А между тем это утверждение — просто сила привычки. Далее мы расскажем, как использовать современную систему кондиционирования в качестве основной системы отопления в хорошо всем знакомом суровом российском климате.
Сама идея отопления с помощью теплового насоса очень привлекательна, так как помещение отапливается, по сути, энергией окружающей среды. Кондиционер просто «перекачивает» её в помещение с помощью циркулирующего в контуре хладагента (фреона). На привод компрессора тратится, например, 1 кВт электрической энергии, из окружающего воздуха забирается ещё 3 кВт теплоты, и в результате мы получаем 4 кВт полезной тепловой энергии. Никакого нарушения закона сохранения энергии, естественно, не происходит, поскольку сколько энергии подводится к наружному блоку, столько и выдаёт внутренний.
Однако существуют две главных проблемы, которые мешают использовать эту замечательную систему повсеместно. Первая проблема — это ограничение по температуре наружного воздуха, когда мы можем использовать воздушный тепловой насос. Первые сплит-системы на 22-м фреоне и с on/off-компрессорами работали при температуре до −5°C в режиме тепла. Следующее поколение кондиционеров на фреоне R410a и инверторными компрессорами могло работать до температуры −20°C, но этого всё равно было недостаточно для России с её климатом, когда расчётная наружная температура зимой достигает −30°C.
Вторая проблема заключается в снижении производительности системы при понижении температуры окружающей среды. Чем меньше температура наружного воздуха, тем меньше тепла выдаёт воздушный тепловой насос. То есть для нужд отопления зимой нам нужно больше тепловой энергии, а тепловой насос будет выдавать, наоборот, меньше.
Как на практике решают эти проблемы, мы сейчас рассмотрим.
Обратим внимание читателя на активно развивающийся класс сплит-систем, которые могут работать до −30°C в режиме обогрева, и поэтому они позиционируются уже не как кондиционеры, а как воздушные тепловые насосы (ТН). Хотя в режиме охлаждения они тоже могут работать как обычный кондиционер. Этот тип оборудования рассмотрим на примере, допустим, бренда X, присутствующего на российском рынке.
Фото 1. Наружный блок воздушного теплового насоса
Чем отличается рассматриваемый воздушный тепловой насос от теплового насоса в стандартном кондиционере (фото 1):
1. Компрессор. Используется компрессор с дополнительной подачей хладагента (технология EVI), что увеличивает его производительность при низких температурах. Диапазон использования до −30°C, и это уже близко к расчётной наружной температуре в условиях средней полосы России. Подробнее об этой технологии мы писали ранее на страницах журнала СОК [1].
2. Подогрев поддона наружного блока. Чем меньше температура наружного воздуха, тем меньше в нём находится водяных паров. Но, тем не менее, температура испарителя наружного блока ещё ниже, поэтому на теплообменнике медленно нарастает «шуба» из инея и льда. Для её удаления кондиционер включает режим оттайки, лёд тает, и вода стекает в поддон наружного блока. В обычном кондиционере этот конденсат замерзает и разрушает в итоге крыльчатку вентилятора. В современных тепловых насосах предусматривается специальный греющий кабель, благодаря которому вода в жидкой фазе уходит дальше, в систему отвода конденсата.
3. Подогрев картера компрессора. Низкая наружная температура вокруг компрессора приводит, во-первых, к конденсации хладагента в компрессоре. Во-вторых, к повышению вязкости смазочного масла. Если компрессор попытается запуститься в этот момент, то гарантированно выйдет из строя. Чтобы этого не произошло, в тепловых насосах картер компрессора постоянно подогревается с помощью греющего кабеля, обеспечивая комфортный и безопасный запуск.
4. Увеличенная площадь теплообменника наружного блока. Расчётная температура наружного воздуха в режиме тепла для обычного кондиционера составляет +7°C. Воздушный тепловой насос может работать до −30°C. Тепловой потенциал воздуха при −30°C значительно ниже, чем при +7°C, поэтому, естественно, необходим больший размер теплообменника наружного блока.
