Тепловые насосы в жилых помещениях

Antonio Briganti

 

Тепловые насосы известны давно и считаются изделием эффективным, надежным, срок службы которого никак не меньше, а иногда и больше, чем у другого вентиляционно-отопительного оборудования (HVAC). Их уже всерьез рассматривают в качестве следующего шага на пути развития отопления, все более ориентирующегося на требования окружающей среды. Несмотря на то что в Европе они достаточно широко применяются, остаются еще широкие возможности для их распространения как в новом строительстве, так и в реконструируемом жилом фонде на смену традиционным отопительным котлам. В данной статье мы хотели бы рассмотреть  подробнее, что же такое тепловой насос, каковы его потребительские свойства, сферы применения и возможные перспективы роста спроса.

До сегодняшнего дня тепловой насос представлялся главным образом как агрегат или некая система, предназначенная в первую очередь для кондиционирования воздуха, способная также обеспечить определенную отопительную мощность, в большей или меньшей степени удовлетворяющую потребности в тепле в зимний период. На самом деле характеристики этого оборудования стремительно меняются, и уже во многих странах Европы тепловой насос сменил, что называется, «ориентацию»: первым делом потребности в тепле, а охлаждение – потом. Больше того, зачастую тепловой насос уже используется только для отопления.

Такая смена потребительской ориентации обусловлена произошедшей за последние два десятилетия трансформацией подходов западного мира:

• озабоченностью качеством воздуха, необходимостью решения проблемы парникового эффекта, создаваемого отопительными системами;

• поиском альтернативных экологических решений на смену традиционному отоплению посредством сжигания ископаемого топлива;

• повышением эффективности и надежности тепловых насосов вследствие эволюции рефрижераторных технологий, разработки новых спиральных (англ. – scroll) компрессоров и пр.;

• уменьшением вредного воздействия рефрижераторных систем на среду вследствие разработки новых хладагентов HFC.

Первые два фактора в наибольшей степени способствовали росту внимания к использованию альтернативных источников энергии, в частности, солнечной. Однако, несмотря на многообещающие результаты, альтернативные источники энергии пока еще не вышли на уровень оптимального соответствия ожиданиям массового потребителя.

В этом смысле большие надежды подают именно тепловые насосы, их распространение выражается уже весьма внушительными цифрами. Достаточно сказать, что в Италии по данным на 1996 год общее число установленных тепловых насосов составляло 800 000, главным образом – реверсивных сплит-кондиционеров.

Такое негласное приятие тепловых насосов, не требующее масштабных кампаний по ознакомлению с системой широкой публики, полагаем, есть наилучшее подтверждение того, что сама система вполне приемлема для потребителя и может получить дальнейшее распространение, включая такие применения, где до сих пор она вряд ли предполагалась.

Категории, виды и функции тепловых насосов

Существуют самые разные варианты классификации тепловых насосов. Здесь мы ограничимся делением систем по их оперативным функциям на четыре основных категории:

• Тепловые насосы только для отопления, применяемые для обеспечения комфортной температуры в помещении и/или приготовления горячей санитарной воды.

Существует обширное поле деятельности по замене котлов низкотемпературных отопительных систем на основе теплоизлучающих полов или стеновых панелей либо вентиляционно-конвекторными, либо тепловентиляционными установками. Перспективы замены чрезвычайно интересны, поскольку существующий административно-жилой фонд, как правило, испытывает определенные проблемы с дымоотводами и дымоходами и проблемы безопасности в целом.

Тепловой насос, который в принципе не имеет таких проблем, представляется в этих случаях идеальным вариантом замены.

• Тепловые насосы отопительные и холодильные, применяемые для кондиционирования помещений в течение всего года.

Наиболее распространенными являются реверсивные аппараты класса «воздух-воздух». Тепловые насосы средней и большой мощности для сооружений сферы обслуживания используют гидравлические контуры для распределения тепла и холода и при этом могут обеспечивать оба рабочих режима одновременно.

• Интегрированные системы на основе тепловых насосов, обеспечивающие отопление помещений, охлаждение, приготовление горячей санитарной воды и иногда утилизацию отводимого воздуха.

