+7 (343) 361-45-62
Поиск

Важные нюансы использования тепловых воздушных насосов для северных территорий

Кондиционеры все мы традиционно применяем для охлаждения. Для тепла мы используем эти устройства крайне редко, обычно тогда, когда похолодало, но центральное отопление пока не работает. Применять кондиционеры для постоянного отопления никому не приходит в голову, даже эксперты по кондиционерам считают, что так поступать нужно, скорее в южных регионах и странах, но не у нас. Между тем это – лишь стереотип. Сейчас мы детально расскажем подробнее, почему современные кондиционеры можно с успехом применять для обогрева, в том числе в любых регионах нашей страны. 
В чем главная сложность при обогреве помещений тепловыми воздушными насосами? Все просто – производительность этих устройств (КПД) тем ниже, чем ниже температура воздуха снаружи. А ведь чем холоднее снаружи, тем больше нужно тепла, чтобы согреться. Чтобы эффективно обогревать здания тепловым насосом, требуется источник тепла, рассчитанный на температуру – 10 градусов, либо еще выше. Как же быть? 
 Для нормальной и эффективной работы теплового насоса есть варианты
Здесь есть несколько вариантов:
1. Тепло земли  (рис. 1). Температура грунта не бывает менее +5 градусов, ниже глубины промерзания. Именно поэтому можно создать скважину (либо котлован), и поместить туда трубопровод с хладагентом. Этот вариант вполне реалистичный, но достаточно дорогой. 
2. Водоем, который не замерзает. Оригинальное решение, но найти и использовать такой водоем в реальности сложно.
3. Воздух снаружи. Это – доступный источник тепла, однако зимой его температура сильно снижается. 
Существует ли вообще в нашем мире  «совершенный» для теплового насоса источник тепла? Ответ – существует! Давайте вначале проанализируем нюансы работы этого устройства. 
Применяемый зимой для обогрева кондиционер функционирует с заметно меньшей эффективностью. Уже при -5 градусах за окном заметно падает его тепловой коэффициент. При сильных морозах более разумно применять самые обычные электрообогреватели. Все это верно при условии использования систем, работающих с On/Off-регулированием компрессорной производительности, и на R22 фреоне, но не в случае с новыми, инновационными системами кондиционирования! Температурный диапазон последних значительно больше, они способны работать на обогрев до – 25 градусов (рис. 2). 
За счет чего именно удалось получить столь широкий диапазон?
 существенно расширен температурный диапазон
Во-первых, расширить диапазон позволило применение фреона R410a. Его рабочее давление намного большее, нежели у фреона R407c и R22 (смотреть табл. 1). За счет этого при похолодании снаружи давление и температура кипения теплоносителя в наружном блоке снижаются. Это ведет к минимизации плотности газа и к снижению производительности. Давление у R410a в полтора-два раза больше, нежели у R22. Следовательно, производительность компрессора снижается, но не так сильно. 

 снижение производительности компрессора
Возникает закономерный вопрос – что же произойдет, если снаружи похолодает до – 20 градусов и ниже? Кондиционер продолжит обогревать, но эффективность его снизится. При достижении температуры в – 38 градусов кипения фреона устройство выключится, и выдаст сообщение о низком давлении, как ошибку (смотреть табл. 2). 
Во-вторых, расширение диапазона температур возможно еще и благодаря применению для смазки компрессора не минерального, а полиэфирного масла. Последнее обладает меньшей кинематической вязкостью при отрицательных температурах, смазывает более эффективно, обладает меньшей температурой застывания. За счет этого компрессор запускается плавно, нагрузка на двигатель минимальна. 
В-третьих, плавности регулирования, полного отсутствия повышенных токов и более экономичного функционирования (даже при морозах снаружи) удалось достичь, применяя DC-инверторный привод. 
За счет всех этих усовершенствований инновационные системы кондиционирования можно уже сегодня применять для эффективного обогрева, в зимнее время. Но экономично ли это? (смотреть рис. 3). 
