Способы эксплуатации и варианты компоновки тепловых насосов «воздух- вода»

                                                                                                                    «Однако, потому что, что ж …»*

Тепловые насосы, использующие тепло окружающего воздуха могут быть двух типов: «воздух-воздух» или «воздух-вода». К первому типу относятся хорошо известные сплит и VRF/VRV-системы, которые могут работать на производство холода и тепла. Сплит системы идеально подходят для отопления небольших домов, площадью 70-100м², а VRF/VRV – используются в больших офисных и производственных зданиях для поддержания комфортных условий в помещениях. Данные системы хорошо известны и широко используются в России.

Второй тип - «воздух-вода» практически не представлен на нашем рынке, однако он хорошо подойдет для инсталлирования в системы отопления домов площадью от 100м² и выше, а также в офисных и производственных помещениях. Важной особенностью таких систем является использование компрессоров с промежуточным впрыском хладагента для повышения производительности и температуры. Кроме того, в дополнение к тепловому насосу требуется второй, дополнительный источник. Комбинация теплового насоса с другим источником тепла, который будет функционировать только при низкой уличной температуре называется бивалентным подключением.

Существуют несколько способов эксплуатации теплового насоса «воздух-вода»:

1. Моновалентный – использование только теплового насоса в качестве источника энергии. Этот вариант не подходит для климата средней полосы России, т.к. расчетная температура воздуха ниже чем температура, при которой работа теплового насоса становится неэффективной и он отключается.

2. Моноэнергетический – тепловой насос так же не нуждается в дополнительном источнике тепла , но содержит встроенный электротен для догрева теплоносителя в периоды, когда теплового насоса не хватает для нагрева теплоносителя до требуемой температуры.

3. Альтернативный бивалентный . Данный способ предполагает работу только теплового насоса для полного покрытия потребности в тепле до определенной заданной температуры на улице. При снижении температуры ниже установленной, тепловой насос отключается и включается альтернативный источник энергии, который полностью покрывает потребность в тепловой энергии. Данный способ подходит для всех отопительных систем, в том числе высокотемпературных (до 90 градусов С).

4. Параллельно бивалентный. При таком способе эксплуатации тепловой насос работает в моновалентном режиме до первой заданной температуры на улице – первой точки бивалентности, далее подключается дополнительный источник . Таким образом годовая доля тепловой энергии от теплового насоса выше, по сравнению с альтернативной бивалентной. Оба источника тепла работают совместно до следующей заданной температуры на улице – второй точки бивалентности, при которой отключается тепловой насос, а дополнительный источник покрывает всю потребность в тепловой энергии.   Данный способ подходит для низкотемпературных систем отопления «теплый пол» , а также радиаторного отопления с максимальной температурой теплоносителя - 65 градусов С.

5. Частично бивалентный. При данном способе тепловой насос работает самостоятельно до заданной температуры , далее, при снижении температуры на улице подключается второй источник тепла. Если при дальнейшем снижении температуры на улице тепловой насос не нагревает теплоноситель до требуемой температуры, тепловой насос отключается и работает только второй источник тепла. Данный способ подходит для любых систем отопления с температурой выше 60 градусов С (до 90 градусов С).

Рассмотренные выше способы бивалентной эксплуатации показывают, что любая система отопления, низко – , средне - или высокотемпературная, с источником тепла, работающем на углеводородном топливе, может быть доукомплектована тепловым насосом «воздух-вода», и преобразована в систему отопления с гибридным источником тепла.

Пример гибридного источника тепла – дизельные и газовые котлы со встроенными в них гидромодулями и внешними тепловыми насосами Daikin Altherma:

Интересный факт: Daikin разработала « с нуля» газовый конденсационный котел для гибридной установки .

Для сравнения эффективности тепловых насосов используется коэффициент СОР (CoefficientofPerformance) –   отопительный фактор, равный отношению произведенной энергии к затраченной. Отопительный фактор показывает экономичность теплового насоса, чем выше показатель, тем более экономичная эксплуатация. Эмпирически установлено, что снижение температуры отопительной воды на 1 градус повышает СОР на 2,5%. Поэтому, для вновь создаваемых объектов с гибридным источником тепла желательно проектировать низкотемпературную систему отопления.

