Тепловой насос

Вы наверняка знакомы с современными системами отопления. А знаете ли Вы, каким оно будет лет через 10? Знаете, какие системы отопления утверждены законодательным порядком при возведении новых общественных зданий в США? При установке, какой системы правительство Германии доплачивает 400 марок за кВт мощности? Если нет, тогда знакомьтесь – его величество тепловой насос. Причины столь высокого внимания к его «персоне» заключаются, конечно же, в его достоинствах. В данной статье о достоинствах мы и поговорим, а также рассмотрим.

Содержание

1. История создания теплового насоса
2. Системы тепловых насосов
3. Как рассчитать необходимую мощность геотермальной отопительной системы?
4. Преимущества тепловых насосов
5. Тепловой насос:окупаемость, цена и лучшие фирмы производители

• Тепловой насос слишком дорог и себя не окупит
• Техника  каких компаний доступна на рынке?
• Можно ли установить своими руками?

История создания теплового насоса

Данная технология берет свое начало в далеком 19 веке, когда физик и инженер Уильям Томпсон впервые разработал концепцию теплового насоса. Затем практически на столетие эта технология была забыта, и уже в 40-х годах ХХ столетия идею теплового насоса вернул к жизни Роберт Вебер. Но в связи с малым интересом к новациям в сфере теплоснабжения тепловые насосы не получают своего заслуженного признания. И лишь через 30 лет эстафета в разработке геотермальных тепловых насосов перешла доктору Джеймсу Бозе из Университета штата Оклахома. Именно поэтому Международная Ассоциация Геотермальных Тепловых Насосов была основана на базе того же университета, и профессор Бозе является исполнительным директором данной ассоциации. А дальше: политика многих стран Европы в области экологии фактически запустила «маховик» альтернативной энергетики и дело сдвинулось, в разработку и промышленное производство включились ведущие мировые производители. Благодаря этому на сегодня нам доступны системы с хорошими характеристиками. Но об этом пойдет речь ниже.

Системы тепловых насосов

Давайте рассмотрим принцип работы  тепловых насосов. Из названия следует, что он перекачивает тепло. Откуда и куда? В зависимости от системы тепло берется из следующих источников:

- воздух;

- вода;

- грунт.

Но хорошо, скажет читатель, летом при +40 воду нагреть можно. Но при такой температуре нам нужен кондиционер, а не система отопления. А как же работает система при -400С за окном? Таким же образом и работает, сейчас увидим как. Но для этого необходимо рассмотреть основные узлы агрегата. Его условно можно разделить на три части:

- первичный контур;

- контур сжатия (в некоторых вариантах предусмотрен подогрев);

- нагревательный контур, в котором тепло передается отопительным приборам (бойлер, системы отопления и пр.).

Первичный контур предназначен для забора тепла из окружающей среды. Например, земли. Укладка зонда в грунт осуществляется на глубину от 1 до 3 метров, в зависимости от уровня промерзания. Температурный режим там практически неизменен, и возьмем ориентировочно +80С. Жидкость (хладагент), в первом контуре поглощая тепло земли и нагреваясь до +80С, поступает во второй контур, где происходит сжимание при помощи компрессора. Хладагент – вещество, которое очень чувствительно к температурному режиму, имеет очень низкую температуру кипения. Благодаря этим свойствам и осуществляется эффективный перенос тепла от источника к потребителю. При сжимании, то есть увеличении давления, температура хладагента повышается в разы, в зависимости от степени сжатия и др. факторов. После этого, нагретый хладагент поступает в отопительный контур, где непосредственно происходит передача тепла и нагревание воды отопительной системы. А далее – как обычная система отопления. При этом остывший хладагент поступает через дроссель в первичный контур с температурой ниже температуры грунта. И запускается вышеописанная цепочка нагрев – охлаждение. В общих чертах так работает тепловой насос.

Кроме использования геотермальной энергии земли, применяются также насосы с использованием температуры воздуха и воды. А также системы с реверсом. Принцип работы практически идентичен вышеописанному, но есть некоторые особенности. Давайте обратим на них свое внимание.