Таким образом, производители воздушных тепловых насосов гарантируют работу системы на тепло до −30°C. Но достаточно ли этого для России с её сложными климатическими условиями? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте посмотрим на данные в табл. 1.
Для большинства городов европейской части России расчётная зимняя наружная температура выше −30°C. Даже для Мурманска она составляет «всего» −28°C, что в теории позволяет использовать там кондиционер в качестве основной и единственной системы отопления. Ближе к Сибири и Уралу климат становится более континентальным, а значит зимы более холодные. В городах Пермь, Екатеринбург, Тюмень и далее на восток расчётная зимняя температура ниже, чем −30°C. А теперь предлагаю обратить внимание на столбец с количеством дней в году, с температурой ниже, чем −30°C. И получается, что для Перми это всего 11 дней в году или 5% отопительного периода. Для Красноярска — 13 дней в году и 6% отопительного периода. Для Хабаровска — шесть дней в году и 3% отопительного периода. То есть даже для большинства северных городов нашей страны современный воздушный тепловой насос может перекрыть более 90% времени отопительного периода, а это, согласитесь, уже достаточно много.
Часто задают вопрос — а что будет при температуре наружного воздуха меньше −30°C? Работа кондиционера на тепло продолжится, но с меньшей эффективностью и производительностью. И при температуре кипения фреона −38°C кондиционер отключится по ошибке низкого давления [2]. И здесь мы подходим к проблеме №2 — снижение производительности воздушных тепловых насосов при низкой наружной температуре. Рассмотрим этот вопрос подробнее (рис. 1).
Рис. 1. Производительность сплит‐систем при снижении наружной температуры
Как видно на рис. 1, при снижении температуры наружного воздуха производительность воздушных кондиционеров также снижается, но по-разному. Больше всего теряют обычные сплит-системы с on/off-компрессором, которые работают, как правило, до −7°C. Инверторные наружные блоки могут работать уже до −20°C, и их производительность выше, чем у систем с on/off-компрессором. Наибольшую производительность показывают воздушные тепловые насосы, которые работают до −30°C. Потери производительности при −30°C у них составляют около 25%.
Для расчёта систем отопления используют другой график, на котором видна зависимость требуемого количества тепла для отопления и наружной температуры. Построим этот график для условного города с расчётной зимней температурой −30°C и совместим с графиком производительности воздушного теплового насоса (рис. 2).
Рис. 2. Производительность теплового насоса и теплопотерь помещения
На рис. 2 мы видим два процесса, происходящих зимой в зданиях с воздушным тёплым насосом. Красная линия показывает потребность здания в обогреве. При расчётной наружной температуре −30°C здание требует максимальное (расчётное) количество тепловой энергии. Эта величина зависит от разных факторов, но главным образом от термического сопротивления ограждающих конструкций. При температуре наружного воздуха +20°C разницы температур между внутренним воздухом и наружной средой нет, поэтому нет теплопотерь здания. Чем ниже окружающая температура, тем больше теплопотери здания, и при температуре −30°C теплопотери здания достигают максимальных величин.
Синяя линия — это максимально возможная (не фактическая) производительность воздушного теплового насоса. От температуры +20°C и до 0°C она практически не снижается, а от 0°C и ниже происходит постепенное снижение. И при минимально возможной температуре −30°C производительность снижается до 75% от максимальной.
Допустим, мы подобрали тепловой насос по номинальной производительности, указанной в каталогах. Напомню, что она указывается при температуре наружного воздуха +7°C. При температуре +8°C (стандартная температура начала отопительного сезона) включается ТН на обогрев помещения. Он может выдать 100% производительности, но для обогрева помещения требуется всего 24%, поэтому путём снижения скорости вращения инверторного компрессора производительность уменьшается до требуемых величин. Далее при падении наружной температуры постепенно увеличивается производительности и скорость вращения инвертора.
