Обзор производителей тепловых насосов, представленных на российском рынке

Еще раз о тарифе «три копейки»

С 1 января 2019 года в стране действует специальный тариф на электроэнергию, которая расходуется на нужды отопления и горячего водоснабжения жилых домов. Его сразу окрестили «три копейки», так как при соблюдении всех условий (отдельный счетчик электроэнергии и отсутствие централизованного тепло- и газоснабжения дома) электроэнергия, потребляемая «приемниками электрической энергии», будет оплачиваться по 3,35 копейки/кВт·ч. Как поясняет «Белэнерго», к приемникам относятся электрические котлы, водонагревательные установки, электроконвекторы, теплые полы и тепловые насосы.

Преимущества и недостатки системы

Установка теплового насоса дома и включение его в систему отопления или создание полноценной отопительной станции решит ряд насущных проблем и имеет следующие преимущества:

• это автономная система отопления, единственным централизованным элементом которой является подключение к электросети;
• этот способ позволяет значительно сэкономить на дорогостоящих энергетических носителях, которые традиционно применяются для отопления и существенно снизить затраты на коммунальные услуги. Средний Коэффициент преобразования теплоты равен 3,5 – 4,5. Из 1 кВт электроэнергии насос вырабатывает от 3 до 7 кВт тепла. Это самые высокие показатели среди всех видов котлов, работающих на любом топливе;
• система безопасна для здоровья человека и для экологии. Она помогает сберечь невозобновляемые энергоресурсы планеты;
• пожарная безопасность и невоспламеняемость деталей. Этот котёл не перегревается, не взрывается, не горит, не выделяет угарный газ;
• один насос может вырабатывать как тепло, так и холод, обеспечивая нужный микроклимат в доме, а также нагревать воду для бытовых нужд;
• долговечность – по опыту европейских жителей срок службы оборудования составляет 20-50 лет;
• комфорт и бесшумная работа. Управление системой осуществляется с помощью автоматики;
• установка насоса не требует согласований, которые нужны при монтаже, например, газового оборудования.

Преимуществ у такой системы гораздо больше, чем недостатков

К недостаткам можно отнести:

• относительно высокую стоимость установки и самого насоса, окупаемость такой системы напрямую зависит от интенсивности её эксплуатации;
• необходимость привлечения специалистов и применения специальной бурильной и иной техники для обустройства геотермального насоса с вертикальным контуром, глубина которого может достигать 200 м.

Описание и принцип работы тепловых насосов

Тепловой насос представляет собой устройство, способное извлекать низкотемпературное тепло из окружающей среды и преобразовывать его в высокотемпературное, которое можно применять с целью отопления домов и нагрева воды. Тепло берется из таких источников, как:

• грунт;
• вода;
• воздух.

Принцип работы данной конструкции построен на физических и химических процессах. Ключевым источником тепла в мире является солнце. А грунтовые, воздушные и водные массы способны аккумулировать часть энергии тепла, а тепловой насос, в свою очередь, ее собирает и позволяет применять для бытовых нужд, включая отопление домов.

Описание геотермальной системы отопления выглядит следующим образом:

• представляем замкнутый контур, в котором вращается хладагент – химический состав в жидком или газообразном виде;
• хладагент приводится в работу посредством компрессора;
• добавляем клапан расширения, который создает области высокого и низкого давления;
• при сжимании хладагент нагревается, а в точке выхода из нагнетателя он достигает максимального температурного значения, а в точке выхода из клапана – минимального;
• включите в конструкцию теплообменники, один из которых – испаритель на холодную воду, а второй – конденсатор на горячую. В первом случае воздух или вода будут охлаждаться, а во втором – нагреваться с целью передачи в контур отопления;
• добавляем источник низкотемпературного тепла. Это может быть геотермальный зонд, трубопровод, точки замерзания грунта или тепловой насос отопления воздушного типа.

Так, у нас выходит комплекс, состоящий из трех контуров:

• внешний контур – это трубы с циркулирующим антифризом или прочим теплоносителем;
• коллекторный контур включает в себя трубопровод со встроенными теплообменниками, клапан и компрессор;
• внутренний контур подразумевает отопительную систему и горячую воду.

