Инверторные тепловые насосы

Теплонасосы предназначены для поглощения низкопотенциальной (тепла с низкой температурой) энергии и ее преобразования для отопления дома и обеспечения горячего водоснабжения. 

Базовый принцип работы

Эффективность тепловых насосов обеспечена работой по термодинамическому принципу Карно. Согласно ему, термодинамическая система может выполнять механическую работу за счет теплообмена между двумя резервуарами с постоянной, но различающейся температурой рабочих жидкостей.  Благодаря ему, хладагент может выполнять работу по замкнутому циклу, обеспечивая качественный теплообмен без потери эффективности и производительности на всем сроке службы.

Инверторные типы тепловых насосов

Более современный и автоматизированный тип тепловых насосов - инверторные модели. В них интегрируется инвертор - автоматика, выполняющая преобразование постоянного тока в переменный с изменением параметров напряжения. В зависимости от модели, инверторы могут быть установлены независимо или включены в систему бесперебойного питания.  Оснащение инвертором позволяет компрессорам тепловых насосов выполнять плавный пуск и автоматически регулировать режимы работы, ориентируясь на температуру наружного воздуха.  Благодаря этому, прибор может поддерживать постоянную температуру в доме при любых погодных изменениях. Кроме того, инвертор улучшает и работу теплонасоса на кондиционирование.  Инверторные тепловые насосы отличаются:

• повышенным КПД (СОР);
• сниженным энергопотреблением (на 20-25%);
• малой нагрузкой на электрическую сеть.
• увеличенным сроком службы установки.

Инверторные теплонасосы дороже классических аналогов, но их эффективность выше, как и надежность всех систем отопления на их базе. Поэтому, используются они часто и повсеместно. 

Классическая конструкция инверторного теплового насоса

Теплонасос, как отдельная установка, представляет собой блок, состоящий из четырех основных агрегатов, соединенных между собой контуром трубопровода, по которому циркулирует хладагент.  Схема включает:

• испаритель;
• компрессор с инвертором;
• конденсатор;
• дроссельный (расширительный) клапан.

Испаритель представляет собой закрытую камеру, в которой проходит часть трубопровода внешнего теплообменника и часть трубопровода собственного контура теплонососа (чаще в виде змеевика). Камера предназначена для эффективного теплообмена между двумя контурами. Компрессор является устройством, предназначенным для повышения давления и обеспечения бесперебойного перемещения газообразного хладагента. Компрессор дополнен инвертором - преобразующей автоматикой, которая помогает плавно регулировать параметры рабочих режимов и снижать нагрузку на электросеть.  Конденсатор является закрытой камерой, объединяющей часть трубопровода домашней системы отопления и собственного контура теплонасоса (чаще в виде змеевика). В конденсаторе происходит окончательный теплообмен, поэтому эта камера имеет низкую теплопроводность (для снижения теплопотерь).  Дроссельный (расширительный) клапан является терморегулирующим устройством, выполняющим задачи регулировки температуры и давления внутри замкнутой системы.  Хладагентом в теплонасосах выступают рабочие жидкости, имеющие низкую температуру кипения. Чаще всего для этого используется фреон или аммиак. 

Схема тепловых насосов

Для работы теплонасосов используется три контура:

1. Внешний, который предназначен для поглощения низкопотенциальной энергии.
2. Внутренний контур теплонасоса, в котором циркулирует хладагент с низкой температурой кипения, осуществляющий передачу энергии.
3. Контур домашнего отопления, получающий высокотемпературную энергию.

Второй и третий контуры в большинстве случаев неизменны. При этом, первый контур - внешний теплообменник - может быть в виде:

• горизонтального коллектора;
• вертикального зонда;
• водоразмещенного коллектора;
• внешнего блока.

Используемый источник альтернативной энергии и тип теплоносителя, получаемого ее, формируют несколько систем теплонасосов:

• “грунт-вода”;
• “вода-вода”;
• “воздух-вода”;
• “воздух-воздух”.

Инверторные тепловые насосы «грунт-вода»

Оборудование системы «грунт-вода» поглощает низкопотенциальное тепло грунта и передают его рабочей жидкости водяной системы отопления.  Для работы этих установок нужен геотермальный теплообменник. Внешний контур грунтовых теплонасов может быть сделан в виде горизонтального коллектора или геотермального зонда. 