Тепловой насос воздух – воздух:

-пожалуй, самый недорогой вид;

-высокий КПД (то есть на 1 кВт затраченной электроэнергии приходиться до 5 кВт тепловой);

-система имеет реверс (в теплое время года работает в режиме кондиционера);

- легкость и простота монтажа, в сравнении с другими типами тепловых насосов.

Тепловой насос вода – вода, здесь, пожалуй, все гораздо сложнее, нежели в других вариантах. Первая причина сложности – наличие водоемов непосредственно возле дома, не всегда он есть. Но даже в том случае, когда он есть, возникает целый ряд уже нормативных проблем, а именно местных законодательных актов на использование водоемов. То есть необходимо разрешение на установку системы, что в свою очередь означает хождение по кабинетам. Кроме того цена такой системы на порядки дороже системы с использованием тепла воздуха или земли. Почему - хорошо видно из следующих требований: на 1 метр трубопровода приходится в среднем 30 Вт, соответственно для установки системы мощностью в 5 кВт нам понадобится укладка примерно 150 – 170 метров первичного контура. Весьма громоздкая конструкция, не находите? Да и стоимость весьма кусается. Частично некоторые проблемы такой системы решаются при использовании грунтовых вод, там практически постоянная температура от + 40С и выше, то есть теплоотдача будет больше, меньше метраж труб. В данном случае приходим к выводу, что данная система более подходит для крупных объектов, например баз отдыха на берегу озера или моря. Поэтому львиную долю всех систем с использованием тепловых насосов составляют геотермальные и воздушные тепловые насосы.

И последний нюанс, он связан с наличием реверса в системе. Данная конструкция позволяет системе работать в двух режимах, как в случае системы воздух-воздух, отопление тепловыми насосами зимой и охлаждение в летний период. Не будем вдаваться в сложные технические расчеты, скажем лишь, что это достигается путем использования теплообменника в обратном направлении. То есть тепло из помещения выводиться в первичный контур и отдается в окружающую среду.

Как определить мощность геотермальной отопительной системы?

Монтаж теплового насоса в любом случае будет осуществлять подобранная Вами компания. Она же и предоставит Вам точный расчет всех необходимых параметров. Но, все же кажется, весьма разумным будет привести пример таких расчетов, тогда потенциальный заказчик еще до установки теплового насоса будет иметь представление, что ему необходимо и как это будет выглядеть на практике.

Итак, приступим. Наш условный дом имеет площадь равную 100 м2. Далее выбираем нашу климатическую зону: северную или южную. Для примера возьмем северную климатическую зону. При расчете мощности котла для этой зоны берем следующие значения 1,5 – 2.0 кВт на 10 м2 площади. То есть обычный котел с электрическим тэном для отопления 100 м2 для северного региона должен быть 10×1,5=15 кВт суммарной мощности. Объём жидкости в системе отопления рассчитывать не будем, дабы не занимать место, лишь заметим, что для условного коттеджа она примерно равна 220 – 230 л. Это параметры обычной системы обогрева.

Что же касается системы с тепловым насосом, также рассмотрим систему с водным обогревом, здесь несколько сложнее. Возьмем систему земля – вода, она имеет наибольшую производительность: на 1 кВт производит 4 кВт тепла. То есть мощность системы с тепловым насосом нам необходима та же в 15 кВт, но реально наша система будет потреблять 3,7 кВт электроэнергии.

При этом заметим, что наиболее выгодна эта система в комбинации с системой теплого пола. Температура контура для теплого пола нужна небольшая, как правило, не более 550С, а площадь рассеивания тепла значительная. Это позволяет существенно экономить как на оборудовании, так и на времени обогрева помещения.

Расчеты контуров, систем с подогревом и прочих технических данных приводить не будем. Эти данные обычному человеку, не занимающемуся проектированием и установкой таких систем не очень то и нужны.

