Тепловий насос "повітря-вода" – це енергоефективна система опалення, яка забирає тепло з зовнішнього повітря та передає його воді в системі опалення або гарячого водопостачання. Зовні пристрій схожий на звичайну спліт-систему і складається з двох блоків: зовнішнього та внутрішнього.
Зовнішній блок встановлюється на вулиці та містить випарник з вентилятором, який забирає повітря з навколишнього середовища. Його розміри зазвичай становлять 80-120 см у висоту та 60-90 см у ширину, вага – від 70 до 150 кг залежно від потужності. Внутрішній блок розміщується в технічному приміщенні і включає конденсатор, компресор та гідравлічний модуль з насосом. Деякі моделі оснащуються вбудованим бойлером об'ємом 150-300 літрів для підігріву води.
Ключові компоненти системи виконують чіткі функції. Компресор стискає хладагент, підвищуючи його температуру та тиск. Конденсатор передає тепло від нагрітого хладагенту до води в системі опалення. Випарник забирає тепло з зовнішнього повітря, перетворюючи рідкий хладагент у газоподібний стан. Розширювальний клапан знижує тиск хладагенту перед його поверненням у випарник.
На відміну від теплових насосів "грунт-вода" або "вода-вода", система "повітря-вода" не потребує бурових робіт чи встановлення підземних колекторів. Це робить її монтаж простішим і дешевшим – вартість установки нижча на 40-60%. Порівняно з геотермальними системами, які працюють зі стабільною температурою грунту +8-10°C, ефективність повітряних насосів залежить від температури зовнішнього повітря.
Принцип роботи теплового насоса "повітря-вода"
Робочий цикл теплового насоса базується на зворотному циклі Карно та складається з послідовних етапів. Процес починається з того, що потужний вентилятор у зовнішньому блоці забирає повітря з вулиці, пропускаючи через нього 2000-6000 м³ повітря на годину залежно від моделі.
Далі повітря контактує з випарником – теплообмінником, виготовленим з мідних трубок з алюмінієвими ребрами. Усередині випарника циркулює хладагент R32 або R410A, який має унікальну властивість – він закипає при температурі від -40°C до -50°C. Навіть якщо на вулиці -15°C, хладагент активно випаровується, забираючи тепло з повітря. При цьому газоподібний хладагент нагрівається до температури -5...-10°C.
Наступним етапом газоподібний хладагент надходить у компресор, який працює від електромережі. Компресор стискає газ, підвищуючи тиск у 8-12 разів – з 2-3 бар до 20-30 бар. При стисненні температура хладагенту зростає до +60...+80°C, а в деяких моделях до +90°C. Саме на цьому етапі відбувається основне перетворення енергії.
Після цього нагрітий газ під високим тиском потрапляє в конденсатор, розташований у внутрішньому блоці. Тут відбувається теплообмін: хладагент віддає своє тепло воді в системі опалення, нагріваючи її до температури +35...+65°C. При віддачі тепла хладагент охолоджується та конденсується, переходячи з газоподібного стану назад у рідкий.
Завершує цикл розширювальний клапан, який знижує тиск рідкого хладагенту з 20-30 бар до 2-3 бар. Після проходження клапана хладагент знову потрапляє у випарник, де знову випаровується. Цей цикл повторюється безперервно, забезпечуючи постійну передачу тепла від зовнішнього повітря до системи опалення.
Технічні характеристики та показники ефективності
Коефіцієнт COP (Coefficient of Performance) показує ефективність теплового насоса і визначається як співвідношення виробленої теплової енергії до спожитої електричної. Якщо COP дорівнює 4, це означає, що насос виробляє 4 кВт тепла, споживаючи лише 1 кВт електроенергії. Сучасні моделі мають COP від 3,5 до 5,5 залежно від зовнішньої температури. При температурі +7°C показник COP може сягати 5,0-5,5, при -7°C знижується до 3,0-3,5, при -15°C становить 2,5-3,0.
Сезонний коефіцієнт SCOP враховує змінність температури протягом опалювального сезону. Якщо COP показує миттєву ефективність при конкретній температурі, то SCOP розраховується для всього періоду опалення. Для України з помірним кліматом типовий SCOP становить 3,5-4,2, що означає економію електроенергії у 3,5-4,2 рази порівняно з прямим електричним опаленням.
Робочий діапазон температур визначає, за яких умов тепловий насос може ефективно працювати. Базові моделі функціонують до -15°C, більш продуктивні – до -20°C, а преміальні системи з інверторним компресором працюють навіть при -25...-28°C. При цьому продуктивність поступово знижується: якщо при +7°C насос видає 100% номінальної потужності, то при -15°C – близько 60-70%, при -20°C – 50-60%.
Об'єм накопичувальної ємності залежить від потреб у гарячій воді та площі приміщення. Для будинку площею 100-150 м² з сім'єю з 3-4 осіб достатньо бойлера на 200-250 літрів. Для площі 150-200 м² рекомендується ємність 250-300 літрів. Потужність опалення розраховується виходячи з 50-70 Вт на 1 м² для добре утепленого будинку. Отже, для будинку 150 м² потрібен насос потужністю 7,5-10,5 кВт.
Опалення приміщень – основна функція теплового насоса "повітря-вода". Система підтримує температуру теплоносія від +35°C для теплої підлоги до +55-65°C для радіаторів. Низькотемпературні системи (тепла підлога, фанкойли) найефективніші, оскільки насосу не потрібно нагрівати воду до високих температур. При цьому COP залишається максимальним – 4,5-5,0. Для стандартних радіаторів, які потребують температури +50-60°C, показник COP знижується до 3,0-3,5.
