Тепловий насос для опалення будинку: принцип роботи, різновиди і використання

Умови загострення екологічної ситуації у світі та стрімке зростання тарифів на газ і електроенергію змушують все більше людей розглядати використання альтернативних джерел енергії як невід’ємну частину свого повсякденного життя.

Один із способів адаптації до цих змін – впровадження теплових насосів, що дозволяють ефективно опалювати приміщення взимку та забезпечувати гарячу воду для побутових потреб, використовуючи при цьому мінімальну кількість електроенергії.

Це інноваційне рішення все частіше з’являється в будинках українців, що свідчить про поширення та популярність даного технологічного рішення.

Принцип роботи теплового насоса

Принцип дії теплових насосів заснований на здатності речовини (хладагента) поглинати або віддавати тепло при зміні агрегатного стану. За своєю суттю такі насоси мало чим відрізняються від холодильних установок. (Це дивне, на перший погляд, твердження анітрохи вас не здивує, якщо ви хоч раз доторкалися до гарячої задньої стінки звичайного побутового холодильника.)

Схематично тепловий насос може бути представлений у вигляді системи, що складається з трьох контурів. У першому знаходиться теплоносій, що переносить енергію від джерела низькопотенційного тепла. У другому контурі циркулює холодоагент (фреон), який періодично випаровується, відбираючи тепло у першого контуру, та знову конденсується, віддаючи його третьому контуру. І, нарешті, з третього контуру «бігає» вода, що переносить тепло по системі опалення.

Робочий цикл теплонасоса в загальних словах може бути описаний наступним чином. Рідкий холодоагент надходить у випарник, де переходить в газоподібний стан. Необхідна для протікання цього процесу енергія відбирається у теплоносія, що циркулює в першому контурі.

Далі підігрітий на кілька градусів газоподібний холодоагент всмоктується в компресор, головне призначення якого – стиснення газу (на вчинення цієї роботи, зрозуміло, витрачається електроенергія).

На наступній стадії розігрітий газ направляється в конденсатор, де віддає отримане тепло системі опалення, сам же при цьому конденсується, тобто переходить у рідкий стан. Потім надлишковий тиск скидається за допомогою дросельного клапана, і цикл починається заново.

Як бачите, пристрій теплового насоса не відрізняється принципово від пристрою холодильної машини. Просто основним призначенням холодильних установок є генерування холоду, тому там відбір теплоти проводиться випарником, а конденсатор лише скидає цю теплоту в навколишнє простір.

В тепловому ж насосі картина зворотна: конденсатор являє собою теплообмінний апарат, що віддає тепло споживачеві, а випарник – це теплообмінник, де утилізується низькопотенційне тепло вторинних енергоресурсів.

Іншими словами тепловий насос – це «холодильник навпаки». При цьому «навпаки» не тільки пристрій, але і результат.

Різновиди теплових насосів і систем

Теплова енергія, що витрачається на опалення будівлі і систему гарячого водопостачання, є результатом перетворення енергії навколишнього середовища, здійснюваного з допомогою теплового насоса. Насос концентрує цю низькопотенційну (низькотемпературну) енергію і передає її системі опалення.

Залишилося розібратися, що в даному випадку мається на увазі під енергією навколишнього середовища. Більшість теплових насосів побутового призначення дозволяють використовувати тепло Сонця і внутрішнє тепло Землі, що накопичуються верхніми шарами земної кори і водою протягом усього року.

За типом конструкції першого контуру теплообмінника всі теплові насоси діляться на грунтові, водяні і повітряні.

Грунтові теплові насоси

Грунтові теплові насоси отримують тепло, необхідне для підігріву холодоагенту в випарнику, від грунту. Температура останнього на глибині декількох метрів практично не схильна до сезонних коливань. За замкнутою системою труб, розміщених в грунті, циркулює “розсіл”.

Слово «розсіл» ми не випадково взяли в лапки: солі, як цього можна було б очікувати, виходячи з назви, він не містить. Насправді це антифриз на основі етиленгліколю або пропіленгліколю, рідше водного етанолу. Труби теплообмінника можуть бути укладені в грунті як горизонтальним (горизонтальний колектор), так і вертикальним (геотермальний зонд) способом.

Труби горизонтального колектора укладаються в землю на глибині нижче рівня промерзання грунту в даному регіоні (зазвичай 1.5-2 м). Теплообмінна система цього виду займає досить велику площу. Наприклад, для забезпечення теплом порівняно невеликого будинку площею 100 м2 потрібно виділити 2-3 сотки землі. Слід взяти до уваги, що на території, зайнятій колектором, можна садити лише ті дерева і кущі, коріння яких не йдуть у грунт занадто глибоко, а розташовувати тут якісь споруди і зовсім не можна.

Геотермальний зонд – це теплообмінник, труби якого розташовуються вертикально і занурені в грунт на глибину до 100-200 м. Кількість встановлюваних зондів залежить від необхідної потужності установки.

Як бачите, для розміщення цієї системи не потрібно великих площ, ви можете пробурити свердловини в будь-якій частині вашої ділянки – там, де вам це зручно. Головний недолік грунтових теплових насосів з геотермальними зондами-висока вартість робіт з буріння свердловин.

Однак, незважаючи на це, більшість користувачів віддає перевагу саме цим системам, адже геотермальні зонди володіють більшою ефективністю, ніж горизонтальні колектори, і мають при цьому менше обмежень.

Водяні теплові насоси

Водяний тепловий насос “черпає” енергію грунтових вод, які прокачує через свій випарник. Подібна система відрізняється підвищеною ефективністю і непоганою стабільністю: перша характеристика є результатом високої тепловіддачі води, друга обумовлена постійністю температури ґрунтових вод.

