Собственный частный дом – это почти всегда приличные счета за отопление. К счастью, мы живем в веке, когда тепло можно брать буквально из воздуха. Это не магия и не фигура речи – тепловой насос умеет отбирать тепло из грунта, подземных вод, уличного воздуха и нагревать помещение. Разбираемся, какой тепловой насос для отопления дома подойдет в каждом конкретном случае, как они работают и какие бывают.
Как устроен тепловой насос?
Тепловой насос отличается от классических отопительных приборов тем, что он не создает тепло, в нем нет нагревательных элементов, в нем не сжигается топливо. Устройство просто переносит тепло и работает подобно большому кондиционеру. Тепло насос берет из окружающей среды – грунта, воды, воздуха.
Принцип работы теплового насоса можно описать следующим образом:
- теплоноситель двигается по первому контуру, берет из окружающего пространства тепло, при этом температура его повышается незначительно – всего на пару градусов;
- чуть нагретый теплоноситель поступает в испаритель и отдает тепло хладагенту;
- хладагент превращается в пар и попадает в компрессор (даже незначительного нагрева для этого достаточно);
- в компрессоре хладагент сжимается, повышается его температура, следовательно повышается и температура;
- горячий хладагент попадает в конденсатор, где нагревает воду, циркулирующую в системе отопления дома;
- сам хладагент при этом охлаждается, из парообразного состояния переходит в жидкое, возвращается в начальную точку, и процесс запускается заново.
Тепловой насос потребляет электроэнергию, но она тратится исключительно на работу элементов системы, а не на нагревание ТЭНа. С практической точки зрения это означает, что установка, потребляющая 300-700 Вт электроэнергии, генерирует тепло на 2 кВт, т.е. ее КПД всегда выше 100%. Электрический же нагреватель для выработки 2 кВт энергии потратит минимум те же 2 кВт, но на деле – больше.
Иногда принцип работы теплового насоса объясняют, проводя аналогию с морозильной камерой холодильника. Внутри нее иней и лед, а снаружи решетка нагревается так, что к ней лучше не дотрагиваться. Если взять и удлинить трубки с фреоном и поместить их в ванну с водой, то вода в ней начнет охлаждаться, а решетка греться и греть воздух, т.е. холодильник будет перекачивать тепло от воды к воздуху и нагревать помещение.
Идея изобретения теплового насоса основана на том, что каждое тело с температурой выше абсолютного нуля (-273,15 0С) имеет запас тепловой энергии. Запас пропорционален массу тела и его удельной теплоемкости.
На практике все это означает, что отобрать тепло из окружающей среды можно почти всегда, по крайней мере пока температура за окном не опустится ниже -250С. И тут мы подошли к одному интересному моменту. Что же делать, если температура вдруг таки опустилась низко, и тепловой насос не справляется?
Зачем нужен встроенный ТЭН в тепловом насосе?
Есть тепловые насосы со встроенным ТЭНом. Это дополнительная опция, за которую стоит переплатить, если в регионе нередко бывают морозные дни с температурой ниже -150С. В этом случае работа теплового насоса может быть недостаточно эффективной, и имеет смысл воспользоваться альтернативным способом подогрева здания, а не ждать потепления.
Можно, конечно, обойтись без ТЭНа и поставить более мощный насос, но стоит ли постоянно переплачивать за ненужную мощность, если по-настоящему морозных дней в регионе мало? Дешевле обойтись редкими включениями ТЭНа. В большинстве случаев это более экономичное решение.
Виды тепловых насосов
Тепловые насосы уже давно активно используются в Японии, США, многих странах Европы, постепенно завоевывают и российский рынок. Отличаются насосы не только мощностью, но и тем, откуда они берут энергию и каким способом потом греют помещение. Источником может быть воздух, грунт, вода – это слово будет стоять слева в названии системы. Полученное тепло может отдаваться теплоносителю (воде) для циркуляции по системе отопления или в системе «теплый пол», или же поступать непосредственно в помещение в виде нагретых воздушных масс (воздух). Справа в названии системы всегда будет указано «вода» или «воздух», т.е. куда передается тепло.
Воздух-воздух
Самая простая система. Принцип работы строится на отъеме тепла у окружающего воздуха. Коллектор не требуется в принципе, ведь уличный воздух сразу поступает в испаритель и отдает тепло хладагенту. Нагретый воздух попадает в помещение через внутренние настенные или напольные блоки. По сути, это большой кондиционер.
Преимущества такой системы:
- простота монтажа;
- невысокая цена и быстрая окупаемость;
- быстрый прогрев помещения;
- возможность использовать летом в качестве кондиционера.
Минусы:
- производительность зависит от наружной температуры. Часто указывают, что серийные модели работают при температуре до -300С, но уже ниже -150С производительности может быть недостаточно для поддержания комфортных условий в помещении;
- тепловой насос такого типа не нагревает воду для системы горячего водоснабжения, потому придется задействовать другой источник тепла.