Преимущества тепловых насосов

Самое время рассмотреть причины все большей популярности тепловых насосов:

• - экологичность, одна из самых важных характеристик, нет выброса СО2 и прочих вредных веществ;
• - безопасность, нет огня, нет угарного газа и прочих прелестей других типов котлов;
• - долговечность, на некоторые элементы производитель обещает лет 100 бесперебойной работы, например земляные зонды, сам насос служит до 20 – 25 лет;
• - низкая стоимость отопления, мы платим лишь за работу компрессора, как видно из предыдущих данных как минимум отопление обходится в 4 раза дешевле, а в некоторых вариантах в 7 раз;
• - принцип все в одном: горячая вода, отопление и охлаждение;
• - практически полная автономия Вашего жилья и др.

Тепловой насос: окупаемость, цена и лучшие фирмы производители

Существует большое количество слухов, домыслов вокруг темы тепловых насосов. Постараемся в заключительной части статьи некоторые из вымыслов развеять. Сделаем мы это в виде вопрос – ответ.

Тепловой насос слишком дорог и себя не окупит

Да, скажем прямо, цена системы кусается, но… И цена на другие виды топлива не снижается, а если эксперты правы и она будет расти в дальнейшем – во сколько обойдется нам отопительный сезон? На данном этапе данные технологии скорее доступны средне обеспеченным людям, но, так всегда с новыми технологиями. При росте рынка – будет снижаться цена, и в ближайшем будущем он станет доступным и другим категориям населения.

Более того такой проект практически сравним со строительством дома, как правило это покупка на всю жизнь, значит вполне приемлема и цена. Кроме того если провести не хитрые расчеты по самоокупаемости, то увидим следующую картину:

Средняя цена системы для отопления 100 м2 составляет в районе 6000 – 7000 у.е. вместе с монтажом.

Цена котла с высоким КПД с электрическими тэнами в среднем 500 у.е.

Теперь рассчитаем стоимость отопления за период в 120 дней:

•   условно возьмем затраты на обогрев электричеством в день 15×15=225 кВт, в долларах это обойдется в 15 у.е. в день.
•   120 дней×15 у.е. = 1800 у.е. за отопительный сезон обычным электрическим котлом.
•   теперь эту сумму смело уменьшаем в 4 раза и получаем 450 у.е. при использовании теплового насоса. Экономия 1350 у.е. в год, это не считая подогрев горячей воды и системы кондиционирования в летний период.
•   теперь разделим 7000 у.е. на 1350 и получим 5 лет, именно таков срок полной окупаемости.

Мы не претендуем на академическую точность в расчетах, они сложнее и постоянно нуждаются в пересчете, так как цены как на электроэнергию или газ являются динамическими. Как собственно и на системы с тепловыми насосами. При этом расход энергии зависит от состояния и утепленности отапливаемых площадей, и многого другого. Нам было важно показать, что вполне они окупаемые, а в перспективе и вовсе пока альтернатив им не изобрели.

Техника  каких компаний доступна на рынке?

Лидерами по производству тепловых насосов являются следующие компании:

- ClimateMaster (более 50 лет занимается производством тепловых насосов, США);

- Vaillant (крупнейший мировой производитель, с оборотом в 2 млрд. евро, 2,7 млн. теплотехники продается в год, Германия);

- Heliotherm (молодая компания, но уже была награждена “Hansjörg-Jäger Zukunftspreis 2007” (Приз Будущего), более 15000 проданных и установленных систем, Австрия);

- NIBE AB( основной офис компании расположен в Швеции, но имеет свои подразделения в других странах Европы, примечательны своим высоким КПД, оборот от продажи тепловых насосов превышает 1 млрд. евро в год);

- Stiebel Eltron (почти век как занимается разработкой и производством инженерных сетей для дома, Германии) и др.

Из отечественных производителей стоит упомянуть компанию «Корса» (уже более 10 лет занимается тепловыми насосами) и ООО «Экотепло» (более 5 лет).

