Тепловой насос "воздух-вода" – это энергоэффективная система отопления, которая забирает тепло из наружного воздуха и передает его воде в системе отопления или горячего водоснабжения. Внешне устройство похоже на обычную сплит-систему и состоит из двух блоков: наружного и внутреннего.
Наружный блок устанавливается на улице и содержит испаритель с вентилятором, забирающим воздух из окружающей среды. Его размеры обычно составляют 80-120 см в высоту и 60-90 см в ширину, вес – от 70 до 150 кг в зависимости от мощности. Внутренний блок находится в техническом помещении и включает конденсатор, компрессор и гидравлический модуль с насосом. Некоторые модели оснащаются встроенным бойлером объемом 150–300 литров для подогрева воды.
Ключевые компоненты системы выполняют четкие функции. Компрессор сжимает хладагент, повышая его температуру и давление. Конденсатор передает тепло от нагретого хладагента в воду в системе отопления. Испаритель уносит тепло из наружного воздуха, превращая жидкий хладагент в газообразное состояние. Расширительный клапан снижает давление хладагента перед его возвращением в испаритель.
В отличие от тепловых насосов "грунт-вода" или "вода-вода", система "воздух-вода" не требует буровых работ или установки подземных коллекторов. Это делает ее монтаж проще и дешевле – стоимость установки ниже на 40-60%. По сравнению с геотермальными системами, работающими со стабильной температурой грунта +8-10°C, эффективность воздушных насосов зависит от температуры наружного воздуха.
Принцип работы теплового насоса "воздух-вода"
Рабочий цикл теплового насоса основан на обратном цикле Карно и состоит из последовательных этапов. Процесс начинается с того, что мощный вентилятор во внешнем блоке забирает воздух с улицы, пропуская через него 2000-6000 м³ воздуха в час в зависимости от модели.
Далее воздух контактирует с испарителем теплообменником, изготовленным из медных трубок с алюминиевыми ребрами. Внутри испарителя циркулирует хладагент R32 или R410A, обладающий уникальным свойством – он закипает при температуре от -40°C до -50°C. Даже если на улице -15°C, хладагент активно улетучивается, забирая тепло из воздуха. При этом газообразный хладагент нагревается до -5...-10°C.
Следующим этапом газообразный хладагент поступает в компрессор, работающий от электросети. Компрессор сжимает газ, повышая давление в 8-12 раз – с 2-3 бар до 20-30 бар. При сжатии температура хладагента возрастает до +60…+80°C, а в некоторых моделях до +90°C. Именно на этом этапе происходит основное преобразование энергии.
После этого нагретый газ под высоким давлением попадает в конденсатор, расположенный во внутреннем блоке. Здесь происходит теплообмен: хладагент отдает тепло воде в системе отопления, нагревая ее до температуры +35...+65°C. При отдаче тепла хладагент охлаждается и конденсируется, переходя из газообразного состояния обратно в жидкое.
Завершает цикл расширительный клапан, снижающий давление жидкого хладагента с 20-30 бар до 2-3 бар. После прохождения клапана хладагент снова попадает в испаритель, где снова испаряется. Этот цикл повторяется непрерывно, обеспечивая постоянную передачу тепла от наружного воздуха в систему отопления.
Технические характеристики и показатели эффективности
Коэффициент COP (Coefficient of Performance) показывает эффективность теплового насоса и определяется как соотношение производимой тепловой энергии к потребленной электрической. Если COP равняется 4, это означает, что насос производит 4 кВт тепла, потребляя только 1 кВт электроэнергии. Современные модели имеют COP от 3,5 до 5,5 в зависимости от наружной температуры. При температуре +7°C показатель COP может достигать 5,0-5,5, при -7°C снижается до 3,0-3,5, при -15°C составляет 2,5-3,0.
Сезонный коэффициент SCOP учитывает изменение температуры в течение отопительного сезона. Если COP показывает мгновенную эффективность при определенной температуре, то SCOP рассчитывается для всего периода отопления. Для Украины с умеренным климатом типичный SCOP составляет 3,5-4,2, что означает экономию электроэнергии в 3,5-4,2 раза по сравнению с прямым электрическим отоплением.
Рабочий диапазон температур определяет, при каких условиях тепловой насос может эффективно работать. Базовые модели функционируют до -15°C, более производительные – до -20°C, а премиальные системы с инверторным компрессором работают даже при -25...-28°C. При этом производительность постепенно снижается: если при +7°C насос выдает 100% номинальной мощности, то при -15°C – около 60-70%, при -20°C – 50-60%.
Объем накопительной емкости зависит от потребностей в горячей воде и площади помещения. Для дома площадью 100-150 м² с семьей из 3-4 человек достаточно бойлера на 200-250 литров. Для площади 150–200 м² рекомендуется емкость 250–300 литров. Мощность отопления рассчитывается исходя из 50-70 Вт на 1 м2 для хорошо утепленного дома. Следовательно, для дома 150 м² требуется насос мощностью 7,5-10,5 кВт.
Отопление помещений – основная функция теплового насоса "воздух-вода". Система поддерживает температуру теплоносителя от +35°C для теплых полов до +55-65°C для радиаторов. Низкотемпературные системы (теплый пол, фанкойлы) наиболее эффективны, так как насос не требуется нагревать воду до высоких температур. При этом COP остается максимальным – 4,5-5,0. Для стандартных радиаторов, нуждающихся в температуре +50-60°C, показатель COP снижается до 3,0-3,5.
Летом тепловой насос может работать в режиме охлаждения. Цикл работы сменяется противоположным: система отбирает тепло из помещения и отдает его на улицу. Температура теплоносителя снижается до +7...+12°C, что позволяет охлаждать воздух через фанкойлы или систему охлаждения полов. Режим охлаждения особенно полезен для коммерческих объектов и офисов, где летом требуется комфортный микроклимат.
