Тепловые насосы «воздух-воздух»: принципы действия, выбор

21.05.2024

В условиях резкого роста цен на энергоресурсы, когда энергоэффективность систем отопления и кондиционирования зданий вызывает первоочередной интерес, перспективы тепловых насосов можно назвать просто блестящими. Их выпуск в последние десятилетия увеличивается невиданными темпами, и сегодня в мире успешно эксплуатируются уже десятки миллионов единиц подобного оборудования.

В России к нему пока относятся настороженно, что во многом объясняется инерцией мышления и слабой информированностью. В то же время в соседней Финляндии с ее холодным климатом соответствующий сегмент рынка бурно развивается, причем наиболее значительный рост демонстрируют как раз воздушные тепловые насосы.

Каков принцип действия оборудования

Из физики и на бытовом уровне нам известно, что тепло передается от более нагретого тела или среды к менее нагретым. Тепловой насос принудительно поворачивает теплообмен в обратном направлении. А поскольку тепловая энергия сохраняется до точки абсолютного нуля (ей соответствует температура −273.15 °C), то неисчерпаемым и при этом бесплатным источником тепла может служить вся окружающая среда – вода, земля и воздух.

Классическим тепловым насосом, и как раз системы воздух-воздух, мы пользуемся каждый день. Это обычный холодильник. В нем излишки тепла откачиваются из холодильной камеры и поступают через решетку радиатора в помещение. Таким образом, холодильник служит еще и обогревателем, хотя и маломощным. В отличие от холодильника тепловой насос, предназначенный для отопления и кондиционирования, способен работать в двух направлениях, то есть тепло может поступать с улицы в помещение и наоборот.

Режимы эксплуатации оборудования:

• Моновалентный. В качестве теплогенератора используется единственный тепловой насос.
• Бивалентный. К системе для подстраховки дополнительно подключается еще один или даже несколько тепловых насосов либо отопительный котел. Это позволяет не эксплуатировать избыточные мощности, а запускать оборудование каскадом по мере потребности.

Основная характеристика теплового насоса – коэффициент преобразования теплоты ϕ. Параметр показывает, во сколько раз перекачиваемая тепловая энергия превосходит мощность на приводе насоса. С увеличением разницы температур на улице и в помещении коэффициент ϕ падает, поскольку для принудительной перекачки того же объема тепла требуется больше мощности.

В чем сходства и отличия теплового насоса от кондиционера

Устройства внешне похожи и оба способны и отапливать, и охлаждать помещение, но из-за некоторых отличий в конструкции эффективность процессов у них разная. Кондиционер больше рассчитан на охлаждение, режим обогрева считается для него дополнительным. В качестве отопительного прибора кондиционер не слишком эффективен, довести температуру до комфортной в холода не удастся.

Для тепловых насосов воздух-воздух первичная функция – это отопление помещений в холодный сезон, а летом оборудование переключается в режим реверса и работает уже на охлаждение как кондиционер. С обеими задачами оно отлично справляется, при этом потребляет меньше электроэнергии на единицу тепла. Еще один плюс тепловых насосов – лучшая защищенность от конденсирования влаги и образования наледи зимой.

Какие преимущества у тепловых насосов воздух-воздух

• Низкие расходы на установку, быстрый монтаж, легкая эксплуатация. Для работы системы не придется подводить газ, организовывать подвоз топлива или добиваться выделения дополнительной электрической мощности, в самом здании не нужно прокладывать отопительный контур. По сравнению с оборудованием, использующим тепло грунта или воды, установка воздушных насосов сопряжена с куда меньшими капитальными затратами.
• Экономия на текущих платежах. На передачу одинакового объема тепла требуется в несколько раз меньше электричества, чем при использовании электрического котла или кондиционера. Соответствующая пропорция возникает и в отношении расходов на энергопотребление. Если сравнивать с альтернативными вариантами, то выгоднее только отопление магистральным газом, при использовании сжиженного газа расходы сопоставимы.
• Экологичность и безопасность. Отсутствует сжигание топлива и загрязнение окружающей среды, нет угрозы взрыва котла или пожара.
• Простота обслуживания. Как и холодильник, тепловой насос требует только регулировки настроек и контроля за утечкой хладагента плюс по окончании отопительного сезона желательно пригласить технического специалиста, чтобы проверить эксплуатационные параметры. С серьезными проблемы приходится сталкиваться крайне редко, преимущественно это закачка хладагента и замена компрессора, который способен прослужить 15–25 лет.

