Вся правда о тепловых насосах
Этой осенью наблюдается обострение в сети по поводу тепловых насосов и их применения для отопления загородных домов и дач. В загородном доме, который я построил своими руками, с 2013 года установлен такой тепловой насос. Это полупромышленный кондиционер, способный эффективно работать на обогрев при уличной температуре до -25 градусов по Цельсию. Он является основным и единственным отопительным прибором в одноэтажном загородном доме общей площадью 72 квадратных метра.
За спиной уже 3 года полноценной эксплуатации теплового насоса по его прямому назначению и сейчас я хочу поделиться своими впечатлениями. Я провел расчеты и был шокирован — такого результата никто не ожидал!
2.
Коротко напомню предысторию. Четыре года назад был куплен участок 6 соток в садовом товариществе, на котором, я, своими руками, без привлечения наемной рабочей силы, построил современный энергоэффективный загородный дом. Предназначение дома — вторая квартира, расположенная на природе. Круглогодичная, но не постоянная эксплуатация. Требовалась максимальная автономность в совокупности с простой инженерией. В районе расположения СНТ отсутствует магистральный газ и на него рассчитывать не стоит. Остается привозное твердое или жидкое топливо, но все эти системы требуют сложной инфраструктуры, стоимость возведения и содержания которой сопоставимо с прямым отоплением электричеством. Таким образом выбор уже был частично предопределен — электрическое отопление. Но здесь возникает второй, не менее важный момент: ограничение электрических мощностей в садовом товариществе, а также достаточно высокие тарифы на электроэнергию (на тот момент — не «сельский» тариф). По факту на участок выделено 5 квт электрической мощности. Единственный выход в данной ситуации — использовать тепловой насос, который позволит сэкономить на отоплении примерно в 2,5-3 раза, по сравнению с прямой конвертацией электрической энергии в тепловую.
Итак, переходим к тепловым насосам. Они различаются по тому, откуда они забирают тепло и по тому, куда его отдают. Важный момент, известный из законов термодинамики (8 класс средней школы) — тепловой насос не производит тепло, он его переносит. Именно поэтому его КОП (коэффициент преобразования энергии) всегда больше 1 (то есть тепловой насос всегда отдает тепла больше, чем потребляет из сети).
Классификация тепловых насосов следующая: «вода - вода», «вода - воздух», «воздух - воздух», «воздух - вода». Под «водой» указываемой в формуле слева подразумевается отбор тепла от жидкого циркулирующего теплоносителя проходящего по трубам находящимся в земле или водоеме. Эффективность таких систем практически не зависит от времени года и температуры окружающего воздуха, но они требуют дорогостоящих и трудоемких земляных работ, а также наличие достаточных свободных площадей под укладку грунтового теплообменника (на котором, впоследствии будет плохо что-либо расти летом, ввиду вымораживания грунта). Под «водой» указываемой в формуле справа подразумевается отопительный контур, находящийся внутри здания. Это может быть как система радиаторов, так и жидкостные теплые полы. Такая система также потребует сложных инженерных работ внутри здания, но при этом имеет и свои плюсы — с помощью такого теплового насоса можно заодно получить горячую воду в доме.
Но самым интересной выглядит категория тепловых насосов класса «воздух — воздух». По сути это самые обычные кондиционеры. Во время работы на обогрев они забирают тепло из уличного воздуха и переносят его на воздушный теплообменник находящийся внутри дома. Несмотря на некоторые недостатки (серийные модели не могут работать при температурах окружающего воздуха ниже -30 градусов по Цельсию), они имеют колоссальное преимущество: такой тепловой насос очень легко установить и его стоимость сопоставима с обычным электрическим отоплением с помощью конвекторов или электрокотла.
3.
На основании этих рассуждений был выбран канальный полупромышленный кондиционер Mitsubishi Heavy, модель FDUM71VNX. По состоянию на осень 2013 года, комплект состоящий из двух блоков (внешний и внутренний) стоил 120 тысяч рублей.
4.
Внешний блок установлен на фасаде с северной стороны дома, там где меньше всего ветра (это важно).
5.
Внутренний блок установлен в холле под потолком, от него с помощью гибких шумоизолированных воздуховодов обеспечена подача горячего воздуха во все жилые помещения внутри дома.
6.
Т.к. подача воздуха находится под потолком (организовать подачу горячего воздуха около пола в каменном доме решительно невозможно), то очевидно, что забирать воздух нужно на полу. Для этого с помощью специального короба забор воздуха был опущен на пол в коридоре (во всех межкомнатных дверях также установлены переточные решетки в нижней части). Рабочий режим — 900 кубометров воздуха в час, за счет постоянной и стабильной циркуляции совершенно нет разницы по температуре воздуха между полом и потолком в любой части дома. Если быть точным, то разница составляет 1 градус по Цельсию, ровно столько же, сколько будет при использовании настенных конвекторов под окнами.
