Теплові насоси для опалення будинку: види, плюси та мінуси

Як зменшити витрати на опалення приватного будинку? Для будь-кого, хто планує будівництво заміського житла, це одне з найактуальніших питань. Відповіддю є теплові насоси (ТН), які дозволяють зменшити витрати на обігрів до 80%. Теплові насоси – порівняно новий метод обігріву будинку та забезпечення гарячого водопостачання, який набирає популярність. Далі ми поговоримо про принцип роботи такого обладнання, види теплових насосів, їх особливості, переваги теплових насосів та їх недоліки.

Електроенергія, газ та вугілля – три основні види опалення, які використовують українські домовласники. У кожного з енергоносіїв свої особливості, але поєднує їх одне – стабільне зростання ціни рік у рік. Це змушує шукати альтернативи. Однією з таких альтернатив є теплові насоси – парокомпресійні установки, що забезпечують перенесення тепла від низькопотенційних (холодних) джерел теплової енергії до теплоносія.

Принцип роботи теплового насосу

У конструкцію будь-якого теплового насоса входять такі пристрої: конденсатор, випарник, компресор (підвищує тиск) та розширювач (знижує тиск). Всі перелічені елементи об’єднані за допомогою трубопроводу і є одним замкнутим контуром. За цим контуром циркулює охолоджувач. Фреон, хладон – це технічний термін присвоєний групі фторвмісних похідних метану та етану. Він являє собою інертний газ, який має наднизьку температуру кипіння. З цієї причини в гарячій частині контуру він знаходиться в газоподібному стані, а в холодній він стає рідиною.

Переміщаючись у компресор, холодоагент (найчастіше фреон) піддається дії високого тиску і стискається, через що його температура підвищується. Розігрітий тиском газ надходить в іншу частину теплообмінника – в конденсатор. Тут проміжний теплообмінник передає тепло теплоносія, який входить до системи опалення будинку. Під час того, як холодоагент віддає тепло, він конденсується знову стає рідким, а нагрітий ним теплоносій подається в систему опалення. Рідкий фреон проходить через розширювач, де скипає поглинаючи тепло. Потім переміщається у випарник, де докипають залишки рідкої фракції – цикл повторюється знову.

Важливою особливістю теплових насосів є універсальність використання – за низьких температур повітря вони забезпечують обігрів приміщень, а в спеку – їх охолодження. У другому випадку (реверсивний тепловий насос) використовується той самий принцип. Різниця лише в тому, що в спеку теплоносій рухається в іншому напрямку – він надходить не зовні, а з будинку, із внутрішніх приміщень.

Спробуємо переказати те саме простими словами.

Давайте пригадаємо, як працює холодильник . У камери холодильника містяться продукти, що мають кімнатну температуру. За законом збереження енергії накопичене ними тепло не може випаруватися в нікуди – його необхідно вивести за межі холодильника, що робиться за допомогою радіатора, розташованого за агрегатом. Радіатор для цього і призначений для розсіювання, передачі в навколишнє повітря тепла, «витягнутого» з продуктів.

Тепер уявимо холодильник, який встановлений на вулиці з відкритими дверцятами, а його радіатор демонтований і встановлений у будинку. Навіть якщо температура повітря на вулиці буде на кілька градусів вище за температуру кипіння фреону, яким заправлений холодильник, агрегат передаватиме це тепло через радіатор у будинок, витягаючи його з навколишнього середовища. Це і є найпростішим прикладом теплового насоса. Описаний принцип називається циклом Карно: саме на ньому ґрунтується робота холодильних установок та кліматичної техніки.

Різновиди теплових насосів: аеротермальні, гідротермальні, геотермальні

Існує три основні види теплових насосів. Вони відрізняються джерелом отримання тепла, ціною обладнання та вартістю монтажу, параметрами роботи.