Весь комплекс автоматически регулируется. Средний срок службы теплового насоса отопления, декларируемый производителями, составляет порядка 20 лет без учета ремонта. Однако на пути такого долгосрочного применения могут стоять физические процессы вроде трения и износа, не позволяющие использовать насос настолько долго. Таким образом, реальной срок эксплуатации прибора составляет максимум 10 лет.

Обслуживание оборудования

Агрегаты снабжены специально разработанной автоматикой, которая намного сложнее устроена, чем в обычных котлах. В устройство входят также особенные составляющие: испаритель, компрессор, промежуточный теплообменник. В процессе эксплуатации необходимо следить за постоянной подачей электричества, других действий не предусмотрено.

Самым подверженным к износу элементом является компрессор, но его можно достаточно легко заменить новым, на моей практике были случаи, когда он проработал 30 лет. Обслуживание теплового насоса для отопления не затруднительно, он способен прослужить до 100 лет, если фабричная сборка окажется качественной, а управление осуществляется посредством одного цифрового контроллера.

Принцип действия тепловых насосов

Принцип работы устройства для обогрева дома основан на том, что вещество (холодильный агент) может отдавать тепловую энергию либо забирать ее в процессе смены состояния. Эта идея заложена в основу функционирования холодильника (из-за этого задняя стенка прибора горячая).

Термонасос для отопления функционирует следующим образом:

1. Поступающий агент охлаждается на 5 градусов в испарительном отделе на основании энергии от носителя тепла.
2. Охлажденный агент поступает в компрессор, который в результате работы сжимает и нагревает его.
3. Уже горячий газ попадает в отсек для теплообмена, в котором он отдает собственное тепло отопительной системе.
4. Сконденсированный хладагент возвращается к старту цикла.

Устройство

Тепловой насос для отопления дома состоит из нескольких основных контурных элементов:

• контур с теплоносителем, который перемещает энергию от теплоисточника;
• контур с фреоном, который периодически испаряется, забирая тепловую энергию с первого контура, и снова оседает конденсатом, передавая тепло третьему;
• контур, где циркулирует жидкость, являющаяся переносчиком тепла для отопления.

Эксплуатация термо насоса для отопления дома является выгодной с финансовой точки зрения. Причина этого в том, что устройство не требует высокой мощности (соответственно, расход электричества не больше, чем у стандартного бытового прибора), однако при этом производится в 4 раза больше тепла по сравнению с потребляемой электроэнергии.

Также не требуется создавать отдельную линию проводки для подключения насоса.  

Плюсы и минусы

Перед принятием решения, использовать тепловой насос или нет, следует ознакомиться с достоинствами и недостатками его работы. К главным плюсам теплового насоса относится:

• небольшой расход электричества на отопление дома;
• отсутствие необходимости регулярного осмотра и технического обслуживания, что делает затраты на эксплуатацию теплового насоса для отопления минимальными;
• допускается монтаж в любой местности. Насос может работать с такими источниками тепловой энергии, как воздух, почва и вода. Поэтому появляется возможность его установки практически в любое место, где планируется строительство дома. А в условиях отдаленности от газовой магистрали, устройство является самым подходящим методом обогрева. Даже если отсутствует электричество, функционирование компрессора можно обеспечить при помощи привода на основе бензина или дизеля;
• отопление дома осуществляется в автоматическом режиме. Не требуется добавлять топливо или проводить иные манипуляции, как, например, в случае с котельным оборудованием;
• отсутствие загрязнения окружающей среды вредными газами и веществами. Все применяемые холодильные агенты полностью безопасны и экологически пригодны;
• пожаробезопасность. Жителям дома никогда не будет угрожать взрыв или повреждение вследствие перегрева теплового насоса;
• возможность эксплуатации даже при условиях холодной зимы (до -15 градусов);
• качественный тепловой насос для отопления дома может служить до 50 лет. Замена компрессора требуется лишь раз в 20 лет.