7.
Кроме того, что внутренний блок кондиционера за счет мощной крыльчатки способен прогонять в режиме рециркуляции большие объемы воздуха по дому, не нужно забывать о том, что для людей необходим свежий воздух в доме. Поэтому система отопления также выполняет роль системы вентиляции. По отдельному воздушному каналу с улицы в дом подается свежий воздух, который при необходимости подогревается (в холодное время года) с помощью автоматики и канального ТЭНа.
8.
Раздача горячего воздуха осуществляется через вот такие решетки, расположенные в жилых комнатах. Также стоит обратить внимание на то, что в доме нет ни одной лампы накаливания и используются исключительно светодиоды (запомните этот момент, это важно).
9.
Отработанный «грязный» воздух удаляется из дома через вытяжку в санузле и на кухне. Горячая вода готовится в обычном накопительном водонагревателе. Вообще, это достаточно большая статья расходов, т.к. колодезная вода очень холодна (от +4 до +10 градусов по Цельсию в зависимости от времени года) и кто-то может резонно заметить, что можно использовать солнечные коллекторы для нагрева воды. Да, можно, но стоимость вложений в инфраструктуру такова, что за эти деньги можно греть воду напрямую электричеством в течение 10 лет. 
10.
А это — «ЦУП». Главный и основной пульт управления воздушным тепловым насосом. У него есть различные таймеры и простейшая автоматика, но мы используем только два режима: вентиляция (в теплое время года) и нагрев (в холодное время года). Построенный дом оказался настолько энергоэффективным, что кондиционер в нём ни разу не использовался по прямому назначению — для охлаждения дома в жару. В этом большую роль сыграло и светодиодное освещение (теплоотдача от которого стремится к нулю) и очень качественное утепление (шутка ли, после обустройства газона на крыше нам даже пришлось этим летом использовать тепловой насос для обогрева дома — в дни, когда среднесуточная температура опускалась ниже +17 градусов по Цельсию). В доме круглогодично поддерживается температура не ниже +16 градусов по Цельсию, независимо от наличия в нём людей (когда в доме люди, то температура устанавливается +22 градуса по Цельсию) и никогда не выключается приточная вентиляция (потому, что лень).
11.
Счетчик технического учета электроэнергии был установлен осенью 2013 года. То есть ровно 3 года назад. Нетрудно подсчитать, что среднегодовое потребление электрической энергии составляет 7000 квтч (на самом деле сейчас эта цифра немного меньше, т.к. в первый год расход был большим из-за использования осушителей во время отделочных работ).
12.
В заводской комплектации кондиционер способен работать на обогрев при температуре окружающего воздуха не ниже -20 градусов по Цельсию. Для работы при более низких температурах требуется доработка (на самом деле она актуальна при эксплуатации даже при температуре -10, если на улице высокая влажность) — установка греющего кабеля в дренажный поддон. Это необходимо для того, чтобы после цикла разморозки внешнего блока вода в жидком состоянии успела покинуть дренажный поддон. Если она не успеет это сделать, то в поддоне будет намерзать лед, который впоследствии выдавит раму с вентилятором, что, вероятно, приведет к обламыванию лопастей на нём.
13.
Как я уже упоминал выше — в доме везде используется исключительно светодиодное освещение. Это важно, когда речь заходит о кондиционировании помещения. Возьмем стандартную комнату, в которой расположено 2 светильника, по 4 лампы в каждом. Если это лампы накаливания мощностью 50 ватт, то суммарно они потребляют 400 ватт, в то время как светодиодные лампы будут потреблять менее 40 ватт. А вся энергия, как мы знаем из курса физики, в конечном итоге все равно превращается в тепловую. То есть освещение на лампах накаливания это такой неплохой обогреватель средней мощности.
14.
Теперь поговорим о том, как работает тепловой насос. Всё, что он делает — переносит тепловую энергию из одного места в другое. Именно по такому принципу работают и холодильники. Они переносят тепло из холодильной камеры в помещение. 
Немного теории. Теплота это форма энергии, которая передается между двумя системами из-за разницы температур. При этом тепловая энергия переходит из места с высокой температурой к месту с более низкой температурой. Это естественный процесс. Перенос тепла может осуществляться за счет теплопроводности, теплового излучения или путём конвекции.
Существует три классических агрегатных состояния вещества, преобразование между которыми осуществляется в результате изменения температуры или давления: твердое, жидкое, газообразное.
Для изменения агрегатного состояния тело должно либо получить, либо отдать тепловую энергию.
- При плавлении (переход из твердого состояния в жидкое) поглощается тепловая энергия.