И вот тут наступает очень важный момент, при температуре −20°C на нашем графике две линии пересекаются. Точка пересечения линий называется «точкой бивалентности». Слово «бивалентный» в данном контексте означает «двойной», так как при наружной температуре −20°C мы должны подключить дополнительный источник тепловой энергии. Это может быть самое простое решение — электроконвектор или электрический тёплый пол, или камин, или пеллетный котёл и т. д. То есть при бивалентном решении системы отопления большую часть времени здание обогревается за счёт эффективного и комфортного теплового насоса, и при определённой наружной температуре подключатся дополнительный источник тепловой энергии.
И здесь возникает важная и интересная инженерная задача: мы можем сами выбрать точку бивалентности. Например, мы решили отапливаться только за счёт теплового насоса, поэтому мы увеличиваем типоразмер оборудования на 30%, линия производительности ТН сдвигается вверх, отсюда точка бивалентности, соответственно, сдвигается вправо до −30°C (рис. 3, линия «воздушный ТН обеспечивает 130% нагрузки на систему отопления»).
Рис. 3. Производительность разных тепловых насосов и смещение точки бивалентности
Или другой вариант — мы решили уменьшить капитальные затраты и принять тепловой насос меньшей мощности на 30% (рис. 3, линия «воздушный ТН обеспечивает 70%»). До температуры −10°C он будет полностью обеспечивать обогрев нашего помещения, а при более низкой температуре требуется подключение дополнительного нагревателя, например, электроконвектора. Мы экономим на стоимости оборудования, но увеличиваются расходы на электроэнергию.
Таким образом, выбор точки бивалентности — это интересная инженерная задача, при решении которой можно найти некий экономический оптимум между капитальными и текущими затратами на отопление помещений. Попробуем решить эту задачу в нашем примере с использованием данных реального оборудования.
Посмотрим на табл. 2, где произведён расчёт нескольких вариантов систем отопления с расчётной производительностью 5,6 кВт при наружной температуре −30°C.
Вариант 1: ТН обеспечивает 130%. Отопление только за счёт теплового насоса. Его производительность при −30°C подобрана таким образом, чтобы с учётом потерь ТН выдавал расчётные 5,6 кВт. Точка бивалентности сдвинута максимально вправо на рис. 4. Дополнительный обогрев не требуется. Максимальное пиковое электропотребление — 2,02 кВт.
Вариант 2: ТН обеспечивает 100%. До температуры −20°C (точка бивалентности) обогрев только за счёт теплового насоса. От −20°C и ниже подключатся электроконвектор как добавочный источник тепловой энергии. Максимальное пиковое электропотребление — 3,0 кВт.
Вариант 3: ТН обеспечивает 70%. До температуры −10°C (точка бивалентности) обогрев только за счёт теплового насоса. От −10°C и ниже подключатся электроконвектор как добавочный источник тепловой энергии. Максимальное пиковое электропотребление — 3,55 кВт.
Вариант 4: ТН обеспечивает 50%. До температуры −5°C (точка бивалентности) обогрев только за счёт теплового насоса. От −5°C и ниже подключатся электроконвектор как добавочный источник тепловой энергии. Максимальное пиковое электропотребление — 4,3 кВт.
Вариант 5: отопление обеспечивают только электроконвекторы. От +8°C и ниже подключатся электроконвектор как основной источник тепловой энергии. Максимальное пиковое электропотребление — 5,6 кВт.
Самое интересное в табл. 2 — это суммарные затраты за 15 лет эксплуатации. Самые небольшие расходы (капитальные затраты на оборудование полюс текущие затраты на электроэнергию) оказались у варианта №1 (обогрев только за счёт теплового насоса). Самый невыгодный вариант — это вариант №5 (обогрев только за счёт прямого электрообогрева). На самом деле вариант №5 будет ещё дороже, так как я сомневаюсь, что электроконвектор «проживёт» без поломок 15 лет эксплуатации.
