Тепловой насос: особенности системы отопления для дома, нюансы выбора

Отопление зданий тепловыми насосами в США, Германии и многих других станах Европы давно является обычным делом. А вот на российский рынок эти агрегаты пришли относительно недавно, хотя с каждым годом доля их продаж неуклонно растет. С учетом постоянного повышения цен на электроэнергию, увеличения технической грамотности российского потребителя, а также общемирового тренда на энергоэффективность и энергосбережение, можно ожидать, что в ближайшем будущем данные системы займут достойное место среди альтернативных систем отопления. В нашей статье мы расскажем о том, что такое тепловые насосы и какие существуют виды этих систем отопления.

Виды тепловых насосов для отопления

Итак, что же такое тепловой насос? Это устройство сбора и переноса тепловой энергии от низкопотенциального источника тепла к потребителю. Главное отличие теплового насоса от традиционных нагревателей состоит в том, что первый способен передавать тепло в обратном направлении — от менее нагретого объекта к более нагретому, эффективно увеличивая температуру теплоносителя. Тепловой насос сам не производит тепло, он просто «забирает» тепловую энергию из воды, грунта или воздуха, а затем переносит ее в помещение. Физический принцип работы теплового насоса основан на том, что каждое тело с температурой выше абсолютного нуля (–273,15°C) имеет определенный запас тепловой энергии, причем этот запас прямо пропорционален удельной теплоемкости и массе самого тела.

Современное семейство тепловых насосов весьма многочисленно, его представители делятся на несколько видов в зависимости от следующих признаков:

1. По типу теплоносителя и системы теплообмена:
   • «Воздух-воздух». В этом случае тепло к хладагенту, циркулирующему в замкнутом контуре насоса, передается от наружного воздуха, который при этом физически охлаждается. Затем оно поступает в отапливаемое помещение через внутренние блоки, которые могут быть любого вида, например настенными или напольными. Такие насосы быстро прогревают помещение и при этом относительно недорогие. Классическим примером подобного теплового насоса являются современные кондиционеры с функцией обогрева или реверсивные кондиционеры. В случае использования для обогрева воздушного теплого насоса нет необходимости иметь дополнительный источник энергии — водоем, грунтовые воды и так далее. У насоса «воздух-воздух» самая низкая стоимость монтажа и быстрая окупаемость, к тому же его можно использовать летом в качестве кондиционера для работы на охлаждение воздуха. Однако подобная технология имеет и свои минусы: такой насос достаточно энергозатратен, его производительность зависит от наружной температуры — по мере ее снижения эффективность работы агрегата падает. К тому же для подогрева воды ему нужны дополнительные модули и его невозможно интегрировать в схемы с другими источниками тепла.
   • «Вода-вода». Используется тепловая энергия водоема или грунтовых вод — оптимальный вариант в том случае, если рядом есть неглубоко залегающие водные горизонты или непромерзающий полностью зимой водоем, который можно использовать. Технология состоит в следующем: из скважины вода направляется с помощью насосов на контур нагревателя — тепло идет в дом, а охлажденная вода сбрасывается через специальную скважину. Если вода поступает из открытого водоема, то ее можно возвращать в этот же водоем в другом месте. Для работы такого насоса нужен достаточный объем воды и мощные циркуляционные насосы, которые также потребляют электроэнергию. При этом энергоэффективность подобных тепловых насосов велика и с лихвой окупает перерасход энергии на транспортировку воды от источника к потребителю.
   • «Воздух-вода». Тепло наружного воздуха используется для нагрева воды, которая затем подается в систему отопления. Как и для насоса типа «воздух-воздух», в этом случае эффективность теплового насоса также зависит от наружной температуры — чем она ниже, тем больше энергии потребуется для получения необходимого количества тепла. Так что при выборе насоса обязательно нужно учитывать среднегодовые температуры и количество морозных дней. Преимуществом теплового насоса «воздух-вода» является возможность дополнительного догрева воды с помощью альтернативных источников энергии (гелиоколлекторов, солнечных панелей), их можно использовать в летнее время и межсезонье. Для преодоления пиковых отрицательных температур зимой, когда мощность теплового переноса существенно снижается, используют встроенные или отдельные водяные электронагреватели. Применяются эти насосы, как правило, в частных и многоквартирных домах, таунхаусах и гостиницах. У такой системы теплообмена довольно низкая стоимость монтажа и быстрая окупаемость, она без труда интегрируется в существующую систему отопления.
   • «Вода-воздух» — принцип работы базируется на использовании энергии воды в скважине или водоеме и передаче ее в воздушную систему отопления. Данная схема схожа с концепцией «вода-вода» и реализуема лишь при наличии или организации возможных источников получения тепла (водоем, скважина).
   • «Лед-вода» — для нагревания воды в отопительной системе используется тепловая энергия, высвобождающаяся при генерации льда. В процессе замораживания 200 литров воды можно получить тепловую энергию достаточную для того, чтобы обогревать небольшой дом в течение часа. На сегодняшний день это не слишком востребованный тип теплового насоса, поскольку процесс аккумуляции льда связан со специальной технологией, которую невозможно применить в большинстве коммерческих и жилых объектов.
   • «Грунт-вода» — тепло извлекается непосредственно из грунта через горизонтальный коллектор или вертикальные скважины, а затем направляется в контур отопления и/или ГВС. Поскольку температура грунтовых слоев на глубине ниже температуры промерзания и всегда положительная, такой тип насоса является практически идеальным для круглогодичного использования. Он имеет высокий тепловой коэффициент, легкое управление и способен бесперебойно работать в течение многих лет, однако возведение инженерных коммуникаций для его подключения и функционирования требует больших капитальных затрат, участия высококвалифицированных специалистов, а совокупная стоимость работ и оборудования будет выше, чем для тепловых насосов всех других типов.
2. По виду источника тепла:
   • Геотермальные насосы — получают тепловую энергию из воды или грунта. Могут быть замкнутого или открытого типа.
   • Воздушные насосы — источником тепла здесь является воздух, причем не только наружный, но и воздух из вытяжной вентиляции здания.
   • Использующие вторичное тепло, например тепло трубопровода центрального отопления. Такой вариант целесообразен для промышленных объектов, где имеются источники тепла, требующие утилизации.
3. По способу передачи энергии:
   • Компрессионные насосы состоят их компрессора, расширителя, конденсатора и испарителя, а их работа базируется на циклах сжатия-расширения теплоносителя ― в результате выделяется тепло (см. рис. 1). Такой тип насосов является самым востребованным на рынке, он достаточно эффективен, прост в работе и популярен среди потребителей благодаря наименьшей стоимости.