Горизонтальные коллекторы

Горизонтальные коллекторы представляют собой замкнутый контур из труб, собранный змейкой, зигзагом или спиралями. Начало и конец такого трубопровода по траншеям подводятся к дому и выступают в качестве «подачи» и «обратки».  Глубина установки - не меньше 1.5-2 метра. Минимальное расстояние от дома - 3 метра.  Если есть необходимость, горизонтальные коллекторы могут укладываться в несколько ярусов с «прослойкой» грунта не меньше 1 метра.

Геотермальные зонды

Геозонды представляют собой две трубы, соединенные U-образным наконечником. Для из установки используются геотермальные скважины диаметром до 200 мм и глубиной до 200 метров. При необходимости вместо одной можно использовать несколько менее глубоких скважин. В таком случае теплообменник делится на несколько контуров и объединяется на поверхности через гребенку.  Для скважин не нужны обсадные трубы, а после установки зонда они не закапываются, а тампонируются - заполняются специальным строительным составом. Тампонаж гарантирует защиту трубопровода и повышает теплообмен.

Инверторные тепловые насосы «вода-вода»

Водяные теплонасосы поглощают низкотемпературную энергию из открытых водоемов. Оборудование используется с водяной системой домашнего отопления.  Теплонасосы «вода-вода» используют водоразмещенный теплообменник - контур, монтируемый на глубине от 3 метров. Такие теплообменники, как и геотермальные коллекторы, могут быть собраны зигзагом, змейкой или в виде спиралей.  Трубы, ведущие к внешнему теплообменнику, укладываются в глубокие траншеи, что исключает промерзание теплоносителя. Кроме этого, теплообменники выдяных теплонасосов могут размещаться в слоях грунтовых вод. Для этого используются глубинные скважины, полученные бурением на воду (в том числе с установкой обсадных труб). При этом, такой вариант размещения делает монтаж системы дороже. 

Тепловые насосы «воздух-вода»

Эти теплонасосы используют низкопотенциальную энергию, содержащуюся в воздухе, для ее преобразования и нагрева воды в домашней системе отопления.  Оборудование этой группы может быть в виде:

• моноблока;
• сплит-системы.

В первом случае все компоненты системы размещены в одном блоке, который может монтироваться на улице или в доме (с обязательным созданием приточных каналов в стене котельной).  Во втором случае теплонасос внешне напоминает классический бытовой кондиционер, то есть разделен на два блока - одна монтируется в доме, другая вешается на внешнюю стену дома или ставится на пьедестал. Внешние блоки воздушных теплонасосов оснащаются мощными приточными вентиляторами. 

Тепловые насосы «воздух-воздух»

Основным источником тепловой энергии, как и типом носителя, получающего ее, является воздух. То есть это теплонасосы используются для воздушного отопления.  Задачи внешнего теплообменного контура, как и воздушных тепловых насосах «воздух-вода» выполняет уличных моноблок или внешний блок сплит-системы. Для поглощения достаточного объема воздуха они используют мощные встроенные вентиляторы, а для обеспечения нужного температурного режима - встроенные нагревательные элементы.  Блоки могут устанавливаться на платформах (пьедесталах) или закрепляться на стенках. Для подавления шумов и вибраций на монтажную поверхность дополнительно крепятся амортизаторы или прокладки.  Внешние блоки подключаются к оборудованию в доме с помощью специальных трубок, которые нужно утеплять, как и место их ввода в дом. 

Последовательность действий

Тепловые насосы не производят тепловую энергию, а только поглощают ее и преобразовывают для дальнейшего использования. Поэтому, для работы этого оборудования не нужно топливо. Процесс отопления с помощью теплонасосов осуществляется по следующему циклу:

1. Тепло, получаемое от внешних источников (земли, воды, воздуха) поглощается внешним теплообменником (в среднем не больше 10 градусов) и передается в корпус теплонасоса.
2. Хладагент, циркулирующий по второму контуру, поглощает тепло от теплоносителя первого контура, нагревается до температуры 5-8 градусов и закипает. В газообразном состоянии он подается к компрессору.
3. Компрессор выполняет сжатие газа. На этом этапе температура хладагента увеличивается до 60-70 градусов. Разогретый газ под высоким давлением поступает в конденсатор.
4. В камере-конденсаторе хладагент передает тепло теплоносителю системы домашнего отопления. Он нагревается до температуры 50-60 градусов.
5. После теплообмена дроссельный клапан сбрасывает избыточное давление. Остывший хладагент с нормальным давлением возвращается в исходное жидкое состояние и по замкнутому контуру снова поступает в испаритель. 

