Тепловые насосы для отопления дома: принцип действия, источники тепла, оценка эффективности

Что это такое — тепловой насос? Как он работает? Откуда эти устройства могут извлекать тепло? Наконец, насколько они выгодны и практичны на фоне прочих источников тепловой энергии? Давайте разбираться.

Наружный блок воздушного теплового насоса.

Что это такое

Принцип действия теплового насоса полностью идентичен схеме работы обыкновенного холодильника.

• Компрессор сжимает летучий хладагент. При этом выделяется значительное количества тепла, которое отдается теплообменнику. Это тепло может быть использовано для нагрева воздуха, продуваемого через теплообменник вентилятором, или любого теплоносителя.
• Остывший хладагент проходит расширительный клапан и резко увеличивается в объеме. При этом в полном соответствии с законами физики он резко охлаждается и, проходя через второй теплообменник, отбирает тепло у окружающей его среды.

Принципиальная схема работы теплового насоса.

Заметьте: чем больше степень расширения хладагента, тем ниже его итоговая температура.
Соответственно, при определенных условиях он вполне способен отбирать тепло у среды, охлажденной существенно ниже точки замерзания воды.

Если холодильник способен работать лишь одним способом — на охлаждение внутреннего пространства, то любой тепловой насос для отопления дома способен инвертировать направление движения хладагента. С практической стороны это означает, что владелец такого устройства получает в свое распоряжение полноценный климатизатор: зимой он обогревает помещение, летом же используется для охлаждения коттеджа до комфортной температуры.

Наконец, отопление тепловыми насосами имеет еще одну очень приятную особенность. Поскольку электроэнергия тратится лишь на работу компрессора, а в качестве источника тепла используется внешняя среда, на каждый киловатт потребляемой электрической мощности насос отдает от 3 до 5 киловатт мощности тепловой.

Потратив киловатт электричества, вы получаете три киловатта тепла в подарок.

Источники тепловой энергии

Что может служить источником низкопотенциального тепла?

Грунт

Как известно, в зимние холода почва промерзает на довольно-таки незначительную глубину. Всего на метр ниже уровня промерзания температура грунта стабильна и составляет 8-12 градусов в любое время года.

Грунтовые тепловые насосы используют геотермальное тепло.

Существует две разновидности теплообменников:

1. Вертикальный представляет собой длинные гибкие трубы, погруженные в вертикальные скважины на глубину 60-100 метров. С учетом того, что цена бурения погонного метра скважины составляет 2-3 тысячи рублей, монтаж теплообменников обходится в весьма значительную сумму; зато вертикальный теплообменник не занимает места на участке.

Вертикальный теплообменник.

2. Горизонтальный, напротив, укладывается на незначительную глубину. Траншеи под него могут быть выкопаны своими руками, без привлечения техники; соответственно, монтаж будет заметно дешевле. Однако вся площадь грунта над коллектором (она примерно втрое больше отапливаемой площади дома) будет непригодной для посадок: большая часть растений не перенесет перегрева корней летом.

Ориентировочная стоимость геотермального теплового насоса с тепловой мощностью 20 КВт — около полумиллиона рублей. Монтаж в зависимости от условий (количество и глубина скважин, наличие или отсутствие грунтовых вод и т.д.) заставит покупателя потратить еще 100 — 400 тысяч.

Вода

Если ваш дом стоит на берегу незамерзающего водоема — вам повезло: в этом случае отопление с помощью тепловых насосов можно реализовать с минимальными затратами на монтаж. Теплообменник притапливается грузами и отбирает тепло у воды.

Фото — теплообменник перед затоплением.

Несколько сложнее устроены насосы, использующие в качестве источников тепла грунтовые воды. В этом случае на участке бурятся две скважины, одна из которых становится источником воды, а вторая используется для ее сброса после прохождения теплообменника. Ориентировочный дебит скважины, обеспечивающей работу устройства с тепловой мощностью 16 КВт — 0,8 м3/час.

Воздух

Наконец, наиболее дешевые тепловые насосы, использующие в качестве источника тепла окружающий воздух. Простота конструктивного исполнения делает их сравнительно недорогими; монтаж тоже более чем несложен.

В продаже можно встретить устройства, работающие по двум схемам.

1. Насосы «воздух-воздух» используются только для нагрева или охлаждения воздуха в помещении.
2. Схема «воздух-вода» позволяет, помимо отопления, обеспечить дом горячей водой.

Buderus Logatherm способен обеспечить дом теплом и горячей водой.

В качестве примера приведем текущие розничные цены на несколько устройств, работающих по второй схеме.

А что с насосами «воздух-воздух»? О, здесь картина куда более привлекательна. Простейший тепловой насос этого типа — обыкновенный оконный кондиционер — можно купить за 4-5 тысяч рублей; более осмысленная покупка — инверторная сплит-система — обойдется в 20-40 тысяч.

Инверторный кондиционер умеет снижать производительность компрессора, что делает его более экономичным.