 использование систем кондиционирования для обогрева в зимнее время
Работая в качестве теплового насоса, кондиционер снижает температуру воздуха снаружи, а тепло направляет в помещение. Логично, что чем холоднее снаружи, тем с меньшей эффективностью работает устройство. Зная точный коэффициент его энерго эффективности при снижении температуры воздуха улицы, мы можем получить точные данные энергопотребления (рис. 4).
Исходя из рис. 4, коэффициент тепловой теплового воздушного насоса меняется от 3,8 при +10 градусах до 2,4 при –20 градусах. Средний его показатель равен 3,0, за общий отопительный период. Делаем вывод – применять инновационные кондиционеры на R410a фреоне для отопления здания экономически в целых 3 раза выгоднее, нежели традиционные электрообогреватели.
 коэффициент энергетической эффективности кондиционера при понижении температуры наружного воздуха
А что произойдет, когда температура воздуха снаружи снизится до  –20 градусов?
Давайте проанализируем систему отопительную посредством теплового воздушного насоса в Якутске (смотреть табл. 3). Расположен город в условиях вечной мерзлоты и крайне сурового климата, теплого грунта здесь в принципе нет.
 отопления здания с помощью воздушного теплового насоса для города с самым экстремальным климатом в России
Температура расчётная зимнего наружного воздуха - –55 градусов. Исходя из этого показателя очевидно, что именно Якутск обеспечивает наиболее экстремальные условия для  воздушного насоса теплового типа. Учитывая его предельную температуру работы (–20 градусов), можно ошибочно решить, что он не подходит для отопительной системы в Якутске. Но такой вывод будет неверным, по следующим причинам:
1. Проанализируем реальный срок эксплуатации теплового насоса, исходя из количества дней в отопительном периоде самых разных городов России, с зимней температурой от – 20 градусов. Очевидно, что чем холоднее, тем дольше придется работать насосам, и тем большие объемы энергии будут сэкономлены. 
2. Ответ на вопрос «Что делать, когда столбик термометра ниже – 20, и тепловой насос не работает?» есть! Положение спасет такой источник воздуха, как само здание, а именно – его вентиляционный вытяжной воздух. Температура у этого источника – всегда выше – 20 градусов. 
Все современные здания оснащены вытяжными вентиляциями, механическими либо естественными, и все они выделяют теплый воздух, температура его – от +20 до +30 градусов. Именно такая температура – идеальна для работы насоса теплового типа. Даже в самый сильный мороз именно здание становится надежным источником тепла, в объеме от 50 до 70% от необходимого его объема (смотреть рис. 5). 
 В любой мороз само здание является источником от 50 до 70 проц требуемого количества тепла
Вот расчёт объема тепла, без учета влажности, которое выделяется воздухом из вентиляционной системы:
Q = 0,278Lcρ(tв – tн),
L здесь — расход воздуха вытяжного, м. куб./ч; 
ρ — плотность, 1,2 кг/м³ при +20 °C;
с — теплоёмкость, 1,0 кДж/м. куб.
От кратности воздухообмена комнат здания зависит напрямую расход воздуха вытяжного типа:
L = kV, 
V здесь — объём здания, м. куб.; 
k — кратность воздухообмена, зависит она от тепловых потерь, то есть k = 1–2 для жилых строений (30–60 Вт/м²), k = 2–3 для строений офисных (60–90 Вт/м²) и k = 4–6 для ресторанов и подобных объектов (120–180 Вт/м²).
Кратность воздухообмена прямо пропорционально объемам тепла, выделяемого вентиляционным воздухом. Чем выше эти показатели, тем выше и доля потерь строения от вентиляции над потерями посредством ограждающих конструкций (смотреть рис. 6).
 доля потерь здания от вентиляции над потерями от ограждающих конструкций
Опишем детальнее работу схемы отопления, приведенной на рисунке 6. Вентиляционный, теплый воздух (от +20 до +25 градусов) выходит на достаточно тёплый чердак здания. Там уже стоит наружный блок, функционирующий, как насос теплового типа, охлаждающий вытяжной воздух до конкретной температуры. Температура эта определяется по рисунку 7.