Не рекомендуется использовать систему «воздух-воздух», если в регионе повышена влажность и часто дует сильный ветр. В этом случае нельзя исключить обледенение и обмерзание, что снизит эффективность работы. Такие системы отлично себя показывают в регионах с теплым климатом и сухим воздухом – там круглогодично насос будет работать без каких-либо проблем.
Воздух-вода
Система напоминает предыдущую, только тепло передается воде, которая циркулирует в системе отопления. Такие насосы относительно легко монтировать, они быстро окупаются, но эффективность зависит от уличной температуры. Прежде, чем реализовать такое решение, необходимо проанализировать средние температуры в регионе, количество морозных дней.
Особенность данной системы – возможность догревать воду благодаря энергии, полученной от солнечных панелей. Можно использовать отдельные или встроенные электронагреватели – это решение для самых морозных дней
Вода-вода
Очевидно, что вода в жидком состоянии всегда имеет положительную температуру, потому тепло можно использовать в своих нуждах. Если рядом есть водоем или неглубокие подземные воды, то можно организовать теплоснабжение за их счет. Коллектор укладывается на дно водоема или же бурятся две скважины (в случае с грунтовыми водами), а теплоноситель передает тепло хладагенту, дальше – по стандартной схеме.
Обустройство теплового насоса отличается в зависимости от того, какой источник тепла выбран:
- водоем должен быть расположен не более чем в 50 м от дома. Это достаточно экономная и эффективная конструкция. На дне водоема обустраивается коллектор (трубы, сложенные в кольца или спирали), причем достаточно с помощью груза затопить трубы, и насос начнет подавать в дом тепло;
- извлечь тепло из грунтовых вод сложнее и дороже. Необходимо пробурить две скважины, трубы в них не опускают, тепло от воды отбирают уже на поверхности, после чего вода возвращается во вторую скважину. Чтобы реализовать такую схему, необходимо иметь на участке неглубоко залегающие грунтовые воды, сброс необходимо сделать ниже забора, а воду отфильтровать, чтобы оборудование не засорилось и не поржавело.
Чтобы система работала, необходимо использовать большой объем воды, т.е. и насосы будут достаточно мощные. С другой стороны, система очень энергоэффективная, потому все затраты на питание оборудования окупаются с лихвой. Так как тепло передается воде, то с такой системой можно получить еще и горячее водоснабжение.
В промышленных условиях тепло можно отбирать у канализационных стоков.
Вода-воздух
Тепловая энергия отбирается от воды в водоеме или скважины и передается на воздушную систему отопления, т.е. из напольных или потолочных клапанов будет дуть теплый воздух, позволяя быстро прогреть помещение. Главное условие установки такого насоса – наличие водоема или грунтовых вод.
Грунт-вода
Грунт – самый стабильный накопитель тепла. На глубине ниже температуры промерзания почва всегда имеет положительную температуру. Глубина промерзания будет разной для разных регионов, но даже в самых суровых районах на глубине 2-2,5 м почва уже не замерзает, в южных регионах этот показатель и вовсе меньше 1 м. Самое важное – почва есть на любом участке, потому и систему отопления можно выстроить практически везде.
Есть два основных способа отобрать тепло у грунта:
- разместить коллектор в горизонтальной плоскости. В качестве коллектора берут трубу диаметром 25-40 мм, укладывают ее горизонтально кольцами, змейкой или спиралью. Главное – расстояние между трубами должно быть 60-80 см. Глубина расположения такого коллектора зависит от глубины промерзания почвы. Можно сделать двухуровневый коллектор, но такое решение используют нечасто. Сколько можно получить тепла? Зависит от типа почвы. Так, например, сухой песок может дать около 10 Вт с каждого метра коллектора, а глина с высоким содержанием воды – уже 35 Вт. Чтобы обеспечить качественным нагревом дом площадью 100 м2, понадобится создать внушительный по площади коллектор (примерно на 5 соток). Причем некоторые домовладельцы жалуются, что над коллектором все плохо растет или вовсе не растет, так как почва постоянно охлаждается. Впрочем, деревья с мощной корневой системой над таким коллектором садить нельзя, капитальные постройки строить тоже. Травы, кустарники и цветы разрешены;
- вертикальный коллектор более эффективен, но и на обустройство придется потратить несколько больше. Трубы можно заглублять на глубину до 20-150 м. Можно пробить одну скважину на глубину порядка 100 м и опустить туда U-образную трубу. Можно пойти более простым путем, вырыть несколько скважин по 20 м и в каждую заглубить по такой же U-образной трубе. Теплоотдача будет примерно одинаковой. В зависимости от строения почвы, можно получить от 20 Вт с погонного метра труб (сухие осадочные породы) до 80 Вт тепла (грунтовые воды).
