Как выбрать тепловой насос

background
Сегодня рынок предлагает огромное количество тепловых насосов — разных типов, классов и производителей. Как же разобраться в таком многообразии — выбрать оптимальный тепловой насос?

В этой короткой статье поймём, как
практически, в реальной жизни, получить все те преимущества и возможности, которые теоретически обеспечивает тепловой насос.

О каких тепловых насосах пойдёт речь

Мы будем говорить о геотермальных тепловых насосах класса «грунт-вода»

Мы не будем говорить о тепловых насосах класса «воздух-воздух» или «воздух-вода» — прежде всего потому что в условия средней полосы России они не могут обеспечить полноценное отопление в течение всего отопительного сезона. Уже при температуре  -15 ℃ мощность воздушного теплового насоса падает в два раза, а при -25 ℃ он превращается в простой нагреватель — в этом случае дешевле и правильнее включить обычный электрический котёл.

При покупке воздушного теплового насоса вы будете вынуждены задуматься о дополнительном источнике тепла – если речь идёт не о южных регионах нашей страны.  Воздушный тепловой насос принесёт экономию его владельцу при условии, что это «дача на юге» — когда нет необходимости в отоплении при температурах ниже -5℃.

Итак. Как выбрать тепловой насос и не прогадать

1. Правильный выбор мощности теплового насоса

Первое, что следует понимать – это то, что необходимо обеспечить точное соответствие мощности теплового насоса теплопотерям вашего здания.  Если вы покупаете газовый или электрический котёл, то переразмерность котла (использование котла заведомо большей, чем необходимо, мощности) обойдётся вам не очень дорого – ведь разница в стоимости оборудования будет не столь значительна.  

С тепловыми насосами ситуация сложнее: ведь кроме самого теплового насоса в стоимость будут входить стоимость бурения скважин и стоимость зондов – и здесь переразмерность обойдётся в кругленькую сумму.

Грубый расчёт «1 кВт на 10 кв.м. площади», применимый для прикидки мощности электро- или газового котла, нельзя использовать в случае с тепловым насосом. В современных условиях теплопотери зданий лежат в диапазоне от 50 до 100 Ватт на квадратный метр и, если подходить грамотно, то мощность теплового насоса необходимо рассчитывать точно в каждом конкретном случае, учитывая реальные теплопотери здания.

Вывод:
Необходимо как можно более точно рассчитать теплопотери здания, которое будем отапливать с помощью теплового насоса

2. Манипуляции значением мощности теплового насоса

Все производители тепловых насосов (в том числе и западные) в характеристиках указывают максимальную мощность согласно стандарта EN14511 и при этом вводят в заблуждение неискушённого покупателя – ведь тепловой насос, который продаётся как, например, 12-ти киловаттный, в реальных условиях эксплуатации, а не «на бумаге», способен выдать лишь 8 кВт.

Вы замерзаете, но при этом продавец вас не обманул, он просто не сказал вам о методике измерения. Либо вы не разобрались и попытались сэкономить.

Иметь небольшой (именно небольшой – 15-20%) запас по мощности – это нормально. Не нормально, когда продавец предлагает вам приобрести тепловой насос вдвое большей мощности, чем необходимо – «на всякий случай».

Это настораживающий признак: либо тепловой насос никогда и близко не выдаст необходимую тепловую мощность, либо у продавца нет опыта эксплуатации предлагаемого вам теплового насоса в вашем регионе и он таким образом перестраховывается. А платить за это придется вам.

Вывод:
Узнавайте реальную тепловую мощность теплового насоса для своего региона. (подробнее об этом будет отдельный пункт ниже). А не значение мощности согласно стандарта EN14511.

3. Коэффициент «СОР»

Третье – это коэффициент эффективности «СОР», который по сути представляет из себя всем известный Коэффициент Полезного Действия. Для теплового насоса он больше 100% – это отношение произведённой тепловой энергии к израсходованной тепловым насосом энергии электрической.

Вот здесь у производителей и продавцов полная свобода, что хотят то и говорят: встречаются цифры и 5,0, и 6,0 и даже 8,0.

Давайте разбираться – возможно ли такое.

У каждого компрессора теплового насоса существуют таблицы производительности в зависимости от двух переменных: это температура кипения хладагента и температура конденсации.