1. Аеротермальні – тепловий насос повітря вода. Використовують тепло із навколишнього повітря, з атмосфери. Особливість цього виду теплових насосів у тому, що для їх монтажу не потрібно витрачатися на буріння свердловин, рити траншеї та проводити будь-які інші трудомісткі земляні роботи – всі вузли агрегату розміщуються на поверхні. Це важливий плюс, оскільки кошторисна вартість суттєво знижується, як і витрати часу на монтаж.

За всіх перерахованих переваг у аеротермальних насосів є один важливий недолік – вони перестають працювати при серйозних морозах. На їхню стабільну роботу можна розраховувати тільки при температурі не нижче -25℃, тому повітряні насоси не можуть повністю обігріти приміщення при похолоданні в регіонах із суворими зимами. ТН не «тягне» сильні морози. При падінні температури повітря до -25° і нижче, він не справлятиметься з опаленням будинку, тому необхідно мати додатковий теплогенератор – електричний обігрівач або камін. У цьому випадку частіше використовують комбінацію теплового насоса та електричного котла. При досягненні вуличної температури -18-22℃ повітряний тепловий насос відключається, а електричний тен повністю його заміщає.

Ще один важливий фактор, який потрібно враховувати при виборі такого обладнання – це середня вологість повітря в районі, де знаходиться ваш будинок. Ідеальний варіант для таких систем – низький рівень вологості та м’які зими. Якщо клімат вологий і холодний, то встановлення повітряних теплових насосів недоцільне: теплові установки обмерзнуть і більший час стояти в режимі відтайки.

2. Гідротермальні (водяні) насоси. Використовують тепло води довколишнього водоймища або ґрунтових вод. Такі установки відрізняються високою стабільністю та ефективністю роботи завдяки високому коефіцієнту тепловіддачі води та низькому рівню температурних коливань. Гідротермальний тепловий насос має сенс купити у таких випадках:

• на ділянці, де розташований ваш будинок, залягають ґрунтові води в достатньому обсязі або є водоймище;
• глибина залягання ґрунтових вод – не більше 40 метрів;
• вода має властивості, необхідні стабільної роботи устаткування (низький рівень вмісту заліза та інших домішок)

Свердловини . Варіант зі свердловинною водою як джерело тепла найбільш складний у монтажі та витратний. Він передбачає буріння двох свердловин: одна служитиме забору води, інша – її скидання.

Водойми . Які водоймища можуть використовуватися? До них належать море, річка або озеро, які мають бути розташовані не далі 50 метрів від будинку. Колектор (труби з холодоагентом) укладають на дно водоймища та обтяжують вантажем. Завдяки високій температурі робочої рідини забезпечується високий ККД установки та суттєва економія на опаленні. Тим, хто живе в регіоні з м’яким кліматом, на узбережжі моря, або неподалік глибокого озера або річки, водяний тепловий насос здатний стати джерелом безкоштовної енергії на довгі роки.

Стоки . Ще одне джерело води, яке може використовуватись такими насосами – це каналізаційні стоки. Вони успішно застосовуються як джерело тепла для систем гарячого водопостачання та опалення – як приватних будинків, так і багатоповерхівок.

3. Геотермальні (ґрунтові) насоси. Такий агрегат для підігріву робочої рідини у випарнику використовує тепло ґрунту. Це нескінченне джерело енергії, оскільки температура грунту нижче рівня промерзання не змінюється і залежить від погодних умов. Вже на глибині 3 метри температура ґрунту варіюється від +5 до +8℃, а на 10 метрах вона становить уже +10℃.

Системи опалення, основою яких є геотермальний насос тепла, мають високу ефективність, можуть цілий рік підтримувати комфортний мікроклімат в будинку.

Використання ґрунтового теплового насоса передбачає закладку трубопроводу з холодоагентом у ґрунт поруч із будинком. При цьому є два варіанти розміщення труби системи.

Вертикальний геотермальний зонд . У цьому випадку труби розташовуються у вертикальній площині. Глибина їхнього розміщення може досягати 100 метрів, що робить цей варіант досить затратним. Ще один аспект – необхідність узгодження з наглядовими органами буріння свердловин такої глибини. Перевагою такого технічного рішення економія площі ділянки.

