Воздушные тепловые насосы для обогрева дома

Воздушные тепловые насосы, называемые также тепловыми насосами (далее по тексту – ТН) «воздух-воздух», представляют собой современную высокотехнологичную альтернативу традиционным отопительным системам, использующим тепловую энергию сжигаемого газового, жидкого или твердого топлива. Источником энергии в моделях ТН «воздух-воздух» является тепло окружающего воздуха. Уже более 25 лет воздушные ТН успешно используются в ряде развитых стран для обогрева жилых домов и построек производственного назначения. На рис. ниже показан воздушный тепловой насос, входящий в систему обогрева жилого дома.

Физические основы работы ТН «воздух-воздух»

Воздушные ТН являются одной из разновидностей тепломеханических устройств, преобразующих низкопотенциальную тепловую энергию холодного энергоисточника в высокопотенциальную энергию потребителя. Звучит несколько фантастично, поскольку формально речь идет о нагреве конечного теплопотребителя до температуры, превышающей температуру исходного теплоисточника. Однако именно в этой формулировке и заключается принцип работы теплонасосных агрегатов. В соответствии с законами теплофизики любая термодинамическая система стремится к установлению энергетического равновесия, что приводит к перемещениям тепловой энергии внутри системы.

Дополнительная информация. Все объекты окружающей среды, даже имеющие минусовые (по шкале Цельсия) температуры, содержат определенное количество тепловой энергии, если только их температура не близка к абсолютному нулю, что соответствует температуре минус 273 град. Ц.

Теплообменные процессы, приводящие к выравниванию термодинамического состояния внутри ТН, базируются на следующих физических явлениях:

• при своем испарении вещество поглощает тепловую энергию, а при конденсировании вещество теплоэнергию отдает;
• при повышении давления повышаются температура испарения вещества и температура его конденсации;
• при понижении давления температуры испарения вещества и конденсации вещества также понижаются.

Чтобы «отнять» часть тепловой энергии от вещества, необходимо его охладить. В общем случае количество тепла, освобождаемого при охлаждении вещества от температуры Т₁  до температуры Т₂ , пропорционально разности температур и массе охлаждаемого вещества, то есть:

Q=C*M*(T₁  – T₂ ),  (1), где:

• М – масса вещества;
• С – удельная теплоемкость вещества.

Обратите внимание! Согласно приведенной формулы, одно и то же количество тепла можно получить, варьируя показатели массы либо разности температур. Условно говоря, охладив 1 кг массы вещества на 100 градусов, можно получить столько же тепла, как при охлаждении 100 кг вещества всего на 1 градус.

Принципиальная схема работы воздушного ТН-обогревателя

Техническая  реализация концепции выравнивания термодинамического состояния системы «исходный теплоисточник – конечный теплопотребитель» для ТН, работающего в качестве обогревателя, осуществляется по трехконтурной  принципиальной схеме (см. рис. ниже).

В состав функциональных контуров ТН-обогревателя входят следующие контуры:

• внешний контур, собирающий рассеянную энергию от низкопотенциальных природных энергоисточников, какими являются окружающий воздух, грунтовые воды, вода водоемов и т.п., и передающий ее хладагенту в испарителе;
• контур циркуляции хладагента, в котором хладагент отбирает тепловую энергию от природного источника и нагревается (в испарителе), затем компрессором сжимается и под давлением прокачивается через конденсатор для теплообмена с теплоносителем внутреннего контура;
• внутренний контур, в котором теплоноситель обогревающей системы нагревается в конденсаторе и направляется к потребителю.

Тепловые насосы классифицируют в соответствии с типом природного энергоисточника, тепло которого собирает внешний контур, и типом теплоносителя обогревающей системы жилого дома. ТН, использующие тепло окружающего воздуха для нагрева воздушного теплоносителя в системах отопления жилого дома, принято называть тепловыми насосами «воздух-воздух».

Алгоритм работы воздушного ТН следующий:

1. Вентилятор втягивает уличный воздух и прогоняет его через ребра испарителя;
2. Хладоагент, в жидком состоянии циркулирующий через испаритель, нагревается и переходит в газообразное состояние;
3. Газообразная фракция хладоагента попадает в компрессор и там сжимается до повышенного давления;
4. За счет сжатия газообразная фракция нагревается и уже нагретой проходит через медные трубки конденсатора;
5. В конденсаторе нагретый газообразный хладоагент передает тепло внутрикомнатному воздуху, который по системе воздуховодов распространяется по отапливаемым помещениям дома;
6. Остывший в конденсаторе хладоагент переходит в жидкое состояние и проходит через дроссель, в котором стравливается излишнее давление;
7. После редуцирования жидкий хладагент заново поступает в испаритель. Цикл повторяется.