Классический вариант распределения нагретого теплоносителя

Нагретый тепловыми установками теплоноситель оптимально распределять по дому по двум независимым веткам:

• одна - напрямую к водонагревательному бойлеру;
• вторая - к распределительной гребенке с подключенными отопительными приборами. 

Такая схема подключения поможет независимо регулировать температуру нагрева системы горячего водоснабжения и отопления. 

Показатели эффективности

Тепловые насосы работают от электросети, но электроэнергия расходуется только на работу компрессора. Такая энергоэффективность существенно увеличивает СОР (СОР - соотношение потраченной электроэнергии к полученной тепловой энергии). СОР зависит от теплоемкости источников и составляет:

• 2-3 для воздушных теплонасосов;
• 4-4.5 для грунтовых теплонасосов;
• 4-5 для водяных теплонасосов. 

Стабильность и производительность оборудования обусловлена тем, что в грунте (на глубине ниже уровня промерзания) и в воде (на глубине 2-3 метра) температура практически всегда неизменная.  Благодаря этому, показатели производительности грунтовых и водяных теплонасосов не зависят от температуры на улице. Для эффективного использования воздушных систем достаточно температуры воздуха +6-10 градусов. А для работы в сильные морозы во внешние приточные блоки интегрируются нагревательные элементы. Это немного снижает их СОР, но делает всепогодными.

Экономический эффект

Для получения тепла с помощью тепловых насосов не надо топливо и большие затраты энергии. Это делает их дешевыми в повседневном использовании.  Отопление теплонасосами дешевле отопления:

• твердотопливными котлами на 50-60%;
• газовыми котлами на 70-80%;
• электрическими приборами на 300-350%.

Это показатели могут незначительно меняться для разных типов теплонасосов, но наглядно демонстрируют экономичность этих установок. Кроме того, это также ускоряет окупаемость оборудования.

Работа инверторных тепловых насосов на охлаждение

Теплонасосы могут одновременно работать на отопление дома и его охлаждение (кондиционирование). Это делает установки демисезонными и позволяет использовать их в качестве альтернативы кондиционерам.  Теплонасосы могут использоваться для охлаждения двух типов:

• пассивного;
• активного.

Пассивное кондиционирование

Под пассивным кондиционированием понимается охлаждение без включения дополнительного оборудования.  Для его использования в контур установки монтируется трехходовой клапан, циркуляционные насосы и теплообменник. При этом, из схемы исключается компрессор. При такой схеме теплообмен происходит напрямую между уличным теплообменником и системой домашнего отопления. Фактически при пассивном охлаждении теплонасос становится холодильником. Производительность системы пассивного кондиционирования зависит от климатических условий и имеющихся в доме источников тепла. При этом, пассивные системы очень энергоэффективны - при расходе 1 кВт электричества можно получить до 20 кВт холода. 

Активное кондиционирование

При использовании активной системы кондиционирования рабочий цикл, выполняемый теплонасосами, запускается в обратном порядке. То есть, конденсатор выполняет задачи испарителя и наоборот.  Для работы активного охлаждения в контур теплонасоса интегрируются дополнительные элементы: четырехходовой клапан и вспомогательный дроссельный клапан. При активном кондиционировании задействуется компрессор, который выделяет паразитное (лишнее) тепло и потребляет электроэнергию. Поэтому, производительность активной системы ниже, чем пассивной, но ее работа стабильнее. При расходе 1 кВт электроэнергии теплонасосы с принудительным кондиционированием могут выработать до 4 кВт холода. 

Особенности эксплуатации инверторных тепловых насосов

Использование тепловых насосов для отопления и кондиционирования имеет особенности, которые стоит учитывать при выборе этого оборудования.

1. Теплонасосы нагревают теплоноситель в домашней системе до температуры не выше 65 градусов. Для классических радиаторов такой температуры может быть недостаточно. Поэтому с теплонасосами лучше использовать системы теплый пол или теплые стены, которым хватает температуры теплоносителя до 40 градусов.
2. Из-за низкой рабочей температуры важно минимизировать теплопотери дома. Поэтому, перед установкой теплонасоса дом желательно утеплить.
3. Мощность теплонасосов рассчитывается с запасом, как и длина теплообменного контура, поглощающего низкопотенциальное тепло. Это нужно, чтобы компенсировать сезонные изменения теплоемкости и возможные путевые потери. 
4. При использовании грунтовых и водяных теплообменников важно, чтобы он был удален от дома не дальше, чем на 100 метров.
5. Наличие инвертора в оснащении установок позволяет использовать их в качестве основного (единственного) отопительного прибора и в качестве вспомогательного оборудования.