Альтернативою глибокої закладки труб є схема, за якої використовуються кілька геотермальних вертикальних зондів. Вони заглиблюються в ґрунт на 20 метрів і розташовуються на відстані 5-7 метрів один від одного. При використанні такого методу ефективність зондів (питомий теплознімання) визначається типом ґрунту. Найбільш виграшний – це кам’янистий обводнений ґрунт, який добре проводить тепло (70 Вт/м). Вологі осадові породи забезпечують 50 Вт/м. Найменш «ефективними» будуть сухі осадові породи – у цьому випадку теплознімання не перевищуватиме 30 Вт/м.

Підсумуємо: пристрій геотермальних вертикальних зондів обходиться дорого через глибоке буріння, проте має свої переваги: ​​високий питомий теплознімання, гарантована стабільність температури, економія площі ділянки та мінімальні пошкодження ландшафту.

Горизонтальний контур (колектор) . При такій схемі розташування труб вони поміщаються в ґрунт на незначну глибину (нижче за рівень промерзання ґрунту – від 1,2 до 3 метрів), і розташовуються на великій площі. Довжина труб геоконтуру у кожному окремому випадку розраховується індивідуально. Для цього можуть бути використані поліетиленові труби різного діаметра (від 25 до 40 мм), які розташовуються на відстані 500-1000 мм один від одного.

Залежно від проекту, колектор може мати різну форму (спіраль, зигзаг, петлі тощо). Після закладки труби колектора заповнюються робочою рідиною (антифризом), який вбирає тепло від ґрунту, переміщає його до теплового насоса та віддає холодоагенту. Після цього охолоджений антифриз знову повертається до підземного контуру і цикл повторюється.

Ефективність насоса визначається характеристиками ґрунту як джерела тепла. Наприклад, насичена вологою глина забезпечує до 25 Вт на метр труби, суха глина 15-18 Вт/м, пісок (сухий) – 10 Вт/м. Для прикладу – щоб забезпечити опалення будинку площею 100 м2, знадобиться вільна територія площею 400 квадратних метрів. З цього можна дійти невтішного висновку, що геотермальні насоси з горизонтальним колектором підійдуть власникам ділянок із великою площею, яка вільна від будівель.

Особливості експлуатації теплових насосів

Для того щоб знизити до мінімуму ризики поломок теплового насоса і зробити його роботу максимально ефективною, потрібно подбати про забезпечення різниці температури теплоносія на вході та виході з теплообмінників, дельтою в 5℃ (температурний напір), а також облаштуванні в будинку трифазної електромережі – це дозволить убезпечити обладнання від перепадів напруги. Ще один нюанс – має бути проведене якісне утеплення приміщень (максимально допустимий рівень втрат тепла – не більше ніж 100 Вт/м²).

Основні переваги та недоліки теплових насосів

Ключова перевага ТН у ​​тому, що їхній коефіцієнт корисної дії в рази вищий, ніж у звичайного електричного обладнання для опалення або кондиціювання. Наприклад, навіть у сучасних, економічних електричних обігрівачів обсяги виробленого тепла приблизно дорівнюють витраченій енергії.

Теплові насоси у цій сфері поза конкуренцією – вони виробляють теплової енергії в 3-7 разів більше (СМР), ніж використовують електроенергії. COP – це одиниця, яка вимірює ефективність роботи теплового насоса.

