Рассматривается возможность и экономическая целесообразность использования воздушного теплового насоса как эффективного источника тепла для жилого дома. Ведется сравнение стоимости эксплуатации теплового насоса с некоторыми другими видами теплогенерирующих установок.
Ключевые слова: воздушный тепловой насос, возобновляемые источники энергии, эффективные источники тепла, отопление и горячее водоснабжение жилого дома.
Рост стоимости энергоносителей, а особенно для коммерческих, промышленных и других организаций является большой проблемой, особенно в последние годы. К 2020 году Европейский Союз намерен добиться 20 % экономии энергии. Расходы на отопление и охлаждение занимают все большую долю в эксплуатационных издержках, поэтому использование возобновляемых источников энергии должны снизить инвестиционные риски. Весьма перспективными показывают себя отопительные системы на основе тепловых насосов [1, 5].
Тепловые насосыполучают все более широкое распространение для отопления и горячего водоснабжения жилых домов. Будучи экзотикой, еще в начале века, сегодня они становятся обычным, массовым отопительным прибором. Правда, пока не в России, а в странах Европы. В Дании, например, с начала 2013 года введен запрет на установку котлов на газообразном и жидком топливе в жилых домах. Потребитель вынужден либо подключаться к центральному отоплению, либо устанавливать тепловой насос. По данным мирового энергетического агентства (IEA) отопление тепловыми насосамив Европе займет долю в 50 % к 2030 году.
На сегодняшний день в России тепловые насосы не получили широкого распространения. Причины — высокая цена оборудования и монтажа, плохая осведомленность российских потребителей о возможностях и преимуществах отопления тепловыми насосами, более суровые зимы, чем в европейских странах. Цены на импортные тепловые насосы в России существенно выше, чем на европейском рынке — по причине низких объемов поставок и высоких таможенно-транспортных издержек. Отечественные производители тепловых насосов, к сожалению, пока не могут успешно продвигать свое оборудование на рынке, хотя его стоимость ниже западных аналогов. Кроме того, в Европе действуют различные программы льготного финансирования покупок энергоэффективного оборудования, в том числе и тепловых насосов, чего нельзя сказать о России [7].
В Латвии проводились испытания воздушных тепловых насосов (на базе установок от одной из японских компаний) в качестве источника тепла для систем отопления и горячего водоснабжения жилого дома. Условия эксплуатации и сравнение затрат, относительно некоторых других источников тепла, приведены в таблицах 1, 2 и на рисунках 1, 2, 3 [2].
Для обеспечения высокоэффективной и надежной работы при низких температурах, в воздушных тепловых насоса (в рассматриваемом случае) реализован комплекс инновационных разработок:
– высокоэффективные двухроторные компрессоры с увеличенной мощностью и степенью сжатия, которые оптимизированы для работы при низких температурах.
– микропроцессорная система управления оборотами компрессора, которая позволяет значительно увеличить мощность при пониженных температурах. Блок управления в таких компрессорах преобразует переменный ток питания в постоянный и затем формирует переменный ток с необходимой частотой. У современных установок обратного преобразования не происходит, так как используются компрессоры с двигателем постоянного тока, тем самым уменьшая потери на преобразовании. Такой процесс (называемый инвертированием) позволяет в широких пределах регулировать скорость вращения двигателя компрессора, и, следовательно, холодо- или теплопроизводительность агрегата. Благодаря такой технологии инверторные тепловые насосы более экономичны и обеспечивают более гибкое и точное поддержание температуры, чем насосы с обычным компрессором [3, 4].
– сабкулер (дополнительный теплообменник, подключенный последовательно после теплообменника-конденсатора) с электронной системой управления, которая повышает эффективность термодинамического цикла при низких температурах.
– интеллектуальная система оттайки (по состоянию), которая учитывает температуру и влажность окружающего воздуха и сокращает потери на оттайку при низких температурах [3].
Для оценки эффективности тепловых насосов используются два коэффициента:
– СОР (Coefficient of performance) — отношение полученной теплоты по отношению к потребленной электроэнергии при фиксированной наружной температуре;
– SPF (Seasonal Performance Factor) — отношение полученной за сезон (или заданный период времени) теплоты к потребленной электроэнергии за указанный период.
Так как наружная температура непрерывно меняется, то объективнее эффективность теплового насоса за сезон (период) характеризует коэффициент SPF [2].
Таблица 1
Основные данные
|
Наименование |
Жилая площадь, м2 |
Номинальная мощность установленного теплового насоса, кВт |
Температура наружного воздуха при номинальной мощности, °С |
Система отопления |
|
Дом № 1 (новый, утепленный, каркасный) |
110 |
5,9 |
-15 |
Теплый пол |
Рис. 1. График наружных температур, °С, Рига 2013/2014
Дом № 1.
Тепловой насос был оборудован отдельным электросчетчиком и теплосчетчиком, показания которых фиксировались владельцем дома в специальном журнале каждую неделю (см. рис. 2).
Результаты эксплуатации воздушного теплового насоса с ноября 2013 года по октябрь 2014 года представлены на рис. 1, 2, 3. Эффективнее теплового насоса в данном доме оказался твердотопливный котел (гранулы). Но тогда потребуется разместить в доме 110 м² котельную, дымоход, склад для гранул (≈ 2,5 тонны). Все это занимает немало места и средств при строительстве дома. Тепловой насос для установки в доме требует только 1–1,5 м², и стоил владельцу меньше, чем гранульный котел, дымоход и котельная. К слову, 2,5 тонны гранул за зиму следует привезти, складировать, загрузить в бункер котла, вычистить и вынести образовавшуюся золу, что увеличивает эксплуатационные затраты.