Подогрев горячей воды реализуется через встроенный или отдельный бойлер. Насос нагревает воду до температуры +50-60°C, что достаточно для бытовых нужд. Для обеспечения санитарных норм раз в неделю система автоматически нагревает воду до +65-70°C для обеззараживания бойлера от бактерий легионеллы. Производительность подогрева воды составляет 200-300 литров при нагревании от +10°C до +55°C за 3-4 часа.
Интеграция с разными системами расширяет возможности теплового насоса. С теплым полом насос работает наиболее эффективно, поддерживая температуру теплоносителя +30-40°C. Для отопления радиатора температура повышается до +50-60°C, но эффективность несколько снижается. Фанкойлы могут работать как на отопление (+40-50°C), так и на охлаждение (+7-12°C), обеспечивая круглогодичный комфорт. Один тепловой насос может одновременно снабжать несколько контуров: теплый пол на первом этаже, радиаторы на втором и подогрев воды в бойлере.
Эффективность работы в разных условиях
Производительность теплового насоса "воздух-вода" напрямую зависит от температуры наружного воздуха. При температуре +7°C насос работает с максимальной эффективностью, выдавая 100% номинальной мощности при COP 4,5-5,5. Если наружная температура опускается до 0°C, мощность снижается до 85-90%, COP составляет 3,8-4,2. При -7°C мощность падает до 70-75% от номинальной, COP снижается до 3,0-3,5.
В условиях мороза -15°C насос выдает всего 60-65% мощности с COP 2,5-3,0. При экстремальных температурах –20°C производительность составляет 50–55%, а COP падает до 2,0–2,5. Поэтому для обеспечения комфорта в самые холодные дни рекомендуется устанавливать дополнительный источник тепла или выбирать насос с запасом мощности 20-30%.
Работа в зимний период требует большей энергии из-за необходимости поддерживать более высокую температуру теплоносителя и периодического размораживания наружного блока. Цикл размораживания запускается автоматически при обмерзании теплообменника – обычно каждые 45-90 минут при температурах от -2°C до -8°C. Процесс занимает 3-10 минут, в течение которых система временно прекращает отопление.
Летом в режиме охлаждения насос работает более эффективно, чем зимой. При наружной температуре +25-30°C коэффициент EER (эффективность охлаждения) составляет 3,5-4,5, что означает расход 1 кВт электроэнергии для получения 3,5-4,5 кВт холода. Оптимальные условия эксплуатации для режима отопления – температура от +5°C до +15°C, для режима охлаждения – от +25°C до +35°C.
Утраты эффективности при экстремальных температурах компенсируются правильным подбором мощности и комбинированием с другими системами. Для дома в Киевской области, где зимние температуры редко опускаются ниже –15°C, тепловой насос может обеспечивать 90-95% потребности в тепле в течение отопительного сезона.
Преимущества использования тепловых насосов "воздух-вода"
Экономичность по сравнению с традиционным отоплением становится главным доводом в пользу теплового насоса. Электрическое отопление стоит примерно 2,5-3 грн за 1 кВт·ч тепла (при тарифе 1,68 грн/кВт·ч). Газовое отопление – около 1,2-1,5 грн за 1 кВт·ч при цене газа 7,96 грн/м³. Тепловой насос со средним SCOP 4,0 стоит всего 0,42 грн за 1 кВт·ч тепла (1,68 ÷ 4 = 0,42). Экономия в отношении электрического отопления составляет 83%, в отношении газового – 65-70%.
Для дома площадью 150 м² среднее потребление тепла за отопительный сезон составляет около 15000 кВт·ч. С электрическим отоплением это обойдется в 37500–45000 грн, с газовым – 18000–22500 грн, с тепловым насосом – только 6300 грн. Начальная стоимость теплового насоса (100 000-180 000 грн с монтажом) окупается за 4-7 лет в зависимости от предыдущего вида отопления.
Экологичность и безопасность отличают тепловые насосы от систем сжигания топлива. Отсутствие продуктов сгорания означает нулевые выбросы CO, CO₂ и NOx в помещение. Не требуется дымоход, нет риска отравления угарным газом или взрыва. Хладагенты R32 и R410A, используемые в современных насосах, обладают низким потенциалом глобального потепления и не разрушают озоновый слой.
Многофункциональность системы позволяет использовать одно устройство вместо нескольких. Тепловой насос заменяет отопительный котел, кондиционер и бойлер для горячей воды. Это экономит не только средства на приобретение отдельных устройств (суммарная стоимость которых может достигать 80000-120000 грн), но и место в техническом помещении.
Простота монтажа выделяет систему "воздух-вода" среди других типов тепловых насосов. Установка занимает 2-3 дня против 5-10 дней для геотермальных систем. Не требуется разрешения на бурение скважин или устройство коллекторов. Наружный блок монтируется на стену дома или на бетонную площадку, внутренний – в котельной или техническом помещении.
Длительный срок службы составляет 15-20 лет при правильной эксплуатации. Компрессоры ведущих производителей имеют ресурс 60000-80000 часов работы, что эквивалентно 15-20 годам при средней загруженности 4000 часов в год. Теплообменники из медных трубок и алюминиевых ребер практически не подвержены коррозии. Гарантия производителей обычно составляет 3-5 лет на оборудование и 5-7 лет на компрессор
Выбор эффективной системы отопления становится все более актуальным вопросом для украинских домовладельцев, особенно в свете растущих цен на традиционные энергоносители
В эпоху технологического прогресса, значительное внимание уделяется улучшению инженерных решений, особенно в области отопления. Тепловые насосы представляют собой одно из таких решений, выделяющееся эффективностью использования энергии.