До інших переваг установки теплового насоса можна віднести:

• Тривалий робочий ресурс. Якщо дотримуватись правил експлуатації та своєчасно проводити технічне обслуговування, то насоси можуть працювати без поломок та ремонту десятиліттями (до 30 років і більше). Єдина “слабка ланка” в таких системах – це компресор, який може вимагати заміни один раз на 15-20 років;
• Значна економія палива. В Україні ціни на енергоносії завжди тільки зростають, і у довгостроковій перспективі ТН дозволяє заощаджувати на них великі суми;
• Універсальність використання. У більшості моделей теплових насосів є одна чудова властивість – реверсивність: у літню спеку вони охолоджують будинок, а в холодну пору року забезпечують опалення;
• Повна автоматизація. Правильне налаштування роботи ТН забезпечує повну автоматизацію: користувачеві залишається лише виставляти температуру нагріву приміщень взимку та охолодження – влітку;
• Широка географія використання. Різноманітність видів ТН дозволяє експлуатувати їх у різних регіонах, з різним кліматом: у випадку з тепловими насосами джерелами тепла може виступати грунт, повітря або вода;
• Перспективи повної автономності. Якщо як джерело електроенергії використовувати сонячні панелі, то можна побудувати в будь-якій, навіть найвіддаленішій місцевості повністю автономний будинок, який сам себе забезпечуватиме теплом, водою та електрикою;
• Мінімальне технічне обслуговування. Надійність та довговічність обладнання робить його маловитратним в експлуатації;
• Повністю безкоштовне джерело тепла. Ми поки не платимо за повітря, яким дихаємо, воду у водоймищах та ґрунт під ногами: за допомогою ТН вони стають нескінченним ресурсом для отримання теплової енергії.

Тим часом дані системи мають свої недоліки, про які необхідно знати:

Висока вартість самого обладнання та його монтажу. Так як початкові витрати досить великі, ТН окупиться не відразу – в середньому на це потрібно 3-7 років. Швидко окупаються лише аеротермальні (повітряні) насоси, які вимагають мінімум витрат під час встановлення.

Орієнтація на опалювальні системи із низькою температурою теплоносія. Найвигідніше теплові насоси використовувати для систем теплої підлоги з температурою 35-40°C.

Вплив геотермальних насосів на аеробні мікроорганізми. При роботі ґрунтових насосів земля навколо труб піддається постійному охолодженню, що призводить до загибелі аеробних бактерій, які сприяють очищенню стоків від шкідливих речовин.

Вибираємо тепловий насос: основні критерії

Тим, хто планує придбати таке обладнання, рекомендується вибирати відповідну модель за такими критеріями:

• Кліматичні умови у регіоні проживання. Для регіонів із морозними зимами підійде лише обмежена кількість моделей;
• Доступ до джерел теплової енергії. Для геотермальних насосів – це наявність на ділянці вільної території, для гідротермальних ТН – наявність поблизу водойм, ґрунтових вод;
• Площа опалювального об’єкта, його енергоефективність. Чим більший будинок, тим складнішим і дорогим буде тепловий насос: потужні моделі вимагають значних витрат на монтаж.
• Бюджет для покупки. Найбільш доступні за ціною аеротермальні насоси, що не потребують великих витрат на монтаж.

Розрахунок потужності теплового насоса . Якою потужністю повинен мати насос? Щоб розрахувати потрібну вам потужність, потрібно знати наступні параметри: об’єм тепловіддачі опалювальним системам, загальну площу поверхні труб у випарнику та конденсаторі, а також об’єм робочої рідини (холодоагенту).

Зручним рішенням буде використання для розрахунків онлайн калькулятора. Найчастіше там потрібно запровадити:

• висоту стель і загальну площу будинку (обчислюється опалювальна площа);
• регіон проживання (визначається середня температура повітря);
• енергоефективність об’єкта (ступінь утеплення будинку) – розраховується необхідна продуктивність теплового насоса.

приклад розрахунків. Для опалення будинку площею 150 м рекомендується ТН продуктивністю 11-13 кВт.

Практичні поради щодо вибору ТН

Теплові насоси є технічно складним, дорогим обладнанням, тому до його покупки варто підійти з усією відповідальністю.

Перед покупкою необхідно звернутися до профільних фахівців для розробки проекту та проведення необхідних розрахунків.

Доцільніше звертатися до однієї компанії, яка надає повний комплекс послуг: продаж обладнання, встановлення та сервісне обслуговування.