Смотрите видео плюсы и минусы

Как и любое устройство, тепловые насосы имеют определенные недостатки:

1. Если температура окружающей среды опускается ниже 15 градусов, то насос работать не сможет. В таком случае потребуется монтаж второго теплоисточника. При очень низких температурных значениях включается котел, генератор или электрический обогреватель;
2. Высокая стоимость оборудования. Оно будет стоить примерно 350 000-700 000 рублей, еще такую же сумму придется потратить на создание геотермальной станции и установку устройства. Дополнительные монтажные работы не требуются только для теплового насоса, использующего воздух в качестве теплового источника;
3. Лучше всего устанавливать тепловой насос в сочетании с теплым полом или вентиляторными конвекторами, однако в старых зданиях потребуется перепланировка и возможно даже капитальный ремонт, что повлечет дополнительные затраты времени и средств. Если частный дом строится с нуля, такая проблема отсутствует;
4. При работе теплового насоса температура грунта, расположенного вокруг трубопровода с теплоносителем, снижается. Это становится причиной гибели некоторых микроорганизмов, участвующих в функционировании окружающей среды. Таким образом, некоторый ущерб экологии все же наносится, однако он существенно меньше урона от газо- или нефтедобычи.

Что такое тепловой насос для отопления частного дома? Как работает?

Специальное устройство, которое способно извлекать тепло из окружающей среды называется тепловой насос.

Применяются такие приборы в качестве основного или дополнительного метода обогрева помещений. Некоторые устройства также работают на пассивное охлаждение здания — при этом насос применяется как для летнего охлаждения, так и для зимнего обогрева.

В качестве топлива используется энергия окружающей среды. Такой обогреватель извлекает тепло из воздуха, воды, грунтовых вод и так далее, поэтому это устройство относят к классу возобновляемых источников энергии.

Важно! Для работы таких насосов требуется подключение к электросети. В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан. В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства

Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло)

В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства. Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло)

В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан. В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства. Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло).

Большинство приспособлений работают как при положительных, так и при отрицательных температурах, однако КПД устройства напрямую зависит от внешних условий (т. е. чем выше температура окружающей среды, тем мощнее будет устройство). В общем случае прибор работает следующий образом:

1. Тепловой насос вступает в контакт с окружающими условиями. Обычно аппарат извлекает тепло из земли, воздуха или воды (в зависимости от типа устройства).
2. Внутри прибора установлен специальный испаритель, который заполнен хладагентом.
3. При контакте с внешней средой хладагент закипает и испаряется.
4. После этого хладагент в виде пара поступает в компрессор.
5. Там он сжимается — благодаря этому серьёзно повышается его температура.
6. После этого разогретый газ поступает в систему отопления, что приводит к нагреванию основного теплоносителя, который и используется для отопления помещений.
7. Хладагент понемногу охлаждается. В конце он превращается обратно в жидкость.
8. Потом жидкий хладагент поступает в специальный клапан, который серьёзно понижает его температуру.
9. В конце хладагент вновь попадает в испаритель, после чего цикл нагрева повторяется.

Фото 1. Принцип работы теплового насоса типа грунт-вода. Синим цветом показан холодный теплоноситель, красным — горячий.

Преимущества:

• Экологичность. Такие устройства относятся к возобновляемым источникам энергии, которые не загрязняют атмосферу своими выбросами (тогда как в случае использования природного газа образуются вредные парниковые испарения, а для производства электроэнергии часто применяется сжигание угля, из-за чего также загрязняется воздух).
• Хорошая альтернатива газу. Тепловой насос идеально подойдёт для отопления помещений в случаях, когда использование газа затруднительно по тем или иным причинам (например, когда дом находится вдали ото всех основных инженерных сетей). Насос также выгодно отличается от газового отопления тем, что для установки такого прибора не требуется получать государственное разрешение (но при бурении глубокой скважины его все же придётся получить).
• Недорогой дополнительный источник тепла. Насос идеально подойдёт в качестве дешёвого вспомогательного источника питания (оптимальный вариант — применение газа зимой и насоса — весной и осенью).

