Для начала зададимся вопросом: какая главная проблема возникает при попытке обогрева помещений с помощью воздушного теплового насоса? Все знают, что данная проблема — уменьшение производительности при снижении температуры наружного воздуха. При этом возникает некоторый диссонанс — чем холоднее на улице, тем больше требуется тепла на обогрев здания. И одновременно тем меньше выдаёт тепла наш кондиционер, поскольку КПД теплового насоса также снижается. Для нормальной и эффективной работы теплового насоса нужен источник тепла с температурой хотя бы –10 °C, а лучше ещё выше. Какие же есть варианты?

Вариант 1 — тепло земли (рис. 1). Температура грунта ниже глубины промерзания никогда не опускается меньше +5 °C. Поэтому можно выкопать котлован или сделать скважины и разместить там трубопроводы с хладагентом. Это жизнеспособная схема, только очень дорогая. К тому же не везде есть возможность проведения земляных работ.
Вариант 2 — незамерзающий водоём. Интересный вариант, но очень редкий в реальных условиях.
Вариант 3 — наружный воздух. Идеальный источник тепла в плане доступности. Недостаток — температура опускается зимой ниже допустимых пределов.

Неужели нет «идеального» источника тепла для теплового насоса? Конечно же, он есть. Но для начала рассмотрим особенности работы воздушных тепловых насосов. При работе кондиционера зимой в режиме теплового насоса эффективность его снижается — примерно при температуре –5 °C тепловой коэффициент падает, и при дальнейшем снижении наружной температуры эффективнее использовать обычные электрические обогреватели. Но всё это было справедливо для систем кондиционирования воздуха на фреоне R22, с On/Off-регулированием производительности компрессора. Новые системы кондиционирования обладают принципиально большим температурным диапазоном использования в режиме тепла — до –25…–20 °C (рис. 2). Благодаря чему же существенно расширен температурный диапазон?

Во-первых, это использование фреона R410a, который обладает существенно большим рабочим давлением, чем фреоны R22 или R407c (табл. 1). Это приводит к тому, что при понижении температуры наружного воздуха снижается температура и давление кипения фреона в наружном блоке. Снижение давления ведёт к меньшей плотности газа на всасывании компрессора и, следовательно, к снижению его производительности. Давление фреона R410a изначально в 1,5–2,0 раза больше, чем фреона R22, поэтому снижение производительности компрессора тоже происходит, но не такое значительное.

Часто задают вопрос: «А что будет при температуре наружного воздуха, меньшей –20 °C?» Работа кондиционера на тепло продолжится, но с меньшей эффективностью. И при температуре кипения фреона –38 °C кондиционер отключится, выдав сообщение об ошибке по причине низкого давления (табл. 2).

Во-вторых, температурный диапазон расширен за счёт использования полиэфирного (ПОЭ) масла для смазки компрессора, вместо применяемого ранее минерального (МО). Преимущества полиэфирных масел по сравнению с минеральными — лучшие смазывающие качества, меньшая кинематическая вязкость при низких температурах, меньшая температура застывания. Благодаря этому запуск компрессора при низкой температуре происходит плавно, с меньшей нагрузкой на двигатель.

В-третьих, применение DC-инверторного привода компрессора позволяет добиться высокой экономичности работы, отсутствия повышенных пусковых токов и плавности регулирования производительности — даже при низких наружных температурах.

Таким образом, уже сегодня возможно использование систем кондиционирования для обогрева в зимнее время. Но насколько это экономично? Давайте ответим и на этот вопрос (рис. 3).

Когда кондиционер работает в режиме теплового насоса, он охлаждает наружный воздух и полученную энергию отдаёт в обслуживаемые помещения. Естественно, чем ниже температура наружного воздуха, тем меньше эффективность теплового насоса. Конкретные величины энергопотребления можно получить, зная коэффициент энергетической эффективности кондиционера при понижении температуры наружного воздуха (рис. 4).