Зрозуміло, щоб використовувати установку такого типу, потрібно, щоб ці самі грунтові води були на вашій території, причому в досить великій кількості. Дуже бажано, щоб водоносний шар розташовувався не глибше 30-40 м.

Одночасне виконання цих двох умов – явище нечасте. Ще однією умовою, невиконання якої може стати перешкодою для установки водяного теплонасоса у вашому будинку або котеджі, є низький вміст в грунтових водах солей заліза та інших домішок.

Використання води низької якості призведе до того, що обладнання швидко вийде з ладу, оскільки теплообмінник просто заб’ється. Наявність такої кількості обмежень є причиною того, що подібні теплові насоси, незважаючи на всю їх привабливість, встановлюють нечасто (близько 5% від всіх реалізованих проектів).

Повітряні теплові насоси

З точки зору простоти монтажу повітряні теплові насоси мають величезну перевагу перед своїми “побратимами”. Для використання навколишнього повітря в якості джерела тепла вам не доведеться бурити свердловини або проводити якісь інші великомасштабні ґрунтові роботи.

В результаті, якщо закласти в кошторис вартість робіт по встановленню обладнання, повітряний насос обійдеться вам значно дешевше, ніж водяний або грунтовий.

Незважаючи на настільки вагомі плюси, ідеальним цей вид кліматичного обладнання не назвеш, оскільки є у нього і істотний недолік. Такий насос ефективно працює лише при температурі навколишнього повітря вище -15°C … -20°C. падіння температури нижче цих меж, веде до істотного зменшення коефіцієнта ефективності повітряного теплонасоса.

Коефіцієнт ефективності теплових насосів

Трохи вище ми використовували новий термін – «коефіцієнт ефективності». Було б неправильно не пояснити, що це таке, тим більше що це важлива характеристика теплових насосів, що дозволяє порівнювати насоси різних типів між собою.

Коефіцієнт ефективності (званий також коефіцієнтом трансформації) – це відношення виробленої насосом теплової енергії до спожитої ним електричної. По суті це ККД теплового насоса. У разі водяних теплонасосів цей коефіцієнт дорівнює 5 незалежно від пори року. Це означає, що при споживанні 1 кВт*год електроенергії установка виробляє 5 кВт*год теплової енергії.

У грунтових насосів величина коефіцієнта ефективності трохи нижче – від 4 до 4.5. І, нарешті, самим маленьким коефіцієнтом характеризуються повітряні теплові насоси, при цьому їхня ефективність сильно залежить від температури навколишнього повітря: при 0°C величина коефіцієнта дорівнює ~3.5, а при -20°C він уже не перевищує 1.5 (за такої низької ефективності насос просто не окупиться, і має сенс подумати про придбання більш дешевого кліматичного обладнання, наприклад електричного котла).

Деякі менеджери, рекламуючи реалізовані ними теплові насоси, запевняють потенційних клієнтів в тому, що дане обладнання має ККД 400-500%. Зрозуміло, ні про яке порушення законів термодинаміки мови не йде.

Просто в даному випадку розрахунки навмисно робляться неправильно: не враховуються джерела енергії, відмінні від споживаної електрики, – повітря, вода або грунт, нагріті сонцем і геотермальними процесами. Коли при розрахунку ККД враховують тільки електроенергію і забувають про джерело низькопотенційного тепла, якраз і виходить величина більше 100%.

Застосування теплового насоса для гарячого водопостачання

Будь-який тепловий насос здатний не тільки обігрівати ваше житло, але і цілий рік постачати вас гарячою водою. Однак слід враховувати, що ця система є низькотемпературною, а значить, температура води в бойлері не перевищить 45-55°C. З цього випливає, що обсяг бойлера повинен бути більше, ніж при використанні стандартної системи опалення, в іншому разі вам і вашим домочадцям доведеться жити в умовах жорсткої економії гарячої води.

Даний факт слід враховувати при виділенні площі для котельні, тобто ще на стадії проектування будинку. Також при виборі котла потрібно брати до уваги, що це має бути спеціальне обладнання, розраховане на роботу з теплонасосними установками. Головна відмінність такого бойлера від звичайного – збільшена площа теплообмінника, необхідна для максимально ефективної передачі тепла від теплового насоса.

Підбір теплового насоса для опалення будинку здійснюється з урахуванням різних параметрів, в тому числі і кліматичних особливостей регіону. При цьому вважається недоцільним встановлювати насос з надлишковою потужністю. Справа в тому, що екстремально холодні дні трапляються не так вже й часто. Практика показує, що більш економічним варіантом буде «добрати» у ці морозні періоди необхідну потужність електрикою, ніж спочатку встановлювати більш потужний насос. Наявність тена виключає необхідність робити систему більш потужною, ніж це потрібно більшу частину опалювального сезону.

Для власників водяних і грунтових теплових насосів вбудований ТЕН-швидше надмірність, ніж необхідність. Зовсім інакше виглядає ситуація з повітряними теплонасосами. При температурі повітря -20°C і нижче такий насос, якщо і не відключиться, буде малоефективний. І нехай холодних днів і ночей в році не дуже багато, зовсім не хочеться в один прекрасний момент залишитися в стрімко вимерзаючому будинку. Наявність дублюючого теплогенератора в даному випадку ніяк не назвеш розкішшю.

Поради та рекомендації

Тепловий насос – обладнання технічно складне і досить дороге, тому підходити до його вибору слід з великою відповідальністю.