Отопление дома кондиционером: тепловые насосы


Ограниченность в выборе энергоресурсов сегодня не редкость, особенно в районах «молодой» застройки. Если иных источников энергии кроме электричества на объекте нет, кондиционеры станут не только отменным способом охладить жильё летом, но и обеспечат качественный и экономичный обогрев в холода.

Подходящий класс оборудования

Не все кондиционеры пригодны для использования в качестве отопительных приборов. Существует отдельная группа климатической техники, называемая тепловыми насосами. Если кратко, то ключевое отличие такого оборудования заключается в возможности инвертировать направление хладагента в контуре испарителя и компрессора. Таким образом, в летнем режиме установка отбирает излишек тепла из комнатной атмосферы и сбрасывает его на улицу, зимой же всё происходит по обратной схеме.Принцип работы теплового насоса «воздух-воздух» в зимнем и летнем режимах

Нагрев воздуха тепловым насосом происходит не за счёт преобразования электрической энергии в тепловую (как в простейших кондиционерах с функцией нагрева), а за счёт перекачки тепла из одной среды в другую. Отсюда происходит и название оборудования: даже в морозную погоду воздух содержит некоторое количество теплоты, которую можно изъять и направить внутрь здания для поддержания комфортного климата. Но такой принцип работает только при определённых условиях, главным ограничением действует разница температур между улицей и помещением, а также температурные пределы, при которых рабочий теплоноситель — хладагент, может испаряться и конденсироваться.

Устройство воздушного теплового насоса

По конструкции тепловые насосы — приборы достаточно сложные. С одной стороны в комплектацию входит ряд устройств, обеспечивающих обратную циркуляцию теплового контура под управлением автоматики. Это четырёхходовой клапан, расширительный клапан особой конструкции и более сложная система каналов, по которым циркулирует хладагент. С другой стороны, настоящий тепловой насос обязательно комплектуется устройствами, помогающими основным узлам насоса работать в экстремальных условиях. Всё вспомогательное оборудования на языке маркетинга называется «зимним комплектом», в него входят:

  • нагреватель компрессорного масла;
  • радиаторы специальной конструкции, устойчивые к образованию конденсата и обмерзанию;
  • устройства рекуперации, подающие на внешний теплообменник вытяжной вентиляционный поток;
  • система инжекции подогретого хладагента;
  • специальная марка хладагента.

Сфера применения

Основной критерий оценки для тепловых насосов — коэффициент тепловой эффективности, иначе называемый COP. Эту величину в действительности определить достаточно сложно, она зависит как от степени термодинамического совершенства — реального КПД машины с учётом всех цепочек преобразований, так и от мощности источника низкопотенциальной энергии. Эти два фактора склонны изменяться, в основном в зависимости от текущей разницы температур, то есть реальный интерес представляет динамика изменения COP в различных условиях работы. Иначе говоря, производительность отдельно взятой модели теплового насоса рассматривается в соответствии с доминирующим тепловым режимом, а не по самой холодной пятидневке. Экономия, полученная от установки в период умеренной разницы температур, должна покрывать затраты на работу конвекционных и лучистых источников в сильный мороз, когда тепловой насос работать не может.

Тепловые насосы рассчитаны не только для бытового применения. Они отлично справляются с сильным охлаждением ограниченных пространств: морозильных камер или отсеков с вычислительной техникой. В странах Запада активно развивается практика отведения под комнату-холодильник отдельного подвального помещения с последующей передачей тепла наружу летом или в приток вентиляции зимой. Это так называемые бивалентные системы теплоснабжения, другим частным случаем можно назвать подачу на внешний теплообменник воздуха, пропущенного по грунтовому теплообменнику или сухому солнечному коллектору.

Проблемы тепловых насосов

Системы отопления, основанные на воздушных тепловых насосах, отличаются высокой сложностью проектирования: требуется определить не только достаточный объём притока энергии для восполнения теплопотерь, но также эффективный режим работы, количество и расположение узлов нагревательной системы. При этом число единиц и стоимость задействованного оборудования должны быть, безусловно, минимальными.

Обычно следствием ошибок расчёта и установки воздушных систем отопления служит появление в помещении холодных зон, а также конденсация влаги на остеклении, не имеющем тепловой завесы. Места размещения внутренних блоков нужно определять по представленным производителем эпюрам распределения температуры и скорости потока для стандартных режимов нагрева. Эту задачу выполнить особенно сложно с учётом того, что введение каждого нового источника нагрева требует в разных вариациях:

  • установки дополнительного внешнего блока;
  • прокладки магистрали фреона до внешнего блока;
  • прокладки воздушного канала.

Из-за этого окончательная конфигурация системы отопления должна быть выбрана один раз, зачастую задолго до начала работ по внутреннему обустройству дома. Всё из-за крайне низкой пригодности тепловых насосов к модернизации и отсутствия существенного запаса мощности. Крайне важно уметь определить, в каких случаях использовать традиционные нагревательные приборы удобнее и выгоднее, чем инверторный кондиционер. Не в последнюю очередь следует думать и об эксплуатационном ресурсе теплового насоса: наиболее эффективной его работа будет при значениях COP выше 2–2,3.