Как следует из рис. 4, тепловой коэффициент реального воздушного теплового насоса меняется от 3,8 при +10 °C до 2,4 при –20 °C и в среднем за отопительный период равен 3,0. То есть использовать новые кондиционеры на 410-м фреоне в качестве системы отопления коттеджа ровно в три раза выгоднее, чем обычные электрообогреватели.

Теперь ответим на главный вопрос: «Что будет при наружной температуре, меньшей –20 °C?»

Рассмотрим систему отопления здания с помощью воздушного теплового насоса для города с самым экстремальным климатом в России — Якутска (табл. 3). К тому же он расположен на вечной мерзлоте, то есть тепла грунта нет.

Глядя на расчётную температуру наружного воздуха зимой (–55 °C), становится понятно, что Якутск рекордсмен — там самый экстремальный климат для работы воздушного теплового насоса. Учитывая предельную температуру работы воздушного ТНУ (–20 °C), можно сделать поспешный вывод — якобы нельзя использовать тепловые насосы в качестве системы отопления в Якутске. Однако не всё так однозначно.

Во-первых, давайте посмотрим на количество суток отопительного периода для различных российских городов с температурой от –20 °C и выше. То есть допустимый период эксплуатации ТНУ. И тут делаем первый важный вывод — чем холоднее климат, тем больше суток будут работать тепловые насосы, и тем больше энергии они нам сэкономят.

Во-вторых, главный вопрос: «Что же делать, если температура уличного воздуха ниже –20 °C и воздушный тепловой насос использовать нельзя»? Ответ здесь прост — нужно найти источник воздуха с температурой выше –20 °C. Этот источник — само здание. Точнее — вытяжной вентиляционный воздух.

В любых зданиях есть системы вытяжной вентиляции. Где-то они естественные, где-то механические — но это для нас неважно. Важно, что здание всегда выбрасывает воздух с температурой +20…+30 °C. Это идеальные температурные параметры для работы воздушного теплового насоса. В любой мороз само здание является источником от 50 до 70 % требуемого количества тепла (рис. 5).

Рассчитаем количество тепла, выбрасываемое вентиляционным воздухом (без учёта влажности):
Q = 0,278Lcρ(tв – tн),
где L — расход вытяжного воздуха, м³/ч; с — теплоёмкость, 1,0 кДж/м³; ρ — плотность, 1,2 кг/м³ при +20 °C.

Расход вытяжного воздуха зависит от кратности воздухообмена помещений:
L = kV,
здесь V — объём здания, м³; k — кратность воздухообмена, зависящая от потерь теплоты, то есть k = 1–2 для жилых помещений (30–60 Вт/м²), k = 2–3 для офисов (60–90 Вт/м²) и k = 4–6 для ресторанов (120–180 Вт/м²).

Чем больше кратность воздухообмена, тем больше тепла выбрасывается вентиляционным воздухом, тем выше доля потерь здания от вентиляции над потерями через ограждающие конструкции (рис. 6).

Опишем, как работает схема отопления, изображённая на рис. 6. На тёплый чердак здания выбрасывается вентиляционный воздух с температурой от +20 до +25 °C. Там устанавливается наружный блок, который работает в режиме теплового насоса и охлаждает вытяжной воздух до некоторой температуры, которую мы определим по рис. 7.

В качестве внутреннего блока может быть любой, например, блок канального типа, как на рис. 6. Внутренний блок забирает рециркуляционный воздух из жилых помещений, обогревает его до +30 °C и снова подаёт в обслуживаемые помещения. Для компенсации объёма вытяжного воздуха устанавливается система приточной вентиляции с электроподогревом. Производительность электрического калорифера рассчитывается исходя из непосредственно расчётной температуры наружного воздуха.

Чердак, с одной стороны, обогревается тёплым вытяжным воздухом, с другой стороны — охлаждается наружным блоком, работающим в режиме теплового насоса. Какая при этом установится температура — увидим на графике рис. 7.