В чем недостатки оборудования

• Нестабильная отдача. С увеличением амплитуды температур передающей и принимающей тепло среды производительность оборудования начинает резко снижаться. И как показал опыт Техаса, в экстремальной ситуации альтернатива традиционным системам отопления не всегда показывает себя должным образом. Если температура зимой опускается ниже −25 °C, рекомендуется использовать оборудование в бивалентном режиме с дополнительным генератором тепла.
• Конденсация влаги на внешнем блоке. При температуре около 0 °C и высокой влажности испаритель покрывается инеем, что затрудняет теплообмен. Однако эта проблема легко решается путем ручного или автоматического включения режима оттаивания.

Основные принципы монтажа

Установка теплового насоса напоминает монтаж сплит-системы. Оборудование состоит из наружного и внутреннего блока, соединенных межблочной трассой, по которой циркулирует хладагент.

Варианты размещения наружного блока:

• На фасаде здания – при весе до 50 кг

• На металлической раме с бетонным фундаментом – при весе более 50 кг

• В помещении с избытком тепла (горячий цех) – при работе на отопление

• В холодном помещении (подвал, неостекленная лоджия) – при работе на охлаждение

Внутренний блок размещают на стене или потолке с таким расчетом, чтобы поток нагретого воздуха беспрепятственно распространялся внутри помещения. Наружный блок ставится на улице и может накрываться декоративным защитным коробом.

Как выбрать тепловой насос типа воздух-воздух

Хотя у тепловых насосов много весомых преимуществ, однако нередко случающиеся ошибки при проектировании системы приводят к разочарованиям в оборудовании. Рекомендуется предварительно подробно обсудить предстоящую покупку с экспертом, это позволит избежать неэффективного использования выделяемых средств.

Как рассчитать необходимую мощность насоса

Для расчета потребной мощности в ваттах отапливаемая площадь умножается на коэффициент тепловых потерь, взятый для самой холодной недели в году. В зависимости от степени утепления здания и температуры наружного воздуха этот показатель обычно лежит в пределах 50–150 Вт/м². Если речь идет о средней полосе России, в большинстве случаев можно брать за ориентир 70 Вт/м².

Таким образом, для коттеджа площадью 150 м² потребная мощность оборудования составит:

150 ×70 =10 500 Вт =10.5 кВт

Цифры эти примерные, не обязательно их запоминать и держать у себя в голове. Сейчас вполне достаточно программ, которые автоматически рассчитают, какая мощность насоса нужна.

Важно

Поскольку производительность теплопередачи у теплового насоса плавает, следует ориентироваться на значения, соответствующие температуре самой холодной недели. Таблица или график, где они указаны, должны быть в инструкции производителя.

Однако закладывать в расчеты предельную величину теплопотерь нецелесообразно. Если мощности оборудования хватает, чтобы закрыть 50–70% от максимальной потребности, то здание будет обеспечено теплом на 70–90%, и только в сильные холода оставшаяся часть придется на долю запасного теплогенератора.

Какую конструкцию выбрать

Тепловой насос с обычным инверторным компрессором гарантированно будет работать при температуре воздуха не ниже −15 °C, а при наличии подогревателя поддона – не ниже −20 °C. При использовании двухступенчатого инверторного компрессора устойчивая работа обеспечена уже при температуре до −25 °C. Если же в оборудовании стоит и двухступенчатый инверторный компрессор, и подогреватель поддона, то нормальная эксплуатация возможна до −30 °C.

В наиболее продвинутых моделях имеется опция дистанционного управления по Wi-Fi через мобильное приложение или веб-интерфейс. Такой тепловой насос можно включить и настроить удаленно, чтобы к вашему приезду в доме была комфортная температура.

Чья продукция лучше

С самыми прогрессивными инновациями и минимальным уровнем шума ассоциируется продукция японской компании Mitsubishi Electric. Однако за высокое качество приходится платить. Ценник на их системы, изготовленные по технологии Zubadan, в среднем в два раза выше.

Тепловые насосы китайских производителей рассчитаны на температуру воздуха до −30 °C, а оборудование из Европы обычно всего до −15 °C, зато у европейских моделей больше опций. Продукция из Китая ничем не хуже по качеству и, как правило, дешевле европейской, которая выпускается из тех же китайских комплектующих.

Выгоды от использования тепловых насосов вполне очевидны, в условиях нарастающего дефицита ресурсов за ними будущее. И хотя технология, с запозданием пришедшая в Россию, только пробивает себе дорогу, зато удалось уйти от многих ошибок и недочетов раннего периода развития.