Разновидности конфигураций: сплит-системы, моноблоки, руфтопы

При всей своей «неуклюжести» тепловые насосы имеют достаточно много конфигураций для выбора наиболее удобного размещения оборудования. Системы мультисплит обязаны своим появлением стремлению сохранить внешний вид зданий, а также обеспечить более высокий уровень технологической организации. Принципиальное отличие таких систем — наличие разветвителя и устройства автоматической регулировки мощности в достаточно высоком диапазоне.

Следующий шаг в этом направлении был сделан при выходе на рынок мультизональных систем VRF и, как частный их случай, систем VRV. В гражданском применении такие системы направлены на коллективное использование, они допускают одновременное подключение нескольких дюжин внутренних блоков к одной уличной установке, при этом протяжённость фреоновой магистрали может достигать сотни метров, а разница по высоте между элементами системы — вплоть до 12 этажей.

Тепловой насос VRV

Единственное строгое ограничение для тепловых насосов представляет необходимость нахождения внешнего испарителя на открытом воздухе, все остальные изменения в конфигурации — на усмотрение технологов. Это позволило действовать в обратном направлении, избежав применения фреоновых магистралей или сведя к минимуму их протяжённость. Компактные тепловые насосы для локального обогрева достаточно дёшевы, при этом они не требуют обустройства соединительных трубопроводов или воздушных каналов. Моноблочные инверторы, встраиваемые в стену или окно, а также руфтопы, блоки которых расположены по разные стороны от кровельного перекрытия на минимальном расстоянии, позволяют эффективно распределить тепло по всей полезной площади максимально равномерно.

Инженерные коммуникации

Очевидно, что наиболее пригодные места установки источников тепла в случае использования тепловых насосов — внешние стены и верхние этажи под плоской кровлей или холодным чердаком. Однако при значительных размерах здания его центральные помещения остаются без активного отопления, что не всегда удобно. Решить такую проблему можно за счёт правильной разводки фреоновых магистралей или организации воздушного обогрева, источником тепла в котором выступает атмосферный тепловой насос.

В последнем случае размещать внешний блок лучше в небольшой технической пристройке, обычно расположенной на уровне земли, что облегчает подключение к грунтовому теплообменнику, или на крыше — для подключения к полю гелиосистемы. Внутренний блок располагается внутри здания, соединяясь с внешним через проход в ограждающей стене. Транспортировка нагретого воздуха до потребителей осуществляется через замкнутую систему воздушных каналов:

  • в подающем контуре поддерживается постоянное давление воздуха, объём поступления которого по каждой ветке регулируется канальными шиберами;
  • входы вытяжных каналов расположены в точках, диаметрально противоположным местам установки тёплого притока, через них частично охлаждённый комнатный воздух собирается и подаётся ко внешнему блоку, обеспечивая тем самым цикл рекуперации.

Сама возможность полного контроля над вентиляцией подразумевает существенную экономию. При этом высокая сложность и стоимость воздушных каналов нивелируется относительно низкой стоимостью установки: один блок всегда обходится дешевле нескольких поменьше при равной суммарной мощности.

Когда система с тепловым насосом включает также внутренние блоки с системой медных трубопроводов, стоимость коммуникаций возрастает, однако вместе с тем повышается и комфорт пользования системой. С одной стороны — проложить сложную разводку фреоновых магистралей можно даже при небольшой толщине перегородок и перекрытий. С другой — иногда более эффективным решением оказывается организация замкнутых контуров, в которых циркулирует хладагент, для дальнейшего параллельного подключения к ним внутренних блоков — на это и рассчитаны мультизональные системы.

Канальные кондиционеры

Отдельная категория тепловых насосов, которая включает в себя преимущества воздушного рекуперативного отопления и экономичность инверторной схемы — канальные кондиционеры. Сама по себе концепция скрытого размещения внутренних блоков не нова, однако тепловые насосы подобного типа стали доступны широкому кругу покупателей сравнительно недавно.

Главное отличие такой конфигурации — практически полная бесшумность при наличии внутренних блоков, позволяющих настроить режим работы отопления с высокой гибкостью и точностью. Единственное ограничение для монтажа канальных тепловых насосов представляют строительные конструкции, которые должны содержать как достаточно широкие полости для прокладки каналов, так и внушительных размеров нишу для установки корпуса основного устройства. Но при этом фреоновые магистрали можно прокладывать параллельно с воздуховодами.

Внутренний блок канального теплового насоса выполняет функцию не только нагрева воздушного потока, но также его распределения по отдельным потребителям, фильтрацию и подготовку. Контур рекуперации также может присутствовать, но обычно это устройство выполняется в виде приставки. Помимо широких возможностей в управлении и настройке, скрытое расположение внутреннего блока может быть попросту удобным и никак не повлияет на интерьер помещения.

Резюме

Воздушные тепловые насосы пока не приходится рассматривать как основной и единственный источник обогрева, особенно если в течение отопительного периода возможны затяжные падения температуры ниже -5…-10 °C. Установки, способные работать в более экстремальном температурном режиме, существуют, но входят в значительно более высокую ценовую категорию с более продолжительным сроком окупаемости.

И всё же в среднем диапазоне температур такие приборы демонстрируют действительно высокую эффективность: для восполнения теплопотерь им необходима всего четверть их энергетического эквивалента. При сроке службы такого оборудования свыше 20–30 лет оно успевает окупить себя несколько раз, так что своевременный переход на современные энергоэффективные системы отопления поможет сэкономить в будущем, когда цена на энергоносители станет значительно более высокой, чем сегодня.

-->