представлять для нас практический интерес, потребность в отоплении превосходит потребность в кондиционировании на порядок. Учитывая всевозможные доводы рациональности использования тепловых насосов, среди которых на первом месте стоит их беспрецедентная экономичность, можно оценить, насколько велик потенциал рынка, который предстоит теперь осваивать отрасли.

Гибридные системы отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования – тепловые насосы типа «воздух-вода» – логически завершают концепцию экономичного теплоснабжения, которая в условиях российского климата с успехом может реализовываться посредством современных инверторных тепловых насосов «воздух-воздух» на хладагенте R410A, представленных на российском рынке уже достаточно широкой гаммой.

Теплоснабжение воздушными тепловыми насосами в условиях холодного климата

В технической документации на бытовые сплит-системы, пришедшие первыми на российский рынок, указывалось, что в качестве теплового насоса их можно использовать при температуре наружного воздуха не ниже –9 °C. Когда стало ясно, что это не только температурный минимум города Токио, но и рубеж, за которым для оборудования начинаются всевозможные технические проблемы, оптимизм в отношении использования сплит-систем для отопления поугас.

Между тем, хотя сплит-систем, работающих только на обогрев, и не существует, системы, которые на это способны хотя бы наряду с охлаждением, в Скандинавии, где сегодня они с успехом используются для теплоснабжения, называют не иначе как «тепловые насосы» – по той функции, которая является здесь наиболее полезной.

Современная сплит-система объединяет в себе столько уникальных потребительских опций, что возможность использовать ее для отопления открывает потребителям доступ к принципиально новому уровню комфорта.

Из графика на рис. 6 видно, что объемы продаж воздушных тепловых насосов в Норвегии до 2000 г. были сопоставимы с объемами продаж тепловых насосов прочих типов. Однако в начале 2000-х годов абсолютный показатель продаж воздушных тепловых насосов увеличился более чем в 16 раз. Это стало следствием появления сплит-систем с нижним пределом эксплуатации на обогрев до –20 и даже –25 °C, которые стали использовать в качестве основного источника тепла.

Рис. 6. Динамика норвежского рынка тепловых насосов

Столь значительный успех норвежской климатической отрасли стал прямым следствием появления сплит-систем с нижним пределом эксплуатации на обогрев до –25 °C, которые норвежцы мгновенно приспособились использовать в качестве основного источника тепла.

Современная сплит-система объединяет в себе столько уникальных потребительских опций, что возможность использовать ее для отопления открывает потребителям доступ к принципиально новому уровню комфорта. Система теплоснабжения в виде наружного блока объединена в сплит-системе с системой отопления в виде внутренних блоков – многофункциональных, интеллектуальных и высокоэффективных отопительных приборов. По простоте монтажа такие сплит-системы сравнимы только с бытовыми электрообогревателями.

Интеллектуальные способности в сочетании с максимальной сфокусированностью на качестве жизни потребителя сплит-систем, выводят их за рамки конкуренции со всеми остальными ранее известными способами отопления. Вряд ли еще можно привести пример столь же полезного и совершенного бытового прибора, каким стал сегодня внутренний блок сплит-системы, позволивший пересмотреть представление о действительно комфортном отоплении.

Часто одного внутреннего блока, благодаря его повышенным отопительным способностям (рис. 7), оказывается достаточно для отопления сразу нескольких помещений загородного дома, а в мульти– и VRV/VRF-вариантах при минимальном количестве наружных блоков разнообразие внутренних позволяет организовывать теплоснабжение сколь угодно крупных и сложных объектов (рис. 8). А подчас одним внутренним блоком можно отапливать два этажа (рис. 9).

Рис. 7. Возможности внутреннего блока в качестве отопительного прибора

Рис. 8. Варианты отопления внутренними блоками сплит-систем

Рис. 9. Отопление внутренним блоком одного и двух этажей

Уже к середине 2000-х годов темпы роста популярности низкотемпературных систем привели к появлению так называемых гибридных сплит-систем, способных наряду с отоплением обеспечивать потребителей еще и горячей водой. Это не только позволило сформулировать полноценное комплексное предложение по экономичному теплоснабжению загородного жилья посредством тепловых насосов, но и как нельзя лучше приспосабливало такие системы к условиям холодного климата.

Напольное отопление первого этажа за счет теплоемкости стяжки, элементов стен и фундамента (рис. 10 а), а иногда и бассейна, увеличивает суммарную теплоемкость объекта, что делает его более теплоустойчивым к понижениям наружных температур. А так как на втором этаже деревянного дома бетонную стяжку для напольного отопления организовать весьма проблематично, отопление второго этажа посредством традиционной сплит-системы смотрится более органично (рис. 10 б).

Рис. 10. Принцип организации отопления посредством сплит-систем

Таким образом, налицо не только полный набор современных технических средств для наиболее привлекательного из когда-либо существовавших вариантов теплоснабжения, но уже и целая концепция их рационального применения.

Но при анализе столь заманчивой во всех отношениях перспективы возникает весьма важный вопрос: как быть, если температура опускается ниже –20…–25 °C?

По опыту норвежских испытаний Zubadan (Mitsubishi Electric) можно сказать, что кратковременные падения наружной температуры для достаточно теплоемких объектов с системой напольного отопления могут и просто пройти незамеченными. Радикальное же решение не несет в себе ничего необычного и вытекает из той очевидной истины, что в условиях холодного климата речь о действительно надежном теплоснабжении можно вести только тогда, когда наряду с любым, сколь угодно надежным, источником тепла предусмотрен еще и резервный. В противном же случае перспектива поставить объект под угрозу чрезвычайной ситуации – вопрос времени.

О том, насколько суров норвежский климат, можно судить по табл. 1., в которой приведены температурные минимумы.