Линия «потери двухкратные» соответствует теплопотерям здания на нагрев вентиляционного воздуха при двухкратном воздухообмене на 1 м³ площади. При наружной температуре +20 °C и выше теплопотерь нет, а при понижении наружной температуры они, соответственно, появляются. При расчётной температуре –55 °C теплопотери с вентиляционным воздухом составляют 150 Вт/м².

Теплопотери от ограждающих конструкций — 45 Вт/м². Суммарные теплопотери здания составляют, соответственно, 195 Вт/м².

Теперь внимательно посмотрим, что происходит на чердаке. Наружный блок охлаждает окружающий его воздух. Чем ниже окружающая его температура, тем меньше производительность наружного блока. Этот процесс соответствует линии «холод наружка FDUM140». Нам важна точка пересечения линий «потери двухкратные» и линии «холод наружка FDUM140», поскольку, исходя из баланса тепла и холода, именно в этой точке количество тепла, вносимого на чердак, будет равно количеству холода, вносимого на чердак наружкой. Эта точка пересечения соответствует температуре –15 °C. Температура на чердаке при двухкратном воздухообмене никогда ниже не опустится, потому что количество тепла, вносимого вытяжным воздухом, будет больше количества холода, вносимого наружным блоком. Эта температура не зависит от температуры наружного воздуха.

Наружный блок, свободно работающий до окружающей температуры –20 °C, будет работать круглогодично.

При кратности воздухообмена выше двух итоговая температура будет ещё выше, например, при трёхкратном воздухообмене на чердаке будет –7 °C, при четырёхкратном она составит –1 °C.

Теперь рассмотрим работу системы при различной наружной температуре:

1. Температура наружного воздуха 0 °C.
Чердак открыт. Теплопотери здания на вентиляцию и через ограждающие конструкции составляют 55 Вт на 1 м². Производительность воздушного теплового насоса при температуре 0 °C — 120 Вт/м². Значит, тепловой насос уменьшит обороты инвертора до требуемой производительности 55 Вт/м². Тепловой коэффициент при этом по рис. 4 составляет 3,2. Энергопотребление ТН — 17 Вт/м².

2. Температура наружного воздуха –15 °C.
Чердак закрывается. Теплопотери здания на вентиляцию и через ограждающие конструкции составляют 90 Вт/м². Производительность воздушного теплового насоса при температуре –15 °C — как раз 90 Вт/м². Тепловой коэффициент при этом по рис. 4 составляет 2,5. Энергопотребление теплового насоса — 36 Вт/м².

3. Температура наружного воздуха –30 °C.
Чердак закрыт. Теплопотери здания на вентиляцию и через ограждающие конструкции составляют 130 Вт/м². Производительность воздушного теплового насоса при температуре –15 °C — 90 Вт/м². Тепловой коэффициент по рис. 4 составляет 2,5. Энергопотребление теплового насоса 36 Вт/м2. Включается электрокалорифер в приточной системе и добавляет недостающие 130 – 90 = 40 Вт/м².

4. Температура наружного воздуха –55 °C.
Чердак закрыт. Теплопотери здания на вентиляцию и через ограждающие конструкции составляют 195 Вт/м². Производительность воздушного теплового насоса при температуре чердака –15 °C — 90 Вт/м². Тепловой коэффициент при этом по рис. 4 составляет 2,5. Энергопотребление теплового насоса — 36 Вт/м².

Включается электрокалорифер в приточной системе и добавляет недостающие 195 – 90 = 105 Вт/м².

Подведём итоги: с тёплого периода и до –15 °C наружного воздуха отопление здания обеспечивается полностью за счёт воздушного теплового насоса. Температура на улице выше, чем температура на чердаке, поэтому чердак открыт на летнеосенний период и свободно проветривается. Начиная с –15 °C открытый чердак уже приносит больше холода, поэтому закрывается. Наружный блок продолжает работать только за счёт тепла вытяжного воздуха. Температура на чердаке не опускается ниже –15 °C (рис. 8).