Таблица 2
Показания электро- и теплосчетчика по месяцам (Дом №1)
|
Месяцы |
Нбр. |
Дек. |
Янв. |
Фев. |
Мрт. |
Апр. |
Май |
Июн |
Июл |
Авг. |
Сен. |
Окт. |
Нбр.-Июн |
|
Электро-счетчик, kWh |
340 |
439 |
743 |
406 |
367 |
163 |
125 |
78 |
53 |
63 |
85 |
163 |
2661 |
|
Тепло- счетчик, kWh |
1202 |
1397 |
1825 |
1193 |
1110 |
471 |
364 |
211 |
144 |
161 |
240 |
471 |
7773 |
|
SPF |
3,5 |
3,2 |
2,5 |
2,9 |
3,0 |
2,9 |
2,9 |
2,7 |
2,7 |
2,6 |
2,8 |
2,9 |
Рис. 2. Показания электро- и теплосчетчика по месяцам (Дом № 1)
Рис. 3. Сравнение с другими источниками тепла, у.е./год (Дом № 1) [3]
Однако, при применении тепловых насосов необходимо помнить, что для всех типов тепловых насосов характерен ряд особенностей.
- Во-первых, тепловой насос оправдывает себя только в хорошо утепленном здании, то есть с теплопотерями не более 100 Вт/м2. Чем теплее дом, тем больше выгода.
- Во-вторых, чем больше разница температур теплоносителей во входном и выходном контурах, тем меньше коэффициент преобразования тепла (Кпт), то есть меньше экономия электроэнергии. Поэтому более выгодно подключение агрегата к низкотемпературным системам отопления. Прежде всего, имеется в виду обогрев от водяных полов или теплым воздухом, так как в этих случаях теплоноситель по медицинским требованиям не должен быть горячее 35°С. Таким образом, можно сделать вывод, что тепловые насосы оптимально подходят для низкотемпературных отопительных систем (фанкойлы, теплый пол, радиаторы, то есть тех устройств, мощность которых пересчитывается на уменьшенную температуру подачи).
- В-третьих, для достижения большей выгоды практикуется эксплуатация тепловых насосов в паре с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления). В доме с большими теплопотерями ставить насос большой мощности (более 30 кВт) невыгодно. Он громоздок, а будет работать в полную силу всего лишь около месяца. Ведь количество действительно холодных дней не превышает 10–15 % от длительности отопительного сезона. Поэтому часто мощность теплового насоса назначают равной 70–80 % от расчетной отопительной. Она будет покрывать все потребности дома в тепле до тех пор, пока уличная температура не опустится ниже определенного расчетного уровня (температуры бивалентности), например, минус 5–10°С. С этого момента в работу включается второй генератор тепла. Есть разные варианты его использования. Чаще всего таким помощником служит небольшой электронагреватель, но можно поставить и жидкотопливный котел. Возможны и более сложные тепловые бивалентные схемы, например включение солнечного коллектора. Для этого, у некоторых серийных систем тепловых насосов и солнечных коллекторов такая возможность предусмотрена в конструкции. В этом случае, смешивание тепла, идущего от теплового насоса (это достаточно инерционная система) и от солнечного коллектора (малоинерционная система) производиться в выравнивающем бойлере [6].
На основании всех вышеприведенных данных можно сделать общий вывод: эксплуатация воздушных тепловых насосовв Латвии убедительно доказывает эффективность во всем диапазоне наружных температур, обеспечивая низкие затраты на отопление и подготовку горячей воды.
Литература:
1. Агроводком. Будущее — за тепловыми насосами. — URL: http://www.agrovodcom.ru/infos1/teplovye-nasosy.php (Дата обращения 03.04.2016).
2. Отопление. Воздушные тепловые насосы. Практическая эксплуатация, сезон 2013/2014. — URL: http://rus.delfi.lv/news/daily/commercials/otoplenie-vozdushnye-teplovye-nasosy-panasonic-prakticheskaya-ekspluataciya-sezon-20132014.d?id=44282945 (Дата обращения 03.04.2016).
3. Отопление. Воздушные тепловые насосы. Практическая эксплуатация, сезон 2013/2014. Часть II. — URL:http://rus.delfi.lv/archive/print.php?id=45084174 (Дата обращения 03.04.2016).
4. Инновационные компрессорные технологии. — URL: http://www.eurobi.ru/ zapchasti/kompressory/technology.html (Дата обращения 03.04.2016).
5. ROSTeplocom. Мощные тепловые насосы. — URL: http://www.rosteplocom.ru/ service_rus/49moshhnyeteplovyenasosy (Дата обращения 03.04.2016).
6. Современные системы отопления и горячего водоснабжения. Тепловые насосы. — URL: https://rudjanov.wordpress.com/hp/(Дата обращения 03.04.2016).
7. Пассивные дома. Энергоэффективные коттеджи. Строительство. Инжиниринг. Отопление и горячая вода в пассивном доме. Тепловые насосы. — URL: http://www.effdom.ru/#!heatpumps-heating/c22yk (Дата обращения 03.04.2016).