     Рис. 1. Принцип работы компрессионного теплового насоса.

   • Абсорбционные насосы (см. рис. 2) используют в качестве источника энергии пару абсорбент – рабочее вещество. Применение абсорбента существенно повышает эффективность работы агрегата. В качестве таких пар могут использоваться вода и лития бромид (абсорбент) или аммиак и вода (абсорбент).

     Рис. 2. Принцип работы абсорбционного теплового насоса.

Выбор максимально подходящего теплового насоса для отопления того или иного объекта напрямую зависит от нескольких факторов. О них мы и поговорим далее.

По каким принципам можно выбрать систему

Тепловой насос может быть целесообразен в том случае, если установка, подключение или окупаемость прочих систем отопления по расчетам оказываются экономически нерентабельными, как в случае с энергозатратными электрическими котлами. Перед покупкой и установкой оборудования следует внимательно рассмотреть ситуацию с самых разных ракурсов.

1. Назначение помещения. Поскольку эффективность у разных типов насосов разная, значительную роль в выборе агрегата должен играть объект, для которого предназначено оборудование. Если это большой жилой дом, в котором люди находятся постоянно, тепловой насос должен обеспечивать надежное и качественное отопление дома и горячее водоснабжение круглый год. В этом случае подойдут насосы, например, типа «воздух-вода» или геотермальный насос (при возможности его применения на объекте). В случаях когда требуется лишь эпизодическое применение теплового насоса для обогрева помещений, оптимальным будет высокоэффективный тепловой насос «воздух-воздух».
2. Наличие/отсутствие центральной системы отопления и ГВС. Если такая система существует, а насос используется только в качестве «доводчика» в отдельных помещениях, то необходимо оценивать эффективность взаимодействия систем — она будет тем больше, чем меньше температурных различий между нагревом элементов и источником тепла. Например, более разумным будет использование теплового насоса в тандеме с теплыми водяными полами, чем с обычными радиаторами отопления (температура теплоносителя в полах всегда ниже).
3. Регион использования. Здесь необходимо принимать во внимание и температурные значения, и особенности почвы, и наличие водоемов, и прочие геоклиматические условия. Например, при слишком низких среднегодовых температурах использование насоса типа «воздух-воздух» будет неэффективным, поскольку в этом случае его работа будет слишком энергозатратна и малоэффективна. Если на участке невозможно провести буровые работы или недостаточно площади для размещения горизонтального коллектора, то, соответственно, невозможно будет и установить насос «грунт-вода». Решением в этом случае может стать установка насоса «воздух-вода». Для зданий, расположенных недалеко от водоемов или там, где есть необходимый дебет подземных вод, можно использовать насос «вода-вода».
4. Площадь дома. Если отапливаемая площадь превышает 250 м² и есть возможность бурения скважин, то оптимальным будет насос «грунт-вода». Для домов менее 200 м² идеально подойдет насос типа «воздух-вода». Для небольших квартир, офисов или торговых помещений можно использовать насос «воздух-воздух».
5. Использование в качестве кондиционера. В этом случае можно применить тепловые насосы «вода-вода» или «грунт-вода», у которых есть возможность пассивного охлаждения (без использования компрессора). Все остальные типы насосов будут охлаждать помещение в активном режиме, поэтому затраты на эксплуатацию в теплый период года могут оказаться выше.
6. Наличие вентиляционной системы. Если она имеется, то с помощью интеграции в нее теплового насоса, систему можно эффективно использовать для воздушного отопления. Данная схема установки, как правило, подходит для административных и офисных зданий, а также спортивных комплексов, где система вентиляции с механическим побуждением является обязательным атрибутом.