Недостатки:

1. Тепловые ограничения в случае использования водяных насосов. Все тепловые аппараты хорошо функционируют при положительных температурах, тогда как в случае работы при отрицательных температурах многие насосы перестают работать. В основном это связано с тем, что при этом вода замерзает, что делает невозможным её применение как источника тепла.
2. Могут появиться проблемы с устройствами, которые в качестве тепла используют воду. Если для нагрева применяется вода, то потребуется найти её стабильный источник. Чаще всего для этого следует пробурить скважину, благодаря чему расходы на монтаж устройства могут возрасти.

Внимание! Насосы обычно стоят в 5—10 раз дороже газового котла, следовательно использование таких приборов в целях экономии в ряде случаев может быть нецелесообразно (чтобы насос окупился, потребуется подождать несколько лет)

Тепловые насосы: цены и обзор известных моделей

При наличии компрессора и некоторых других деталей тепловой насос для дома можно собрать и своими руками. Однако многие предпочитают приобретать готовые модели. Ниже мы представим обзор моделей от наиболее известных производителей и укажем их примерные цены на рынке.

Насосы Stiebel Eltron

Данная немецкая компания известна как один из ведущих производителей техники для инженерных систем

Причем особое внимание уделяется продукции, работающей на возобновляемых источниках. Наиболее известные позиции данной марки такие:

• тепловой насос «воздух-вода», извлекающий тепло из воздуха и передающий его жидкости, располагающейся в отопительном контуре. Насос можно устанавливать при новом строительстве дома или же в ходе ремонтных работ. Если температура опускается ниже 20 градусов ниже нуля, он обеспечивает нагревание на линии подачи вплоть до 60 градусов тепла. Есть возможность внутренней и наружной установки, а некоторые модели оснащены дополнительным электроподогревом для повышения КПД или размораживания системы;
• насос «рассол-вода». Может работать как на охлаждение, так и на отопление. Элемент, отвечающий за извлечение тепла, называется геотермальным зондом. Может комплектоваться одним или двумя расширительными баками, накопителями, группой безопасности и управления. Можно устанавливать даже в небольших помещениях;
• «вода-вода», такой насос работает от грунтовых вод, отличается высоким качеством. Большинство его элементов сделаны из сплавов и нержавейки. Все модели данной серии оснащены конструкциями автоматической регулировки, также их можно дополнительно оборудовать буферными накопителями, гелиоустановками и т.д.

Цена на тепловые насосы марки Stiebel Eltron начинается от 420 тысяч рублей.

Модельный ряд компании Waterkotte

Продукция марки Waterkotte тоже изготавливается в Германии, цель работы компании сводится к выпуску экономичных систем отопления, позволяющих сохранить природные ресурсы. Под данным брендом выпускаются насосы таких типов:

• «воздух-воздух» и «воздух-вода». Данные модели не только обогревают и охлаждают воду, но еще и воздух в доме. Они отличаются морозостойкостью, некоторые оснащаются умным интерфейсом и ими можно управлять посредством установки специального приложения на смартфон удаленно;
• геотермальные насосы типа «грунт-вода» отлично подойдут для применения в частных домах и промышленных объектах. В качестве теплового сборника применяют горизонтальные и вертикальные земляные зонды. Управление целиком автоматизированное, есть функция удаленного управления через смартфон.

Тепловые установки марки Waterkotte могут прослужить более 30 лет. Устройство грунтового типа стоит порядка 480 тысяч рублей, а цена воздушного достигает почти 100 тысяч рублей.

Обзор тепловых установок Danfoss

Датская компания Danfoss работает в России уже более 20 лет и занимается выпуском и продажей теплоавтоматики, холодильных установок и приводной техники. Тепловые насосы – одна из относительных новинок этой компании. В ассортименте этой линейке представлены модели таких типов:

• «воздух-воздух». Ключевое оборудование размещается в наружном блоке, поэтому внутренняя часть установке меньше. Работает устройство при температуре от -20 градусов, имеется функция автоматической разморозки;
• «грунт-вода». Эти приборы могут работать с грунтовыми коллекторами как горизонтального, так и вертикального типа. Они оснащены оригинальной системой автоматики, есть функция удаленного управления, также насос можно дополнительно укомплектовать накопительными баками для горячей воды.