Влітку тепловий насос може працювати в режимі охолодження. Цикл роботи змінюється на протилежний: система відбирає тепло з приміщення і віддає його на вулицю. Температура теплоносія знижується до +7...+12°C, що дозволяє охолоджувати повітря через фанкойли або систему охолодження підлоги. Режим охолодження особливо корисний для комерційних об'єктів та офісів, де влітку потрібен комфортний мікроклімат.
Підігрів гарячої води реалізується через вбудований або окремий бойлер. Насос нагріває воду до температури +50-60°C, чого достатньо для побутових потреб. Для забезпечення санітарних норм раз на тиждень система автоматично нагріває воду до +65-70°C для знезараження бойлера від бактерій легіонели. Продуктивність підігріву води становить 200-300 літрів при нагріванні від +10°C до +55°C за 3-4 години.
Інтеграція з різними системами розширює можливості теплового насоса. З теплою підлогою насос працює найефективніше, підтримуючи температуру теплоносія +30-40°C. Для радіаторного опалення температура підвищується до +50-60°C, але ефективність дещо знижується. Фанкойли можуть працювати як на опалення (+40-50°C), так і на охолодження (+7-12°C), забезпечуючи цілорічний комфорт. Один тепловий насос може одночасно забезпечувати кілька контурів: теплу підлогу на першому поверсі, радіатори на другому та підігрів води в бойлері.
Ефективність роботи в різних умовах
Продуктивність теплового насоса "повітря-вода" безпосередньо залежить від температури зовнішнього повітря. При температурі +7°C насос працює з максимальною ефективністю, видаючи 100% номінальної потужності при COP 4,5-5,5. Якщо зовнішня температура опускається до 0°C, потужність знижується до 85-90%, COP становить 3,8-4,2. При -7°C потужність падає до 70-75% від номінальної, COP знижується до 3,0-3,5.
В умовах морозу -15°C насос видає лише 60-65% потужності з COP 2,5-3,0. При екстремальних температурах -20°C продуктивність становить 50-55%, а COP падає до 2,0-2,5. Саме тому для забезпечення комфорту в найхолодніші дні рекомендується встановлювати додаткове джерело тепла або вибирати насос з запасом потужності 20-30%.
Робота в зимовий період вимагає більше енергії через необхідність підтримувати вищу температуру теплоносія та періодичного розморожування зовнішнього блоку. Цикл розморожування запускається автоматично при обмерзанні теплообмінника – зазвичай кожні 45-90 хвилин роботи при температурах від -2°C до -8°C. Процес займає 3-10 хвилин, під час яких система тимчасово припиняє опалення.
Влітку в режимі охолодження насос працює ефективніше, ніж взимку. При зовнішній температурі +25-30°C коефіцієнт EER (ефективність охолодження) становить 3,5-4,5, що означає витрату 1 кВт електроенергії для отримання 3,5-4,5 кВт холоду. Оптимальні умови експлуатації для режиму опалення – температура від +5°C до +15°C, для режиму охолодження – від +25°C до +35°C.
Втрати ефективності при екстремальних температурах компенсуються правильним підбором потужності та комбінуванням з іншими системами. Для будинку в Київській області, де зимові температури рідко опускаються нижче -15°C, тепловий насос може забезпечувати 90-95% потреби в теплі протягом опалювального сезону.
Переваги використання теплових насосів "повітря-вода"
Економічність порівняно з традиційним опаленням стає головним аргументом на користь теплового насоса. Електричне опалення коштує приблизно 2,5-3 грн за 1 кВт⋅год тепла (при тарифі 1,68 грн/кВт⋅год). Газове опалення – близько 1,2-1,5 грн за 1 кВт⋅год при ціні газу 7,96 грн/м³. Тепловий насос з середнім SCOP 4,0 коштує лише 0,42 грн за 1 кВт⋅год тепла (1,68 ÷ 4 = 0,42). Економія відносно електричного опалення становить 83%, відносно газового – 65-70%.
Для будинку площею 150 м² середнє споживання тепла за опалювальний сезон становить близько 15000 кВт⋅год. З електричним опаленням це обійдеться в 37500-45000 грн, з газовим – 18000-22500 грн, з тепловим насосом – лише 6300 грн. Початкова вартість теплового насоса (100000-180000 грн з монтажем) окупається за 4-7 років залежно від попереднього виду опалення.
Екологічність та безпека відрізняють теплові насоси від систем спалювання палива. Відсутність продуктів згоряння означає нульові викиди CO, CO₂ та NOx у приміщення. Не потрібен димохід, немає ризику отруєння чадним газом або вибуху. Хладагенти R32 та R410A, що використовуються в сучасних насосах, мають низький потенціал глобального потепління та не руйнують озоновий шар.
Багатофункціональність системи дозволяє використовувати один пристрій замість кількох. Тепловий насос замінює котел опалення, кондиціонер та бойлер для гарячої води. Це економить не тільки кошти на придбання окремих пристроїв (сумарна вартість якх може сягати 80000-120000 грн), але й місце в технічному приміщенні.
Простота монтажу виділяє систему "повітря-вода" серед інших типів теплових насосів. Установка займає 2-3 дні проти 5-10 днів для геотермальних систем. Не потрібні дозволи на буріння свердловин або влаштування колекторів. Зовнішній блок монтується на стіну будинку або на бетонну площадку, внутрішній – у котельні або технічному приміщенні.
Тривалий термін служби складає 15-20 років при правильній експлуатації. Компресори провідних виробників мають ресурс 60000-80000 годин роботи, що еквівалентно 15-20 рокам при середній завантаженості 4000 годин на рік. Теплообмінники з мідних трубок та алюмінієвих ребер практично не піддаються корозії. Гарантія виробників зазвичай становить 3-5 років на обладнання та 5-7 років на компресор.