Что же касается рейтинга тепловых насосов, то следует упомянуть ТОП - 10 Австрийского агенства энергетики. В рейтинг попали следующие марки насосов:

• Лидером является Шведская компания NIBE AB, она занимает три верхних позиции и представленна следующими насосами: KNV F114512; KNV F1140 - 6 и KNV F1240 - 10;
• Тепловой насос HP 16s18W - M- WEB австрийской фирмы HELIOTHERM занимает четвертое место в рейтинге;
• Компания Viessman созданная в 1917 году  представлена в рейтенге следующей моделью Vitokal 300GBW 106;
• Компания VAILLANT представлена маркой VWS 101/3;
• Лучшим воздушным тепловым насосом признан OCHSNER GMLW 14 plus.

Если же присмотреться к этим тепловым насосам поближе мы увидим множество уникальных свойств, которые вложены компаниями производителями.

Например, геотермальный насос NIBE AB F114512, который занял ведущие позиции в рейтинге. Он выделяется, прежде всего, своим «умом». Он полностью автоматизирован, управление насосом возможно и с пульта ДУ, программируется. Приведем пример «ума» данного теплового насоса, благодаря системе датчиков температуры (один на улице, другой в доме) автоматика котла самостоятельно регулирует работу системы для максимального комфорта пользователя. Или система датчиков напряжения: при перепадах напряжения в сети он либо в целях защиты выключает оборудование, либо при его понижении выключает часть своих функций, все для удобства пользователя.

Рассмотрим особенности также теплового насоса Viessman Vitokal 300GBW 106. Он подобно вышеупомянутому продукту так же умен и легок в управлении. Его модульная система позволяет значительно облегчить и удешевить монтаж и обслуживание системы. А благодаря системе «Natural Cooling» система помимо отопления осуществляет охлаждение жилища. Несомненным достоинством является полная бесшумность работы.

И завершим обзор особенностями  воздушного теплового насоса компании OCHSNER. Следует отметить, что в числе постоянных клиентов компании значатся такие «авторитетные» покупатели как NASA и армия США, что, безусловно, говорит о качестве продукции. Что касается теплового насоса серии  GMLW 14 plus, то это самый «тихий» воздушный насос на рынке. Его мощности вполне хватает для отопления помещения площадью в 300 м2. Максимальная температура нагрева достигает 650С.

Следует заметить, что коэффициент теплоотдачи всех вышеперечисленных насосов практически равен 5. Что это значит? Это значит, что при потреблении 1 кВт электроэнергии насос выдает в 5 раз больше энергии в тепловом выражении.

Можно ли установить своими руками?

Идея, скажем так, заманчивая. При этом Вы реально экономите большую сумму. Но дело это весьма хлопотное. Например, для укладки первичного контура геотермального теплового насоса, Вам понадобится буровая установка для создания скважин, в которые необходимо опустить зонд. Хотя люди раньше рыли колодцы в ручную...

Но все же не рекомендуем, грунт везде разный, а глубина закладки должна быть приличная, минимум 3 метра для геотермальных. А при  сползании грунта можно остаться под землей. То есть, как минимум Вам понадобится экскаватор, буровая установка - это для траншей и котлованов. За укладку в водоеме или в грунтовых водах разговор отдельный.

Установку, подключение и заправку системы так же следует  производить в соответствии с технологией, необходимо иметь соответствующий инструмент и т.д. Нет, мы вовсе не утверждаем, что это невозможно сделать самому, у людей из видеоролика это получается. Значит можно. Но для этого Вам потребуется, как минимум ознакомится с технологиями, хотя бы раз увидеть, как собирается такая система и лишь после этого браться за работу. И инструмент раздобыть соответствующий.

Следует упомянуть и такой нюанс: как правило, если монтаж осуществляется не сертифицированными мастерами - гарантия на изделие больше не распространяется. А в данном случае речь идет о тысячах долларов, стоит ли?

Но тема эта интересна, и возможно в следующей статье мы рассмотрим, как подключить самый доступный в установке - воздушный тепловой насос.

Чем более знакомишься с системами тепловых насосов для отопления, все более убеждаешься, что за ними будущее. По крайней мере, пока не изобретут что - то совсем уж революционное в отопительных системах. Но это уже совсем другая тема…