Приборы марки Danfoss обойдутся покупателю от 350 тысяч рублей.

Тепловые устройства отлично подойдут для тех, кто поддерживает сохранение природы и выбирает технику, работающую на основе восполняемых природных ресурсов, однако, несмотря на растущую популярность, их еще трудно назвать полноценными заменителями классических отопительных приборов. Однако то, что они экономичны, удобны и безопасны, делает их все более популярными во всем мире.

Виды тепловых насосов

Существуют два вида установок. В одном тепловая энергия атмосферного воздуха передается для нагрева жидкого теплоносителя в системе отопления и горячей воды для хозяйственных нужд. В другом случае нагревается непосредственно воздух внутри помещения, без возможности нагрева горячей воды, это принцип называется воздух-воздух.

Кроме атмосферных существуют геотермальные и гидротермальные тепловые насосы. В их работе тепло отбирается из пробуренной скважины или водоема. Однако дополнительные расходы, связанные с бурением, защитой от коррозии, обеспечением электробезопасности и заиливанием, существенно усложняют монтаж и увеличивают сумму капитальных затрат.

Настало время предметно изучать зарубежный опыт

О тепловых насосах, способных отобрать тепло окружающей среды для отопления зданий, теперь уже знают почти все, и, если еще недавно потенциальный заказчик, как правило, задавал недоуменный вопрос «как это возможно?», то теперь все чаще звучит вопрос «как это правильно сделать?».

Ответить на этот вопрос непросто.

В поисках ответа на многочисленные вопросы, которые неизбежно возникают при попытке проектировать системы отопления с тепловыми насосами, целесообразно обратиться к опыту специалистов тех стран, где тепловые насосы на грунтовых теплообменниках применяются уже давно.

Посещение* американской выставки AHR ЕХРО-2008, которое было предпринято, главным образом, с целью получения информации о методах инженерных расчетов грунтовых теплообменников, прямых результатов в этом направлении не принесло, но на выставочном стенде ASHRAE продавалась книга , некоторые положения которой послужили основой для этой публикации.

Следует сразу сказать, что перенос американской методики на отечественную почву – дело непростое. У американцев все не так, как принято в Европе. Только время они измеряют в тех же единицах, что и мы. Все остальные единицы измерения – чисто американские, а точнее – британские. Особенно не повезло американцам с тепловым потоком, который может измеряться как в британских тепловых единицах, отнесенных к единице времени, так и в тоннах охлаждения, которые придуманы, вероятно, в Америке.

Главная проблема, однако, состояла не в техническом неудобстве пересчета принятых в США единиц измерения, к которым со временем можно и привыкнуть, а в отсутствии в упомянутой книге четкой методической основы построения алгоритма вычислений. Рутинным и широко известным расчетным приемам там уделяется слишком много места, в то время как некоторые важные положения остаются вовсе нераскрытыми.

В частности, такими физически связанными исходными данными для расчета вертикальных грунтовых теплообменников, как температура циркулирующей в теплообменнике жидкости и коэффициент преобразования теплового насоса, нельзя задаваться произвольно, и, прежде чем приступать к вычислениям, связанным с нестационарным теплообменом в грунте, необходимо определить зависимости, связывающие эти параметры.

Критерием эффективности теплового насоса служит коэффициент преобразования ?, величина которого определяется отношением его тепловой мощности к мощности электропривода компрессора. Эта величина является функцией температур кипения в испарителе t_u и конденсации t_k, а применительно к тепловым насосам «вода-вода» можно говорить о температурах жидкости на выходе из испарителя t_2И и на выходе из конденсатора t_2K:

? = ?(t_2И,t_2K).         (1)

Анализ каталожных характеристик серийных холодильных машин и тепловых насосов «вода-вода» позволил отобразить эту функцию в виде диаграммы (рис. 1).