Если в систему отопления тепловой насос даёт 40℃ (это минимальная температура в системе отопления зимой), то температуру конденсации считаем равной примерно 40℃. Это значит, что производительность насоса будет зависеть от температуры кипения хладагента. На рисунке ниже представлена Таблица для реального компрессора.
В таблице указана холодопроизводительность компрессора, это Q.
Для определения теплопроизводительности необходимо сложить холодопроизводительность и мощность, потребляемую самим компрессором из сети.

Из таблицы видно, что холодопроизводительность при температуре конденсации 40℃ и температуре кипения -5℃ равна 11,19 кВт; потребление при этом составляет 3,76 кВт. Чтобы получить теплопроизводительность, складываем эти две цифры – получаем 14,95 кВт. Это и есть тепловая энергия, которую производит ваш тепловой насос. Делим 14,95 на 3,76 получаем СОР = 3,97.

Большинство производителей ТН используют в качестве теплоносителя в гео-контуре незамерзающую жидкость – гликоль.

Из практики известно, что у нормально сделанного гликолевого контура – это когда длина контура рассчитана из условий съёма с метра трубы в грунте 15 Вт – гликоль уходит в контур с температурой -2℃ и, нагреваясь, возвращается с температурой +2℃. Температура кипения фреона в испарителе при этом равна -7℃ (данные для московского региона).            

При температуре кипения фреона -7℃ СОР будет около 3,6. Добавим к затраченной мощности мощность насоса, перекачивающего гликоль (около 400 Вт) получим «практический» СОР ниже 3,5. И это у брендовых тепловых насосов!

Вывод:
в условиях средней полосы России, Урала и Сибири у гликолевых тепловых насосов не бывает СОР выше 3,5.

4. Отдельно про «переливную» схему

Очень часто продавцы тепловых насосов предлагают использовать переливную схему отбора тепла от грунта – это перекачивание воды из одной скважины в другую через теплообменник теплового насоса. Схема очень эффективна – СОР теплового насоса при этом составляет 4,72 для Урала при температуре грунта +5℃. Казалось бы, прекрасно!

Что же не так? Добавьте к мощности компрессора теплового насоса мощность насоса в скважине – и получите тот же самый СОР = 3,5 – как и для гликолевого контура.

Добавим к вышеизложенному, что данная схема противозаконна (ничего нельзя сливать в питьевую скважину) и полна сюрпризов:

1. Можно столкнуться с недостаточным дебетом скважины
2. Приёмная скважина может не пожелать принимать необходимое количество воды – именно это встречается чаще
3. Засорение теплообменника-испарителя – поскольку через него протекает неочищенная скважинная вода, то рано или поздно он засорится. Это приведёт в размораживанию испарителя и выходу его из строя. Ремонту он не подлежит. Приходится придумывать разные системы контроля, что усложняет и удорожает систему.
4. Выход из строя насоса в скважине, что в совокупности приводит в выходу из строя теплового насоса.

Вывод:
переливная схема отбора тепла от грунта противозаконна, требует особого внимания при эксплуатации. В условиях средней полосы России, Урала и Сибири переливная система имеет СОР не выше 3,5, что лишает её каких-то бы ни было преимуществ.

5. Манипуляции цифрами при расчетах

Классический пример – видео одной из «компаний-врунишек»:
Автор делает замер потребляемого тока, получает значение 7 ампер.
7 ампер умножает на 205 вольт и получает 1435 Вт потребляемой мощности. Далее 10 000 Вт делит на 1435 Вт, получает СОР = 6,9. Фантастика!

Справедливости ради надо сказать, что автора самого удивляет такое высокое значение COP. Затем он всё же поправляется - к расходной части добавляет потребление скважинного насоса и получает COP не менее 4.

Что не так:

Автор «забыл» или не учёл, что компрессор теплового насоса трёхфазный (в ролике это хорошо видно), а это значит, что полученный результат потребляемой мощности 1 435 Вт нужно умножить на корень квадратный из трёх (1.73). Получаем 2 482 Вт. Добавим к этому мощность скважинного насоса – 985 Вт, получим общее потребление «из розетки» = 3 467 Вт.

И вот теперь уже 10 000 разделим на 3 467 и получаем реальный СОР = 2,88. Что в 1,4 раза меньше итоговой цифры в видео и далеко не соответствует значению 4.



Небольшая неточность тут, небольшое упущение здесь – и вы зачарованы «магией» цифр удивительной энергоэффективности и будущей экономии. Особенно, если с электротехникой в школе/институте были на «Вы».
Сумасшедшего СОР нет, чудес не бывает. Это физика, господа, – наука точная.

Хорошо. А что же у нас?