Почему при таком соотношении цен сохраняют свою популярность устройства, извлекающие тепло из воды и грунта? Ответ прост: воздушные насосы сохраняют работоспособность лишь при сравнительно высоких температурах наружного воздуха (до -25 С); между тем на большей части территории страны в пик зимних морозов столбик термометра опускается заметно ниже.

Мало того: чем ниже уличная температура, тем менее выгодным делается отопление дома тепловым насосом этого типа. Есть такое понятие, как COP (coefficient of performance), означающее отношение вырабатываемого тепла к затратам электричества. Так вот, эта основная характеристика тепловых насосов для весьма популярного Mitsubishi Zubadan равна 4,0 при +5 С и 2,0 при -25.

Воздушный тепловой насос Zubadan.

Вывод очевиден. Отопление загородного дома тепловым насосом, работающим по схеме «воздух-воздух», оправдано лишь в теплой климатической зоне. В Якутии или Хабаровском крае стоит предпочесть геотермальные устройства.

Экономическая эффективность

Отопление частного дома электрическими отопительными конвекторами, тепловентиляторами и прочими нагревательными устройствами является самым дорогим среди всех существующих схем. Судите сами:

Однако если использовать не прямой нагрев, а тепловой насос — отопление станет заметно более дешевым. Насколько — зависит от уже упомянутого нами COP. Для большинства моделей устройств разных типов этот параметр укладывается в диапазон 3-4; лучшие образцы имеют COP, равный 6.

Устройства с COP 3,6 и выше относятся к высшему классу энергоэффективности.

Стоит учитывать еще несколько нюансов.

• Как уже упоминалось, у воздушных насосов энергоэффективность уменьшается по мере похолодания на улице, поэтому для оценки корректным будет взять среднее значение за сезон (COP для средней температуры зимы).
• COP зависит не только от температуры низкопотенциального источника тепла, но и от температуры объекта, которому это тепло передается. Тепловому насосу важна именно дельта температур. Скажем, геотермальный насос, греющий теплый пол до +30С, будет куда экономичнее, чем отдающий это же тепло радиаторам с температурой +60.

Использование водяного теплого пола вместо радиаторов позволит ощутимо уменьшить расход электричества.

Практическое следствие: если вы собираетесь подключать к отопительному контуру с радиаторами тепловые насосы для отопления своими руками, учтите, что количество секций лучше увеличить, а температуру теплоносителя снизить до +40 — +45 С.

С учетом всех многочисленных оговорок среднее значение COP можно смело принять равным 3,0. В этом случае, как несложно подсчитать, стоимость киловатт-часа тепла составит 1,2 рубля, что лишь немногим дороже магистрального газа, дров и дешевле всех прочих источников тепла.

При выборе отопления стоит учитывать не только текущее положение дел, но и перспективы. А они таковы: благодаря наметившемуся развитию «зеленой» энергетики (использованию возобновляемых источников) стоимость электричества будет расти куда медленнее, чем стоимость газа, угля и продуктов переработки нефти.

В частности, сделанный в 2010 году прогноз роста цен предвещает к 2032 году увеличение стоимости кубометра газа на 1000 %, а электроэнергии — всего на 130.

Тенденция хорошо видна на графике роста коммунальных тарифов.

От автора

Возможно, читателю покажется интересным собственный опыт автора. Он использует для отопления дома пару насосов, работающих по схеме «воздух — воздух».

Итак, дано:

• Место действия — Севастополь, Крым. Средняя температура января — +3. Нынешняя зима была необычно холодной: в течение пары дней держался мороз в -20 градусов.
• Площадь отапливаемой мансарды — 60 квадратных метров. Фронтоны представляют собой сплошное остекление с энергосберегающими однокамерными стеклопакетами. Теплоизоляция стен и крыши — по 5 сантиметров минеральной ваты и пенопласта.
• В роли источника тепла выступает Cooper&Hunter CH-S12 FTXN. Тепловая мощность при работе на обогрев — 4,12 КВт, COP равен 4,2, заявленная нижняя граница рабочей температуры — -25С; стоимость на момент покупки — 24000 рублей.

Итоги:

• В течение всей зимы в мансарде поддерживались вполне комфортные +20 градусов.
• Примерный расход электроэнергии на отопление мансарды составил 400 КВт-часов. Расход несложно пересчитать в денежный эквивалент с учетом местных тарифов.

Единственная проблема, которую выявило отопление тепловым насосом при низких температурах — намерзание льда в дренажной трубке. Для ее устранения планируется просто-напросто уложить в дренаж секцию саморегулирующегося греющего кабеля.

Заключение

Стоит ли вкладывать деньги в пока еще непривычную систему отопления тепловыми насосами? С точки зрения автора — да. Она выглядит весьма привлекательно даже на фоне магистрального газа — уже потому, что абсолютно безопасна и не требует отвода продуктов сгорания.

Впрочем, предоставим читателю сделать выбор самостоятельно. Как всегда, в прикрепленном видео можно найти дополнительную тематическую информацию. Успехов!