Тепловой насос такого типа способен бесперебойно работать круглый год в течение многих лет, но обустройство и подключение потребует немалых финансовых затрат. Стоимость оборудования и работ выше, чем для любого другого типа теплового насоса.
Система отопления для теплого насоса
Полученное у природы тепло подают потребителю разными способами:
- радиаторы – обязательно выбирают низкотемпературные. Если в помещении уже установлены радиаторы, предназначенные для работы с более высокотемпературным теплоносителем, то придется либо добавить несколько новых секций, либо дополнительно использовать систему «теплый пол» или фанкойлы;
- теплый пол – классика для тепловых насосов, так как для этой системы как раз и необходим низкотемпературный теплоноситель;
- фанкойлы – блоки, через которые в помещение будет поступать теплый или прохладный воздух;
- теплый плинтус используется реже всего, но позволяет максимально эффективно использовать полученное тепло.
Способы охлаждения тепловым насосом
Охлаждение в системе с тепловым насосом может быть двух типов:
- активное – классическое охлаждение, когда включается реверс и система начинает отбирать тепло не из окружающей среды, а из помещения и передавать его на внешний контур. В данном процессе участвует компрессор, на работу которого требуется примерно 50% от мощности, затрачиваемой на отопление;
- пассивное – охлаждение, которое происходит в обход компрессора, а значит, позволяет сэкономить. Применяется в системе «грунт-вода». За отопительный период грунт успевает сильно охладиться, вплоть до отрицательных значений. За лето он, конечно, прогревается самостоятельно, но избытки тепла из помещения позволят ускорить процесс, быстрее восстановить грунт и даже перенасытить его теплом, чтобы на следующую зиму эффективность теплового насоса была еще выше.
Плюсы и минусы тепловых насосов
Технология использования тепла окружающей среды кажется новаторской, но существует уже достаточно давно. Интересно, что в 80-е годы в Ялте для обогрева санатория «Дружба» использовалось тепло моря. Тепловой насос не только обеспечивал отопление всего комплекса, но и нагревал воду в бассейнах, охлаждал комнаты в жаркие дни, обеспечивал горячей водой всю округу.
Преимущества тепловых насосов очевидны:
- экономия на отоплении;
- минимальные временные затраты на техобслуживание системы, отсутствие необходимости периодически добавлять топливо;
- дом можно надолго оставить в отопительный период, не боясь, что что-то случится с отопительной системой;
- полная экологичность, ведь вредные выбросы отсутствуют, а используемый хладагент безопасен;
- возможность использовать систему практически где угодно;
- универсальность – тепловой насос может использоваться не только для отопления, но и для охлаждения или горячего водоснабжения. Воду в системе ГВС догревает до 550С. Если этого мало, лучше дополнительно поставить бойлер;
- долговечность теплового насоса достигает 50 лет, правда, компрессор за это время придется все же заменить.
Минусов немного, но они существенные:
- большие капиталовложения на начальном этапе;
- при морозах ниже -200С эффективность почти всех тепловых насосов сильно уменьшается, потому если такие морозы в регионе нередки, придется задуматься о дублирующем варианте обогрева.
Что учесть при выборе теплового насоса?
Тепловой насос рекомендуют устанавливать только тогда, когда другое оборудование нерентабельно. Прежде оцените ситуацию по следующим параметрам:
- тип помещения. Если речь идет о доме, где люди живут круглогодично, необходимо выбирать систему, которая сможет бесперебойно обеспечивать теплом и горячей водой, например «воздух-вода» или «грунт-вода». Если дом используется для отдыха и редких визитов, то самого простого насоса «воздух-воздух» будет достаточно;
- регион размещения. Стоит оценить климат, ведь если в регионе очень холодно, то система «воздух-воздух» отпадает ввиду невысокой эффективности. Система «воздух-воздух» как единственный самостоятельный вариант отопления может использоваться разве что на Кавказе, в Крыму, на побережье Черного моря. Во внимание принимают наличие водоемов, расположение грунтовых вод, возможность бурения, расположения горизонтального или вертикального грунтового коллектора;
- площадь дома. Для помещений площадью более 250 м2 лучше всего подходят системы типа «грунт-вода». Для дома менее 200 м2 можно обойтись более дешевой в обустройстве «воздух-вода». Торговые помещения и офисы можно и вовсе оснастить системой «воздух-воздух»;
- использование в качестве кондиционера. У систем «грунт-вода» и «вода-вода» есть возможность пассивного охлаждения без использования компрессора. Система «воздух-воздух» также способна охлаждать, но затратит больше электроэнергии.
Так как выбор, расчет, монтаж и запуск теплового насоса – это очень серьезное и сложное дело, рекомендуем все от и до поручить профессионалам. Ошибки приведут к недостаточной мощности, постоянному замораживанию теплоносителя и поломкам.