Анализируя варианты систем, я бы выбрал вариант №2 — когда до −20°C помещение отапливается тепловым насосом, а при более низкой температуре добавляется энергия электроконвектора. Причины этого следующие:
1. Надёжность. Имеется два источника тепловой энергии.
2. Стоимость оборудования при этом меньше, чем в варианте №1.
3. Уровень шума внутреннего блока меньше.
4. Типоразмер системы равен типоразмеру кондиционера для помещения той же площади. Нет переразмеренности оборудования для летнего периода.
5. Температура наружного воздуха ниже −20°C является крайне редкой для средней полосы России.
Ещё нужно обратить внимание на стоимость 1 кВт тепла на тепловых насосах разной производительности. Намного выгоднее поставить одну большую систему, чем две той же производительности. Одна система на 5,6 кВт с монтажом стоит 165 тыс. руб. Две системы по 2,8 кВт обойдутся уже 254 тыс. руб., то есть в 1,54 раза дороже.
Какие есть 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 уже давно принято использовать в качестве обогревателей именно тепловые насосы, поэтому классическое расположение внутреннего блока применяется именно как на фото 2.
Фото 2. Вариант интерьера жилого помещения с установкой внутреннего блока над полом
Режим оттайки наружного блока и отвод конденсата
При работе системы кондиционирования на тепло наружный воздух охлаждается, и из него выделяется конденсат, который намерзает на наружном блоке, снижая его производительность. Для удаления этого льда система применяет режим оттайки. Насколько снижается производительность наружного блока в этом режиме? 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 (максимально на 14%, рис. 4), а при расчётной температуре −15°C падение производительности составляет всего 4%, что некритично для выбора расчётной мощности системы.
Рис. 4. Коррекция мощности наружного блока по теплу на процесс стаивания инея
Физический смысл режима оттайки сводится к кратковременному переключению кондиционера в режим охлаждения. 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 снова происходит 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 весьма желательно сделать организованное удаление конденсата от наружного блока по дренажным трубопроводам, которые должны быть обеспечены электрообогревом и «завёрнуты» в теплоизоляцию.
Использование теплоты вытяжного воздуха
В современном здании всегда присутствуют системы вытяжной вентиляции, которые выбрасывают тёплый воздух. Зимой этот тёплый воздух может значительно повысить производительность воздушного теплового насоса, если его направить на теплообменник наружного блока. Вытяжные системы общеобменной вентиляции, вытяжка из санузлов или кухонь, после очистки от пыли в фильтрах, являются прекрасным источником сбросного тепла для наших тепловых насосов. Подробно эта тема была нами рассмотрена ранее на страницах журнала СОК [2].
Выводы
Использование воздушных тепловых насосов при бивалентной схеме в качестве основной системы отопления вполне оправдано и экономично даже для северных регионов России. Особенно интересно применение такой системы для домов периодического использования, когда в самом большом помещении (гостиная) устанавливается внутренний блок теплового насоса, а обогрев относительно небольших помещений осуществляется за счёт электрического тёплого пола или электроконвекторов. Использование воздушных тепловых насосов также весьма интересно, когда нет достаточного количества электроэнергии для прямого электроотопления.
Основные особенности такого вида отопления:
1. В холодный период более 90% тепловой энергии вырабатывается за счёт режима теплового насоса, то есть на 1 кВт затраченной электроэнергии система выдаёт 3–4 кВт тепловой энергии.
2. В тёплый период система работает как полноценная система кондиционирования. Стоимость универсальной системы обогрева и кондиционирования помещений ниже, чем отдельно двух систем — отопления и охлаждения.
3. Энергоноситель — фреон. Значит, при любых отключениях электричества систему разморозить невозможно. Это очень важно как раз для регионов с длительным периодом отрицательной температуры наружного воздуха и домов временного использования.
4. Имеется два источника тепла: кондиционер и электрокалорифер. Поэтому надёжность системы в целом за счёт нескольких источников тепла очень высока.