 наружный блок который работает в режиме теплового насоса и охлаждает вытяжной воздух
Внутренним блоком может являться блок канальный, как на рисунке 6. Он забирает из жилых помещений рециркуляционный воздух, нагревает его до +30 градусов и вновь направляет в комнаты. Компенсировать объём вытяжного воздуха помогает  приточная вентиляционная система, оснащенная электроподогревом. Производительность калорифера, работающего на электричестве, рассчитывается по расчётной температуре воздуха снаружи.
Чердак одновременно обогревается вытяжным воздухом и охлаждается наружным блоком, который функционирует, как тепловой насос. Температурные показатели приведены на графике рисунка 7.
 «Потери двукратные» - это линия, соответствующая потерям тепла у строения на нагрев вентиляционного воздуха, при воздухообмене двойном, на 1 куб. м. площади. Когда температура воздуха снаружи - от +20 градусов и выше, потерь тепла нет. Когда температура понижается, тепло теряется. При – 55 градусах потеря тепла составляет 150 Вт/м², с вентиляционным воздухом. Тепло потери от конструкций ограждающего типа составляют 45 Вт/м². Общие тепло потери – сумма этих двух показателей - 195 Вт/м².
Что же происходит на нашем чердаке? Блок наружный охлаждает воздух, чем он холоднее, тем меньше производительность блока. Процесс этот отображен здесь - «холод наружка FDUM140». Исходя из баланса холода и тепла, объем поступающего на чердак тепла равен объему холода, который поступает туда же из-за наружки, это зафиксировано в точке пересечения двух линий «холод наружка FDUM140» и «потери двухкратные». Точка эта отвечает температуре в – 15 градусов. При воздухообмене двукратного типа температура воздуха чердака никогда не будет ниже этого показателя. Причина – объем тепла, поступаемого с вытяжным воздухом, всегда больше объема холода, поступаемого с блоком наружным. На данный температурный показатель температура уличного воздуха не влияет. 
Блок наружный способен работать круглый год, до предела температуры в – 20 градусов. 
Если кратность обмена воздуха станет выше двух, температура итоговая станет ещё выше. При кратности три температура на чердаке составит –7 градусов, при кратности 4-  –1 градус.
Проанализируем функционирование системы при разной температуре наружного воздуха:
1. Температура – 0 градусов. Открытый чердак. Потери тепла общие, сквозь ограждающие конструкции и на вентиляцию - 55 Вт на 1 кв. м. Производительность насоса воздушного теплового при температуре 0 градусов — 120 Вт/м². Фактически насос снизит обороты инвертора до необходимой производительности в 55 Вт/м². Энергопотребление ТН по рисунку 4  составит 17 Вт/м², коэффициент тепловой – 3,2. 
2. Температура наружного воздуха –15 градусов. 
Закрытый чердак. Тепло потери общие (на вентиляцию, сквозь конструкции) - 90 Вт/м². Производительность теплового насоса при –15 градусах — 90 Вт/м². Энергопотребление ТН по рисунку 4  составит 90 Вт/м², коэффициент тепловой – 2,5. 

3. Температура воздуха снаружи –30 градусов. 
Закрытый чердак. Тепло потери здания составляют 130 Вт/м². Производительность ТН при температуре –15 градусов — 90 Вт/м². Тепловой коэффициент по рис. 4 - 2,5. Энергопотребление насоса - 36 Вт/м2. При этом в приточной системе работает электрический калорифер, добавляющий 130 – 90 = 40 Вт/м², которых не хватает.
4. Температура наружного воздуха –55 градусов. 
Закрытый чердак. Тепло потери здания составляют 195 Вт/м². Производительность воздушного ТН при чердачной температуре чердака –15 градусов — 90 Вт/м². Энергопотребление— 36 Вт/м², тепловой коэффициент - 2,5. Электро калорифер добавляет  195 – 90 = 105 Вт/м².
Итоги анализа: в теплое время года и до –15 градусов мороза здание можно отапливать лишь тепловым воздушным насосом. Температура уличная всегда выше температуры чердака, чердак на летне-осенний период открыт и проветривается. Уже с –15 градусов чердак нужно закрывать. Наружный блок будет функционировать за счёт теплого вытяжного воздуха, и температура не опустится ниже –15 градусов (смотреть рис. 8).