Для существующих систем отопления с теплогенератором на углеводородном топливе, при выборе варианта бивалентности с тепловым насосом «воздух-вода», необходимо определить точки бивалентности. Первая точка бивалентности - это температура наружного воздуха, при которой уже не возможно 100% покрытие тепловых затрат дома тепловым насосом. Она определяется на графике зависимости мощности от уличной температуры, как точка пересечения характеристики тепловых потерь дома с характеристикой мощности теплового насоса. Вторая точка бивалентности , это температура наружного воздуха при которой работа теплового насоса становится не эффективной и он отключается.

Идеальными решениями для эффективного использования теплового насоса являются системы отопления «теплый пол» , «теплые стены» или «теплый потолок» т.к. в таких системах используется теплоноситель с низкой температурой 40-50 град.С Материалы для таких систем предлагают, например, такие фирмы как UPONOR, OVENTROP, CLINA и др. Пример CLINA: 

Радиаторные систем отопления работают наиболее эффективно при температурах теплоносителя 80-90 град.С. Снижение температуры теплоносителя в 1,5 раза приводит к снижению эффективности радиаторов примерно в 2,5 раза. Для увеличения эффективности радиаторного отопления при низкотемпературном режиме отопления (если нижняя часть радиаторов холодная), необходимо увеличить проток воды, увеличив скорость на насосе или заменив насос на более мощный.

В отличии от проектирования системы отопления с традиционным высокотемпературным теплогенератором, мощность которого подбирается, как правило, со значительным резервом, при проектировании системы отопления с гибридной установкой, мощность теплового насоса «воздух-вода» подбирается с учетом покрытия 60 -80% тепловых потерь дома, такая мощность теплового насоса должна быть достаточна, пока температура на улице не опустится до, например, -15°C (первая точка бивалентности). При температуре на улице ниже -15°C автоматически запускается источник бивалентности. В доме с расчетными теплопотерями, например, 10 kW можно инсталлировать тепловой насос с выдаваемой мощностью 6kW при -15°C. Оставшиеся 4 kW, которые необходимы только при низких температурах на улице, будут отбираться у второго резервного источника энергии. Работа этого источника энергии займет около 5-10% общих затрат за отопительный сезон. Мощность источника бивалентности должна покрывать более 100% тепловых потерь дома, так как тепловой насос отключится при температуре наружного воздуха - 25 град.С и вся тепловая нагрузка дома перейдет на него.

Тепловой насос «воздух-вода» может быть выполнен в различных вариантах размещения элементов оборудования:

- моноблок - все элементы теплового насоса размещены в едином корпусе для наружного или внутреннего размещения:

- сплит-система – когда или только испаритель , или испаритель с компрессором размещены в наружном корпусе:

У каждого из этих компоновочных решений существуют свои преимущества и недостатки.

Тепловой насос   входит в число приборов, подлежащих контролю по нормам строительной акустики, поэтому при его размещении необходимо соблюдать меры по снижению уровня шума . Основными Источниками звука теплового насоса является компрессор и вентилятор (кроме варианта с атмосферным испарителем).

Уменьшить прямое распространение звука от теплового насоса в моноблочном наружном исполнении можно с помощью строительных ограждений или кустарников - живых изгородей. Увеличение расстояния между тепловым насосом и объектом в два раза уменьшает уровень звукового давления примерно на 6 дБ(А):

Подключать тепловой насос к системам отопления следует с помощью гибких шлангов и эластичных креплений трубопроводов, чтобы вибрация от насоса не передавалась на конструкцию дома.

Относительно низкая температура на выходе из теплового насоса (до 65 град.С) не позволяет применить эффективно стандартные технические решения для нагрева системы ГВС. Так, используемые обычно для приготовления горячей хозяйственно-бытовой воды бойлеры с встроенным внутренним теплообменником расчитаны на более высокие температурные режимы отопительной воды (90/60 град.С). При пересчете на более низкие температурные режимы может оказаться недостаточной мощность встроенного теплообменника. Для тепловых насосов площадь поверхности теплообмена должна составлять 0,25 м2 на каждый кВт мощности.

   Совсем другое дело – подогрев воды в бассейне с помощью теплового насоса. Это экономически выгодно и процесс можно точно регулировать, в отличии от подогрева воды бассейна солнечными коллекторами.

    Существует множество гидравлических схем интеграции теплового насоса в системы отопления, горячего водоснабжения и охлаждения, что позволяет эффективно и экономично решать любые инженерные задачи.

*Цитата Черномырдина В.С.