Еще один важный фактор выбора — стоимость оборудования. Она может варьироваться в зависимости от типа теплового насоса, торговой марки, страны-производителя и многих других факторов.

Стоимость систем отопления с тепловым насосом

При выборе теплового насоса в качестве основного элемента системы отопления следует помнить, что итоговая стоимость будет включать не только цену самого насоса (оборудования), но и затраты на дополнительные инженерные системы, расходные материалы и монтажные работы.

Как уже говорилось, самыми недорогими являются насосы «воздух-воздух». Цена оборудования здесь начинается от 35 000 рублей за высокоэффективный агрегат для помещения до 20–30 м²: данную стоимость можно экстраполировать и на большие площади. Однако как полноценная система обогрева данные тепловые насосы могут применяться исключительно в южных регионах, в России это актуально для климатических зон Черноморского побережья Кавказа и Крыма с расчетными зимними температурами в диапазоне от –5ºС до –7ºС. Как правило, цена монтажа подобного теплового насоса не превышает стоимость монтажа кондиционера сплит-системы и варьируется от 7500 до 16 000 рублей. Также следует понимать, что согласно требованиям СНиП (строительных норм и правил), действующих в РФ, применение системы воздушного отопления в жилых и административных помещениях требует обязательного наличия 100% резервирования мощности воздушного обогрева. Поэтому тепловые насосы «воздух-воздух», как правило, используются в частном секторе.

Обогрев и система ГВС дома с площадью около 100–150 м² с помощью теплового насоса «воздух-вода» потребуют более серьезных затрат. Во-первых, кроме насоса необходимо приобрести дополнительное оборудование: расширительные баки, циркуляционный насос, бак косвенного нагрева (бойлер), а также оснастить обогреваемые зоны высокоэффективными доводчиками — тепловыми конвекторами/радиаторами и/или обустроить в них систему теплых (водяных) полов. Элементы теплового насоса, а также потребители подключаются между собой посредством водяных трубопроводов, а значит, установка данной системы должна быть совмещена со строительством или реконструкцией объекта. Кроме того, придется немало заплатить за монтаж и пусконаладочные работы. В среднем итоговая цена решения для дома с площадью около 100 м² составит от 500 000 рублей при весьма скромном бюджете.

Самыми дорогими являются геотермальные насосы. В этом случае придется потратиться и на само оборудование, и на монтаж, в который входят земляные работы, обустройство скважин и коллекторов, ввод трубопроводов в дом, установка и обвязка самого насоса, монтаж вспомогательного оборудования (радиаторы, конвекторы, теплые полы), плюс подключение всего комплекса устройств и пусконаладка.

В среднем оборудование и его установка для дома площадью 100 м² будет стоить от 700 000 рублей, для дома в 200 м² — от 1 млн рублей.

Тепловые насосы — современный, экономичный и экологичный способ получения тепловой энергии. Окупаемость тепловых насосов весьма высока, и при правильной организации системы отопления объекта, а также при должном утеплении стен и перекрытий здания это может стать замечательной альтернативой традиционным для России электрическим и дизельным котлам, а также котлам на сжиженном газе и пеллетном топливе. В случае установки теплового насоса для потребителя более актуальным становится вопрос обеспечения стабильного основного электроснабжения объекта, а также наличия аварийного источника электричества: при длительном отключении электроэнергии работа теплового насоса должна поддерживаться с помощью автономного генератора.