При помощи диаграммы нетрудно определиться с параметрами теплового насоса на самых начальных стадиях проектирования. Очевидно, например, что, если система отопления, присоединенная к тепловому насосу, рассчитана на подачу теплоносителя с температурой в подающем трубопроводе 50°C, то максимально возможный коэффициент преобразования теплового насоса будет около 3,5. При этом температура гликоля на выходе из испарителя не должна быть ниже +3°С, а это означает, что потребуется дорогой грунтовый теплообменник.

В то же время, если дом обогревается посредством теплого пола, из конденсатора теплового насоса будет поступать в систему отопления теплоноситель с температурой 35°С. В этом случае тепловой насос сможет работать более эффективно, например, с коэффициентом преобразования 4,3, если температура охлажденного в испарителе гликоля будет около –2°С.

Пользуясь электронными таблицами Excel, можно выразить функцию (1) в виде уравнения:

? = 0,1729 • (41,5 + t_2И – 0,015t_2И • t_2K – 0,437 • t_2K      (2)

Если при желаемом коэффициенте преобразования и заданном значении температуры теплоносителя в системе отопления, работающей от теплового насоса, нужно определить температуру охлажденной в испарителе жидкости, то уравнение (2) можно представить в виде:

         (3)

Выбрать температуру теплоносителя в системе отопления при заданных величинах коэффициента преобразования теплового насоса и температуры жидкости на выходе из испарителя можно по формуле:

    (4)

В формулах (2)…(4) температуры выражены в градусах Цельсия.

Определив эти зависимости, можно теперь перейти непосредственно к американскому опыту.

Технология

В задачи гелиоколлектора (его также называют солнечным коллектором) входит получение и преобразование солнечной энергии для ее применения внутри дома. Основным элементом данной системы является абсорбер, размещаемый внутри коллектора. Также в состав гелиоколлектора входят гидравлический контур из трубопроводов, клапаны, фильтры, насос, который обеспечивает движение теплоносителя в системе, и системы регулирования.

Абсорбер поглощает излучение, нагревается и преобразует его в тепловую энергию. От абсорбера теплота передается к теплоносителю (это может быть вода или другая жидкость), который протекает по встроенным в коллектор трубкам. Теплоноситель перетекает по трубопроводу в буферный бак-накопитель, нагревает там запас воды и, охлажденный, возвращается в коллектор.

Варианты

Эффективность работы абсорбера зависит от его вида. Самый простой большую часть энергии отражает. Более полезен так называемый селективный абсорбер, который собирает до 95% попадающей на него энергии.

Не менее важно правильно выбрать и тип самого коллектора. Плоские прямоугольные модели прочны и надежны, но хорошо будут работать только в теплое время года и в ясную погоду

И все же именно эти варианты наиболее популярны, поскольку стоят дешевле и требуют меньше внимания при обслуживании. Цена у трубчатых коллекторов выше, но и полезное действие ощутимо больше. Такие устройства смогут «ловить» солнечное тепло даже зимой и в пасмурные дни. Так что их установка более разумна и в долгосрочной перспективе выгодна.

Монтаж солнечного коллектора

Установку гелиоколлекторов, как и тепловых насосов, следует доверить специалисту. Иногда их располагают на подпорных конструкциях на приусадебном участке, однако в большинстве случаев солнечные коллекторы размещают на крыше здания. А плоские коллекторы нередко встраивают в ее конструкцию, правда, при условии, что скат крыши составляет не менее 25°. Держатели дают возможность укрепить оба типа коллекторов на крыше любой формы и конфигурации.

С 1 м2 площади гелиоколлектора можно получить до 3 кВт*ч тепловой энергии в сутки. Этот показатель увеличивается летом, но снижается в 1,5-2 раза зимой. Имеют значение и региональные различия: на самую высокую отдачу можно рассчитывать в южных областях страны.

Однако польза от применения гелиоколлекторов будет в любой точке страны. Конечно, при условии разумного подхода к выбору их местоположения. Так, наиболее полезны те из них, что «смотрят» в южном направлении. Трубчатые коллекторы можно также направить на юго-запад или юго-восток. При планировании монтажа следует обязательно учитывать расположение деревьев (с учетом их будущего роста) и соседних построек.