Подогрев воды может осуществляться либо отбором тепла перегрева подаваемого газа с компрессора, либо комбинацией отбора тепла перегрева и использования регенерированного тепла конденсатора.

Использование только отбора тепла перегрева целесообразно, когда требуется только отопление помещений.

Тепловые насосы, предназначенные исключительно для приготовления горячей санитарной воды, зачастую в качестве источника тепла используют воздух среды, но равным образом могут использовать и отводимый воздух.

Тепловые насосы бывают как моновалентные, так и бивалентные.

Различие между двумя видами состоит в том, что моновалентные насосы рассчитаны таким образом, чтобы полностью покрывать годичную потребность в отоплении и охлаждении.

Напротив, бивалентные тепловые насосы рассчитаны, чтобы полностью покрыть потребность в охлаждении и только в объеме от 20 до 60% тепловую нагрузку зимнего периода и от 50 до 95% сезонной отопительной потребности.

У бивалентных тепловых насосов пиковая нагрузка покрывается за счет дополнительных источников отопления, чаще всего газовых или жидко-топливных котлов.

В жилом фонде в странах Южной Европы тепловые насосы зачастую относятся к классу реверсивные «воздух-воздух» (главным образом, разводные либо моноблок, при этом и те, и другие с прямой подачей воздуха).

Справедливости ради надо сказать, что постепенно ширится предложение тепловых насосов класса реверсивные «воздух-вода», чаще всего поставляемых в комплекте с расширительным баком и насосным агрегатом.

По отдельному заказу поставляется накопительный резервуар. Такие насосы можно врезать непосредственно в существующие водопроводные системы, обеспечивающие отопление посредством теплых полов или стеновых панелей, взамен отопительных котлов.

В новостройках тепловые насосы класса «воздух-воздух» отлично сочетаются с вентиляционно-конвекторными системами при работе и в летний, и в зимний периоды.

В Германии и других странах Северной Европы только для отопления распространены тепловые насосы, которые используют тепло, содержащееся в грунте. Диапазон тепловой мощности разработанных моделей самый широкий – от 5 до 70 кВт. В торгово-административных зданиях системы на основе тепловых насосов могут быть с централизованным распределением воздуха либо с приготовлением горячей/холодной воды, распределяемой по одному или нескольким водопроводным контурам.

При наличии нескольких отдельных зон обслуживания для обеспечения индивидуальной «участковой» климатизации в здании устанавливается соответствующее число тепловых насосов.

В зданиях средних и больших размеров эффективной будет закрытая водяная кольцевая система, включающая столько реверсивных тепловых насосов, сколько имеется участков или помещений для обслуживания.

У тепловых насосов нового поколения охлаждающая жидкость уже почти повсеместно заменяется на R 407C.

Стандарты ASHRAE по тепловым насосам (ASHRAE – Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха)

Код стандарта Название Год публикации Стандарт 37* Методы тестирования унитарного кондиционирования воздуха и теплонасосное оборудование 1988 Стандарт 58 (RA 90)* Метод тестирования комнатного кондиционирования воздуха и отопительная мощность терминала системы кондиционирования воздуха 1986 Стандарт 116* Методы тестирования сезонной производительности унитарных кондиционеров воздуха и тепловых насосов 1995 Стандарт 137* Методы тестирования производительности устройств кондиционирования помещений и водонагревателей, в том числе с отбором тепла перегрева 1995

(*) Утверждены Американским Национальным Институтом Стандартов

 

Продолжение в следующем номере.

Перепечатано с сокращениями из журнала RCI.

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

 

Преимущества и ограничения замкнутых водяных систем

Данные системы применяются главным образом в зданиях, где имеется множество помещений: административные здания, жилые дома, гостиницы, мотели, торговые центры и пр. В торговых центрах их стали применять не так давно. На самом деле кольцевые водяные системы известны с 1960 года. Накопленный с тех пор опыт эксплуатации показывает, что по своей надежности они вполне могут соперничать с традиционными системами.

В Соединенных Штатах их доля на рынке охватывает 4%, что составляет более миллиона установленных агрегатов. На 60% их использование идет в новом строительстве, остальные 40% – в реконструируемом. В Европе такие системы только появились.