Честные, применимые на практике цифры мощности и коэффициента COP тепловых насосов

1. Реальная тепловая мощность в характеристиках

Указываемая в характеристиках мощность теплового насоса – это реальная тепловая мощность при температуре грунта 5℃ и температуре в системе отопления 40℃. УЗТН как производитель указывает реальную тепловую мощность агрегата, которую можно использовать для расчета системы отопления здания. А не значение по стандарту EN14511.

2. Два контура теплоносителя вместо трёх

За счет собственных инженерных решений мы производим двухконтурные тепловые насосы, в то время как «классическая» схема подразумевает три контура: гео-контур – он отнимает тепло у земли, второй контур с фреоном, который служит передаточным звеном между гео-контуром и теплоносителем системы отопления здания, которая является третьим контуром всей системы.

Не нужно обладать высоким инженерным образованием чтобы понимать простую закономерность: двухконтурная система проще, содержит меньшее количество элементов, а значит надёжней, дешевле и имеет меньше потерь. Следовательно, более энергоэффективна и экономична.

3. Класс теплового насоса

Мы производим так называемые DX-тепловые насосы.
DX – это означает, что в гео-контуре вместо спирта или жидкости на основе воды (например, гликоля) циркулирует непосредственно фреон.

Выигрыш получаем за счёт технологии:

1.      Фреон кипит по всей длине гео-контура (а не только в его части) – и это обеспечивает более эффективный отбор тепла от грунта.

2.      За счёт большей разницы температур между зондом и грунтом, скорость отъёма тепла от грунта существенно выше, чем у гликолевого контура.

Оба этих фактора работают совместно и увеличивают в конечном итоге эффективность теплового насоса.

В чём конкретно это выражается:

При длине гео-контура как у гликолевого, мы имеем СОР выше на 35%. То есть, например, =4 вместо =3.
Это позволяет существенно сэкономить деньги за счет уменьшения длины гео-контура – ведь чтобы получить такой же СОР, гео-контур можно сделать в 2,5 раза короче! (здесь зависимость не линейная) Кратно сокращается объём буровых работ.

Только представьте: вы строите дом. Одну скважину пробурили на воду и еще одну – на отопление. И всё, больше ничего не надо. Для отопления достаточно всего одной скважины!

Вот, наконец-то мы и подошли к самому, пожалуй, главному индикатору эффективности теплового насоса – тому самому коэффициенту СОР, только на новом уровне понимания.


И тут важно сказать ещё пару слов. Тут тоже есть тонкость, которую необходимо знать любому, кто всерьёз задумывается об установке теплового насоса.

Важно понимать, что значение СОР для одного и того же теплового насоса зависит одновременно от двух величин: от температуры грунта на глубине и температуры теплоносителя в системе отопления.

Температура грунта в разных регионах нашей страны – разная! В Краснодаре это 15 ℃, на Урале 5-6 ℃, а в Красноярске это всего 4 ℃. Соответственно, и СОР, при прочих равных, будет различным!

Если вам сказали, что СОР теплового насоса =4, то следует задать вопрос: а для какого региона (иначе говоря, для какой температуры грунта) и для какой температуры в системе отопления получено это значение? И спросить какое будет значение СОР для вашего региона и вашей системы отопления.

4. Реальное значение COP

Любой тепловой насос производства УЗТН рассчитывает и выводит на экран контроллера:

1. Тепловую мощность, выдаваемую тепловым насосом
2. Потребляемую мощность из сети
3. СОР теплового насоса

Расчёты производятся на основании данных компрессора, температур кипения и конденсации, которые достаточно точно измеряются контроллером теплового насоса. Эти три параметра, выводимые на экран котроллера, неоднократно перепроверялись установленными счётчиками тепла и электричества.


Тепловые насосы производства УЗТН на практике показывают СОР от 3,5 до 5,5 – в силу вышеописанных причин. Для грубого расчета можно брать значение 4.


И мы спокойно и ответственно заявляем, что вы можете реально, на практике, получить такое значение у себя, в своей системе отопления. И, например, тратить 3 кВт «из розетки», получая 12 кВт тепловой мощности для отопления здания.


Это физика, господа. И точный инженерный расчёт.
А не рекламные лозунги и громкие заявления величин «на бумаге», превращающиеся в пшик в реальных условиях эксплуатации и влекущие за собой немалые финансовые затраты на устранение просчётов и приведение системы в должное рабочее состояние.



С уважением, Юрий Сергеевич Венгин. Главный инженер УЗТН.