Общие правила сборки теплообменников

Внешние теплообменные контуры, используемые для поглощения тепла из грунта и воды (открытых водоемов или грунтовых вод) монтируются на глубину, что усложняет их обслуживание. Поэтому надо, чтобы теплообменник был собран правильно и качественно.  Чтобы это обеспечить, надо следовать некоторым правилам.

1. Теплообменнные контуры лучше собирать из пластиковых ПВД-труб (полиэтилен высокого давления). Срок из службы может достигать 50-70 лет, а параметры позволяют выдерживать давление до 10 атмосфер. 

Металлические трубы используются редко, так как они дороже, сложнее в монтаже и подвержены коррозии.

1. Оптимальный диаметр используемый труб - 30-40 мм. Такое сечения трубы достаточно для эффективного и равномерного поглощения тепла.
2. Желательно выбирать бесстыковые способы соединения - с помощью колен, муфт, переходников. Они исключают появление течей и других повреждений.
3. При монтаже грунтовых (горизонтальных и вертикальных) и водоразмещенных теплообменников важно обеспечить надежность их фиксации в нужном положении. Для этого лучше использовать специальные кронштейны из комбинированных материалов. Эти крепления обеспечивают надежность и не подвержены коррозии.
4. Перед закапыванием контура и ведущего к нему трубопровода надо обязательно провести гидравлические испытания с избыточным давлением. Подтверждением целостности контура считается отсутствие течей и снижения давления в системе.

Преимущества и недостатки инверторных тепловых насосов

Как и другое теплотехническое оборудование, инверторные теплонасосы не лишены преимуществ и недостатков.

Преимущества

• Экологичность. Установки работают без топлива и потребляют минимум электричества - только на работу компрессора и циркуляционных насосов системы. Благодаря этому, даже в самые холодные месяцы отопление этим оборудованием обходится дешево.
• Автоматизация. Современные теплонасосы оснащаются блоками управления и защитной автоматикой. С ее помощью можно автоматизировать контроль температурных режимов и обеспечить корректность выполнения рабочего цикла. Теплонасосы, оборудованные инверторами, могут неделями и месяцами работать без перенастройки.
• Многозадачность. Тепловые насосы могут зимой отапливать дом, а летом охлаждать (кондиционировать) его. При этом, обе функции выполняются эффективно и стабильно. 
• Безопасность. При потреблении низкопотенциальной энергии теплонасосы не вредят окружающей среде, а при выработке тепла не производят вредных веществ, которые могут навредить атмосфере и людям, проживающим в доме.
• Вариативность. Для тепловых насосов могут использоваться внешние теплообменники разных типов, потребляющие энергию из разных источников. Благодаря этому, теплонасосы в том или ином виде могут устанавливаться практически в любом частном доме.
• Компактность. Современные блоки теплонасосов, устанавливаемые в доме, имеют компактные размеры, поэтому для них не нужны большие котельные. Кроме того, оборудование работает практически бесшумно (всего один источник шума - компрессор), поэтому их, можно устанавливать даже в жилых комнатах. 

Недостатки

• Высокая цена. Тепловые насосы дороже газовых и твердотопливных котлов, а также приборов электрического отопления. Кроме того, размещение геотермальных контуров (нужных для поглощения тепла из грунта и воды), подразумевает выполнение трудоемких земляных работ. Из-за этого, внедрение теплонасосов требует больших первоначальных вложений, что увеличивает срок их окупаемости. 
• Зависимость от электричества. Для работы теплонасосов нужно постоянное энергоснабжение компрессора установки. Аварийная остановка системы приведет к быстрому охлаждению дома. А при использовании воздушных теплонасосов с внешним блоком даже может привести к его обледенению. Поэтому надо обязательно иметь запасной источник питания - генератор.

Заключение

Инверторные тепловые насосы, как представители категории энергоэффективного оборудования, способны стать реальной заменой традиционному отопительному оборудованию, использующему газ, твердое топливо и электричество. 
Использование этих установок позволяет организовать дешевое, стабильное и автоматизированное отопление, не требующее топлива и сложного обслуживания.