На самом деле температура на чердаке будет выше, так как мы не учли многие дополнительные факторы: энтальпию вытяжного воздуха за счёт влажности, поступления тепла через потолок, внутренние теплопоступления в здании от людей и техники и т.д.

Но начиная с –15 °C наружной температуры мы подключаем дополнительные источники тепла, например, электрокалорифер в приточной системе или электроконвекторы в помещениях.

Особенности при использовании кондиционера в качестве обогревателя
Воздушный режим помещения При работе любого обогревателя, для равномерного перемешивания тёплый воздух необходимо подавать в нижнюю зону помещения. Если этого не сделать, то может возникнуть большой перепад температур между полом и потолком. Поэтому необходимо либо внутренний блок размещать как можно ниже, либо подавать тёплый воздух в нижнюю зону в области пола. В Японии, например, уже давно принято использовать в качестве обогревателей именно тепловые насосы, поэтому классическое расположение внутреннего блока применяется точно так, как это показано на рис. 9.

Режим оттайки наружного блока и отвод конденсата
При работе системы кондиционирования на тепло наружный воздух охлаждается и из него выделяется конденсат, который благополучно намерзает на наружном блоке, снижая его производительность. Для удаления этого льда система применяет режим оттайки (рис. 10). Насколько снижается производительность наружного блока? Это зависит главным образом от влагосодержания наружного воздуха. Особенностью влажного воздуха является снижение влагосодержания при снижении его температуры. Поэтому снижение производительности на тепло происходит в большей степени при температуре –10…+5 °C (максимум на 14 %, рис. 11). При расчётной же температуре –15 °C падение производительности составляет всего 4 %, что некритично для выбора расчётной мощности системы.

Для удаления льда с наружного блока система кондиционирования включает режим оттайки, физический смысл которого сводится к кратковременному переключению кондиционера в режим охлаждения (рис. 11).

Внутренние блоки при этом не работают, а компрессор подаёт фреон с температурой около 70 °C на теплообменник наружного блока в течение десяти минут. Образовавшийся иней быстро тает и стекает с наружного блока. Но, так как вокруг наружного блока отрицательная температура, то происходит снова замерзание конденсата под наружным блоком в виде огромных сосулек.

То есть в случае использования системы кондиционирования в режиме тепла нужно обязательно предусмотреть подогрев поддона наружного блока греющим кабелем. Также желательно сделать организованное удаление конденсата от наружного блока по дренажным трубопроводам, которые должны быть обязательно подогреваемыми и закрытыми теплоизоляцией.

Выводы
Использование новых инверторных систем кондиционирования в качестве оборудования для отопления коттеджей (а также любых жилых зданий и гостиниц) вполне оправдано и экономично уже сегодня даже для такого города с экстремальным климатом как Якутск. Основные особенности такого вида отопления следующие:

1. Наружный блок должен располагаться на утеплённом чердаке здания, куда выбрасывается вытяжной воздух. До –15 °C отопление здания полностью обеспечивается воздушным тепловым насосом. От –15 °C и ниже подключаются дополнительные источники тепла, однако ТН продолжает работать.
2. В тёплый период система работает как полноценная система кондиционирования. Стоимость универсальной системы обогрева и кондиционирования помещений ниже, чем отдельной системы отопления, вентиляции и охлаждения. На 1 м² отапливаемой площади стоимость всей системы с монтажом составляет $ 70–100.
3. Обогрев с помощью теплового насоса очень экономичен — система в среднем за сезон будет давать 3 кВт тепла на 1 кВт потребляемой энергии.
4. Энергоноситель — фреон. Значит, при любых отключениях электричества систему разморозить невозможно. Это очень важно для регионов с длительным периодом отрицательной температуры наружного воздуха.
5. За счёт использования электронной системы регулирования производительности система кондиционирования точно поддерживает требуемую температуру в помещениях и быстро выходит на расчётный режим.