Принцип действия

Кольцевая водяная система состоит из некоторого количества автономных реверсивных кондиционирующих теплонасосных установок типа «вода-воздух», соединенных, как правило, в замкнутый гидравлический контур  двумя трубопроводами – прямым и обратным.
В состав системы входят также градирня и теплогенератор (котел) (см. рис. А).

В замкнутом контуре циркулирует горячая вода, ее температура в течение всего года поддерживается на уровне от 18 до 32°С. Вода питает кондиционеры. Замкнутый водяной контур работает и как источник тепла, из которого потребляют энергию системные агрегаты, находящиеся в режиме теплового насоса, и как источник холода, куда агрегаты в режиме охлаждения «сбрасывают» тепло. Если число агрегатов, находящихся в режиме отопления, равно числу агрегатов, работающих на охлаждение, то система самоуравновешивается, для нее не требуется тепловая энергия извне и отпадает необходимость перерабатывать тепло. Во всех остальных случаях системе может требоваться либо дополнительное тепло, либо отвод излишнего тепла наружу. На практике в зимний период, когда температура воды стремится опуститься ниже уровня 21°С, включается котел дополнительного обогрева, и, наоборот, летом, когда температура превышает 29°С, включается охлаждающая башня.

Преимущества

Основные преимущества замкнутых теплонасосных систем:

• непрерывность работы системы: даже если выйдут из строя один или несколько агрегатов, их изолируют и будут восстанавливать, что никак не повлияет на работу остальных;

• одновременная возможность обеспечения охлаждения и отопления: тепловые насосы класса «вода-воздух», подключенные к водопроводному контуру, в зависимости от потребностей пользователей обеспечивают тепло или охлаждение;

• КПД тепловых насосов класса «вода-воздух» процентов на 20–30 выше, чем КПД конденсирующих воздушных агрегатов, соответственно, ниже энергопотребление.

Недостатки

Основными недостатками такого рода систем являются:

• шум, генерируемый автономными агрегатами, установленными в помещении;

• пространство, забираемое в помещении под установку агрегата;

• в случае необходимости проведения работ по техническому обслуживанию агрегата такие работы проводятся непосредственно в обслуживаемом помещении.

Нормативы UNI по тепловым насосам

Индекс Заголовок Дата публикации UNI EN 378-1 Рефрижераторные установки и тепловые насосы. Требования по технической и экологической безопасности. Основные требования. 30.11.1996 г. UNI EN 814-1 Кондиционеры и тепловые насосы с электрическим компрессором. Охлаждение – термины, определения и назначение. 28.02.1999 г. UNI EN 814-2 Кондиционеры и тепловые насосы с электрическим компрессором. Охлаждение – испытания и требования к маркировке. 28.02.1999 г. UNI EN 814-3 Кондиционеры и тепловые насосы с электрическим компрессором. Охлаждение – требования. 28.02.1999 г.  UNI ENV 12102 Кондиционеры, тепловые насосы и влагопоглотители с компрессорами с электрическим приводом – измерение воздушного шума. Определение уровня звуковой мощности. 28.02.1999 г.

Стандарты ARI по тепловым насосам (ARI – Институт кондиционирования и холодильного оборудования)

Код стандарта Название Год публикации Стандарт 290-96 Кондиционирование воздуха, теплонасосное оборудование и устройства приготовления горячей питьевой воды 1996 Стандарт 340/360-93 Унитарное кондиционирование воздуха торговых и промышленных мощностей и теплонасосное оборудование (340/360-93) 1993 Стандарт 870-99 Тепловые насосы прямого геообмена (ARI 870-99) 1999 Стандарт 330-98 Тепловые насосы грунтового закрытого контура 1998  Стандарт 325-98 Грунтовые водяные тепловые насосы (ANSI/ARI 325-98) 1998  Стандарт 310/380-93 Оконечное оборудование кондиционирования воздуха и теплонасосное оборудование (CSA-C744-93) (ANSI/ARI 310/380-93) 1993  Стандарт 210/240-94 Унитарное кондиционирование воздуха и воздушное теплонасосное оборудование (210/240-94) 1994  Стандарт 500-90 Холодильные компрессоры положительного замещения с регулируемой мощностью и компрессорные агрегаты для кондиционирования воздуха и теплонасосных применений (ANSI/ARI 500-90) 1990  Стандарт 320-98 Водяные тепловые насосы (320-98) 1998  Стандарт 500-2000 Холодильные компрессоры положительного замещения с регулируемой мощностью и компрессорные агрегаты для кондиционирования воздуха и теплонасосных применений 2000

 

Тепловые насосы в Европе – сколько и какие?