Основные элементы воздушного ТН

В состав ТН «воздух-воздух» входят следующие рабочие элементы:

• вентилятор, нагнетающий воздух из окружающей среды в испаритель;
• испаритель, представляющий собой теплообменник, в котором хладагент переходит из жидкого состояния в газообразное;
• компрессор, необходимый для сжатия и перекачки газообразного хладагента;
• теплообменник-конденсатор, в котором хладагент конденсируется;
• дроссель (расширительный клапан), необходимый для редуцирования (снижения) давления в системе;
• хладагент, являющийся рабочим веществом ТН;
• трубопроводные магистрали из медных трубок;
• вентилятор для подачи нагретого воздуха в систему обогревающих воздуховодов.

В качестве рабочего тела используется озонобезопасный хладагент R-410А и гораздо реже хладагент R-407С. Температура кипения R-410А при атмосферном давлении составляет минус 51,5 град.Ц.

Дополнительная информация. Ранее в устройства климатической техники широко закачивался фреон R-22, однако его использование в настоящее время запрещено Монреальским протоколом. Теплотехнические свойства хладагентов R-410А и R-407С существенно отличаются от аналогичных свойств R-22 и не дозволяют применения R-410А и R-407С в старых системах, спроектированных под R-22.

На рис. ниже показана схема ТН для обогрева жилого дома с указанием рабочих параметров каждого контура.

Критерии эффективности воздушных ТН

Воздушные ТН являются энергозависимыми агрегатами, поскольку для работы вентиляторов и компрессоров необходима питающая электроэнергия определенной мощности. Эффективность работы любого типа ТН, в том числе и воздушного, характеризуется коэффициентом трансформации СОР (от coefficient of performance), определяемом как соотношение величин произведенной тепловой энергии для отопления и значения потребляемой электроэнергии. Для различных модификаций ТН коэффициент СОР варьируется от 1 до 7.

Это важно! Показатель СОР зависит от разности температур (T₁  – T₂ ) (см. формулу (1), приведенную выше). Для воздушного теплового агрегата температура Т₁ показывает величину температуры воздуха в системе отопления, то есть температуру в конденсаторе. Аналогично температура T₂ указывает температурный параметр воздуха на улице, то есть на входе в испаритель. Чем больше величина разницы температур, тем ниже эффективность воздушного теплового оборудования.

Для примера! Если показатель СОР равен 4, это означает, что при затратах 1 кВт сетевой электроэнергии ТН «воздух-воздух» сможет обеспечить до 4 кВт тепла. Для воздушного агрегата величина критерия СОР является величиной непостоянной и определяется температурой воздуха на улице. Если ТН использует уличный воздух температуры +5 град. Ц и создает воздушное отопление с температурой +35 град. Ц, то СОР =3. Если же температура на улице упадет до минус 5 град., то разница температур увеличится до 40 град., а значение СОР упадет до 2,0.

Преимущества и недостатки воздушных ТН

К преимуществам воздушных обогревателей на базе ТН относятся следующие факторы:

• не требуется оформления разрешительной документации на установку и монтаж (в отличие от газотопливной аппаратуры);
• не требуется отдельного помещения типа котельни для размещения газового котла;
• экологическая чистота оборудования, отсутствие вредных выбросов;
• ТН «воздух-воздух» используют возобновляемый источник энергии – окружающий воздух;
• сравнительно недорогой монтаж;
• низкое энергопотребление;
• надежность работы оборудования;
• отсутствие постороннего шума;
• возможность использования воздушных отопительных систем как альтернативу топливным системам в регионах, в которых затруднена поставка топлива.

Из недостатков отмечают следующее:

• сравнительно высокую стоимость моделей ведущих брендов, например, MITSUBISHI ELECTRIC, из-за чего и сложился стереотип отношения к ТН воздух-воздух как к довольно дорогой технике;
• зависимость эффективности обогрева от температурного режима региона. В районах с зимней температурой ниже минус 30-35 град. Ц использование ТН воздух-воздух как основного средства обогрева жилища малоэффективно.

Видео

Специалисты считают, что рынок воздушных тепловых насосов в России пока не сформирован. Это связано с климатическими особенностями территории РФ, на которой в большинстве регионов в зимнее время преобладают низкие температуры. Лишь отдельные разработки компаний Panasonic, Mitsibishi Electric, Gree, General, Toshiba, Kentatsu, Goodman, Nibe,  Cooper&Hunter завозятся для реализации и установки в южных районах РФ. Наиболее известны на территории РФ воздушные ТН компании Mitsibishi, оснащенные компрессорами с обратной инжекцией Zubadan. Эти системы популярны в европейских странах и США, где мягкие зимы позволяют эффективно обогревать жилища воздушными теплонасосами.

На рис. ниже показана модель MSZ-FH 50 VE / MUZ-FH50VEHZ  воздушного теплонасоса производства MITSUBISHI ELECTRIC.