 Наружный блок продолжает работать только за счёт тепла вытяжного воздуха
В реальности температура будет еще выше, ведь не были учтены такие важные моменты: поступление тепла сквозь потолок, энтальпию воздуха вытяжного за счёт влажности, теплопоступления внутренние от работающей техники и людей, и прочее.
Но уже с –15 градусов мороза снаружи нужно применять дополнительные тепловые источники, такие как электро конвекторы в комнатах либо электро калорифер в приточной системе.
Нюансы применения кондиционера для обогрева
Крайне важен воздушный режим комнат. Чтобы обогрев проходил равномерно, тёплый воздух должен поступать в нижнюю зону, иначе появится значительный перепад температур между зоной у пола и потолком. Чтобы не нарушать баланс, нужно или внутренний блок размещать внизу, или же подавать тёплый воздух в область пола. В Японии тепловые насосы используются для обогрева уже очень давно, и традиционно  внутренние блоки располагают так, как это изображено на рисунке 9.
 В Японии принято использовать в качестве обогревателей именно тепловые насосы
Отвод конденсата и режим оттайки наружного блока
Когда  кондиционер работает на обогрев, воздух снаружи охлаждается и происходит выделение конденсата. Он остается на блоке в виде ледяной корки, которая вредит производительности. Избежать этого поможет правильный режим оттайки (смотреть рис. 10). Степень снижения производительности зависит напрямую от влажности наружного воздуха. Но, чем ниже температура воздуха, тем ниже его влажность. Именно поэтому предел снижения производительности – 14%, ведь снижение это происходит в диапазоне температур от – 10 до +5 градусов (рис. 11). При температуре в – 15 градусов производительность падает лишь на 4%, что совершенно не опасно при выборе расчётной мощности. 
Чтобы убрать лед с наружного блока, система запускает режим оттайки. По сути это – переключение на краткий промежуток времени в охлаждающий режим (рис. 11).
режим оттайки 
В таком режиме блоки, находящиеся внутри, не работают. Фреон подается на теплообменник наружного блока компрессором с температурой 70 градусов, в течение десяти минут. Иней, едва появившись, тает и стекает с блока снаружи. Но из-за мороза конденсат снова  замерзает под наружным блоком, образуя огромные сосульки.
При применении системы кондиционирования для обогрева необходимо обеспечить подогрев поддона блока специальным греющим кабелем. Не будет лишним и удаление конденсата по дренажным трубопроводам. Трубопроводы эти должны быть закрыты теплоизоляцией и подогреваемые.
Выводы
Применение инверторных систем кондиционирования нового поколения, как  оборудования для отопления любых жилых зданий совершенно реально, экономически выгодно и оправдано. Это верно даже для городов с экстремальными природными условиями, таких, как Якутск.  
Важные нюансы такого отопления - в следующем:
1. Наружный блок необходимо размещать на утеплённом чердаке помещения. До наружной температуры в –15 градусов здание можно отапливать исключительно воздушным тепловым насосом. От –15 градусов придется подключать дополнительные источники тепла, однако насос будет продолжать работу.
2. Когда на улице тепло, система будет полноценной системой кондиционирования. Стоит универсальная система, обогревающая и охлаждающая, дешевле, чем две отдельные системы. Вместе с монтажом универсальное устройство будет стоить от 70 до 100 долларов, на 1 кв. метр площади. 
3. Обогревать помещение тепловым насосом экономически весьма выгодно, ведь в среднем за весь сезон он будет обеспечивать целых 3 кВт тепла за 1 кВт энергии, им потребляемой. 
4. Фреон в качестве энергоносителя – это невозможность разморозить систему даже при отключениях электричества. Этот момент очень важен для регионов, где значительную часть месяцев в году температура наружного воздуха – отрицательная. 
5. Благодаря применению электронной системы, управляющей производительностью, есть возможность быстро выходить на расчетный режим и стабильно поддерживать нужную температуру в комнатах.

В статье использованы сведения из  журнала СОК №4 | 2017 статья автор Брух С.В 

По всем вопросом планирования, проектирования, монтажу и обслуживанию оборудования систем альтернативных источников энергии можно позвонить нам по телефону +79221814562 или отправить сообщение.