По данным на 1997 год из 90 миллионов тепловых насосов, установленных в мире, примерно только 5%, или 4,28 миллиона аппаратов, смонтировано в Европе. Совсем немного по сравнению с 57 миллионами систем, имеющихся в Японии, где такое оборудование является основным в обеспечении отопления жилого фонда.

В Соединенных Штатах насчитывается 13,5 миллионов установленных агрегатов, а еще только развивающийся китайский рынок достиг уровня 10 миллионов систем.

Подобное нерасположение Европы к тепловым насосам имеет свои причины, однако, в последнее время отношение начинает меняться. Примерная оценка числа тепловых насосов, установленных в главных странах Сообщества в жилом фонде, торгово-административных и промышленных сооружениях, приводится в табл. А. Львиную долю составляют страны Южной Европы: Испания, Италия и Греция.

В жилом фонде имеется три миллиона установленных тепловых насосов. Однако по степени охвата показатель довольно скромный – что-то около 1%. Хотя очевидно, что установленные в торгово-административном фонде 1,2 миллиона агрегатов, составляя абсолютное наименьшее значение, будут иметь несколько больший охват.

Виды установленных систем

Примерно 77% установленных в Европе тепловых насосов используют наружный воздух в качестве источника тепла, хотя в Швеции, Швейцарии и Австрии преобладают тепловые насосы, забирающие тепло из грунта по заглубленному змеевиковому теплообменнику: данные по этим странам составляют соответственно 28, 40 и 82%. В Северной Европе зачастую тепловые насосы применяются только для отопления и приготовления горячей санитарной воды.

В большинстве случаев в качестве жидкого теплоносителя используется низкотемпературная вода, питающая радиаторы и теплые (излучающие) полы.

По данным недавнего опроса, проведенного одним из крупнейших мировых производителей холодильных компрессоров, общий объем производства тепловых насосов класса «воздух-вода», предназначенных только для отопления взамен отопительных газовых и жидко-топливных котлов, составит в Европе 13 000 в 2001 году, 25 000 в 2002 году и 35 000 в 2003 году.

Системы класса «воздух-воздух», главным образом раздельные (англ. – split) реверсивные, преобладают в Южной Европе: Италии, Испании и Греции. В этих странах, однако, выбор системы на основе теплового насоса зачастую обусловлен необходимостью кондиционирования воздуха в летний период. Впрочем, в регионах, лежащих еще южнее, и на островах такие системы часто полностью обеспечивают отопительные потребности в зимний период.

 

Источник: J. Bouma. Рынок тепловых насосов в Европе. VI конференция международного энергетического Агентства по тепловым насосам. Берлин, 1999.

Таблица А Количество тепловых насосов, установленных в Европе, по данным на 1996 год

Страна Жилой фонд1 Торгово- административный фонд Промышленный фонд2 Всего на 1996 год Австрия 133 100 4 300 * 137 400 Дания 31 300 2 000 1 000 34 300 Франция 53 000 61 000 675 114 675 Германия 363 120 5 300 300 368 720 Греция 570 840 266 220 * 837 060 Италия3 800 000 20 000 * 820 000 Голландия4 2 856 136 159 3 151 Норвегия 13 500 6 400 726 20 626 Испания 802 000 411 000 7 390 1 200 390 Швеция 250 000 * * 250 150 Швейцария 39 500 3 400 * 42 900 Англия 13 900 414 060 600 428 560 Всего 3 073 116 >1 193 816 >11 000 >4 277 932 * – нет информации 1 – в том числе водяные отопители 2 – в том числе районные системы 3 – ориентировочно 4 – только отопление