Тепловые насосы

Тепловой насос — это устройство, которое может обеспечивать отопление зимой, охлаждение летом и производство горячей воды круглый год.

Тепловой насос использует энергию возобновляемых источников — нагретого воздуха, земли или воды — для производства тепловой энергии. Это преобразование осуществляется с помощью хладагентов.

Принцип действия теплового насоса
Конструктивно любой тепловой насос состоит из двух частей: наружной, которая «забирает» тепло возобновляемых источников, и внутренней, которая отдает это тепло в систему отопления или кондиционирования. Современные тепловые насосы отличаются высокой энергоэффективностью, что на практике означает следующее — потребитель, используя тепловой насос, тратит на обогрев или охлаждение помещения, в среднем, всего четверть тех денег, которые он потратил бы, если теплового насоса не было.

Проще говоря, в системе с тепловым насосом 75% полезного тепла (или холода) обеспечивается за счет бесплатных возобновляемых источников — тепла земли, грунтовых вод или нагретого в помещениях и выбрасываемого на улицу использованного воздуха.

На каждый 1 кВт электроэнергии, потребляемой тепловым насосом для работы его компрессора, в среднем, вырабатывается около 4 кВт полезной тепловой энергии. Это соответствует ~300% эффективности.

Ниже приведено сравнение энергоэффективности отопления с помощью теплового насоса с другими способами по данным EHPA (Европейская ассоциация тепловых насосов).

Тип отопления Энергоэффективность, %
Тепловой насос 150-400
Котел на жидком топливе или газе 70-96
Электрический котел 35-45

Но стоит помнить, что реальные значения эффективности тепловых насосов зависят от температурных условий, т.е. в холодные дни их эффективность падает. Она составляет порядка 150% при температуре −20 °C, и порядка 300% при температуре источника +7 °C. Но технологии тоже не стоят на месте — современные модели отличаются большей энергоэффективностью, причем эта тенденция сохраняется.

По своему принципу действия тепловой насос аналогичен чиллеру. Поэтому в летнее время он может применяться не для обогрева дома, а для его охлаждения или кондиционирования. Принцип работы системы охлаждения с помощью теплового насоса аналогичен системе отопления, только вместо радиаторов используются фанкойлы. При пассивном охлаждении теплоноситель просто циркулирует между фанкойлами и источником холода, т.е. холод напрямую поступает в систему кондиционирования, но сам компрессор при этом не работает. Если пассивного охлаждения недостаточно, включается компрессор теплового насоса, который дополнительно охлаждает теплоноситель.

Достоинства и недостатки тепловых насосов
Одним из главных достоинств тепловых насосов являются их низкие эксплуатационные расходы, т.е. стоимость произведенного тепла или охлаждения для конечного потребителя является самой низкой по сравнению с другими способами отопления/кондиционирования.

Да, тепловой насос для отопления нуждается в электрической энергии (прежде всего, для обеспечения работы компрессора и нагнетающего насоса или вентилятора), но и потребление будет в разы меньше, чем если бы для обогрева помещения использовался электрокотёл. Коэффициент преобразования у тепловых насосов довольно высокий: от 3 до 5. Это значит, что, оплачивая один электрический кВт/час, мы получим до 5 кВт тепла, а этого достаточно, чтобы обогреть помещение в 45-50 м2. Ещё лучших показателей энергоэффективности удаётся добиться, если использовать в системе аккумулирующие ёмкости тепла и уменьшить затраты на электроэнергию, допустим, установив многотарифный счётчик.

Высокий КПД таких систем существенно сокращает расходы на обогрев зданий, что даёт возможность сделать производительное отопление, если поблизости нет газа, а доступные мощности электросетей ограничены. Параллельно с этим решаются вопросы горячего водоснабжения и вентиляции.

Кроме того, система с тепловым насосом безопасна для помещений, т.к. нет горения и в системе используются негорючие и нетоксичные хладагенты. Следовательно, упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Что также положительно влияет на стоимость установки этих систем.

Тепловые насосы просты в эксплуатации и весьма надежны, а еще — практически бесшумны. Система легко автоматизируется и может управляться дистанционно, а силовое оборудование без капитального ремонта может проработать до 20-25 лет.

Еще один плюс — вы легко можете переключить тепловой насос с отопления на охлаждение в случае необходимости. Нужно лишь иметь дома не только отопительные радиаторы, но и фанкойлы.

Но есть у них и минусы, главный из которых является оборотной стороной главного плюса — капитальные затраты на их установку весьма существенны. Еще одним недостатком тепловых насосов до недавнего времени была сравнительно низкая температура теплоносителя — не более 60 C. Но последние разработки дали возможность устранить этот недостаток.

К примеру, европейские города с развитой системой центрального теплоснабжения все чаще используют тепловые насосы для повышения ее эффективности. Не так давно высокотемпературный тепловой насос мощностью 255 кВт начал работу в Вене.

Вена является столицей и крупнейшим городом Австрии, ее население составляет примерно 1,8 миллиона человек. При этом всего треть (33%) всех жилых помещений в Вене отапливается за счет централизованной системы теплоснабжения.

Для повышения эффективности использования этой системы без ущерба для окружающей среды было принято решение об установке в систему теплового насоса мощностью 255 кВт. В результате энергоэффективность венской системы теплоснабжения значительно возросла: в годовом исчислении условный коэффициент полезного действия (COP) установленного теплового насоса равен 5,3, т.е. потребители получат в 5,3 больше тепла — и это без увеличения мощности и соответственно, количества потребляемого топлива центральной котельной.

Применяются тепловые насосы и в системе теплоснабжения финского города Мянтсяля с населением 20 тыс. человек. В этом городе действует крупный центр обработки данных (ЦОД), вырабатывающий значительное количество тепла. Городской муниципалитет задействывает отработанное ЦОДом тепло для использования его в системе центрального теплоснабжения, а тепловые насосы мощностью 4 МВт за счет собранного тепла повышают температуру теплоносителя в системе центрального теплоснабжения до 40-85°C. На сегодняшний день уже не менее 1500 домов в городе подключены к этой системе. Но в ближайшем будущем количество подключённых к этой системе домов возрастет до 4000. COP этой системы тепловых насосов равен 4.

Было подсчитано, что после начала применения тепловых насосов в системе центрального теплоснабжения финны не только добились значительной экономии топлива, но и сократил объемы выбросов углекислого газа на 22 000 тонн в годовом исчислении, что улучшило состояние окружающей среды.