- При испарении (переход из жидкого состояния в газообразное) поглощается тепловая энергия.
- При конденсации (переход из газообразного состояния в жидкое) выделяется тепловая энергия.
- При кристаллизации (переход из жидкого состояния в твердое) выделяется тепловая энергия.
Тепловой насос использует в работе два переходных режима: испарение и конденсацию, то есть оперирует веществом, находящимся либо в жидком, либо в газообразном состоянии.
15.
В качестве рабочего тела в контуре теплового насоса используется хладагент R410a. Это фтороуглеводород, закипающий (переход из жидкого состояния в газообразное) при очень низкой температуре. А именно, при температуре — 48,5 градусов по Цельсию. То есть, если обычная вода при нормальном атмосферном давлении кипит при температуре +100 градусов по Цельсию, то фреон R410a кипит при температуре почти на 150 градусов ниже. Более того, при сильно отрицательной температуре. 
Именно это свойство хладагента используется в тепловом насосе. Путем целенаправленного измерения давления и температуры ему можно придать необходимые свойства. Либо это будет испарение при температуре окружающей с поглощением тепла, либо конденсации при температуре окружающей среды с выделением тепла.
16.
Вот как выглядит контур циркуляции теплового насоса. Его основные компоненты: компрессор, испаритель, расширительный клапан и конденсатор. Хладагент циркулирует в замкнутом контуре теплового насоса и попеременно меняет свое агрегатное состояние с жидкого на газообразное и обратно. Именно хладагент передает и переносит тепло. Давление в контуре всегда избыточно по сравнению с атмосферным. 
Как это работает?
Компрессор всасывает холодный газообразный хладагент низкого давления поступающий из испарителя. Компрессор сжимает его под высоким давлением. Температура повышается (тепло от работы компрессора также добавляется к хладагенту). На этом этапе мы получается газообразный хладагент высокого давления и высокой температуры.
В таком виде он поступает в конденсатор, обдуваемый более холодным воздухом. Перегретый хладагент отдает свое тепло воздуху и конденсируется. На этом этапе хладагент находится в жидком состоянии, под высоким давлением и со средней температурой.
Далее хладагент поступает в расширительный клапан. В нём происходит резкое снижение давления, вследствие расширения объема, который занимает хладагент. Уменьшение давления приводит к частичному испарению хладагента, что в свою очередь снижает температуру хладагента ниже температуры окружающей среды.
В испарителе давление хладагента продолжает снижаться, он еще сильнее испаряется, а необходимое для этого процесса тепло отбирается от более теплого наружного воздуха, который при этом охлаждается.
Полностью газообразный хладагент снова поступает в компрессор и цикл замыкается.
17.
Попробую еще раз объяснить попроще. Хладагент кипит уже при температуре -48,5 градусов по Цельсию. То есть, условно говоря при любой более высокой температуре окружающей среды он будет иметь избыточное давление и в процессе испарения забирать тепло из окружающей среды (то есть уличного воздуха). Есть хладагенты используемые в низкотемпературных холодильниках, у них температура кипения еще ниже, вплоть до -100 градусов по Цельсию, но его не получится использовать для работы теплового насоса на охлаждение помещения в жару из-за очень высокого давления при высоких температурах окружающей среды. Хладагент R410a это некий баланс между возможностью работы кондиционера как на нагрев, так и охлаждение.
Вот, кстати, хороший документальный фильм снятый в СССР и рассказывающий о том, как устроен тепловой насос. Рекомендую.
18.
Любой ли кондиционер можно использовать для работы на обогрев? Нет, не любой. Хотя на фреоне R410a и работают почти все современные кондиционеры, не менее важны и другие характеристики. Во-первых кондиционер должен иметь четырехходовой клапан, позволяющий так сказать переключиться на «реверс», а именно поменять местами конденсатор и испаритель. Во-вторых, обратите внимание, что компрессор (он расположен справа снизу) находится в теплоизолированном кожухе и имеет электрический подогрев картера. Это нужно для того, чтобы всегда поддерживать положительную температуру масла в компрессоре. По факту, при температуре окружающей среды ниже +5 градусов по Цельсию даже в выключенном состоянии кондиционер потребляет 70 ватт электрической энергии. Второй, важнейший момент — кондиционер должен быть инверторным. То есть и компрессор и электромотор крыльчатки должны иметь возможность изменять производительность в процессе работы. Именно это позволяет тепловому насосу эффективно работать на обогрев при наружной температуре ниже -5 градусов по Цельсию. 
19.
Как мы знаем, на теплообменнике внешнего блока, который является испарителем во время работы на обогрев, происходит интенсивное испарение хладагента с поглощением тепла из окружающей среды. Но в уличном воздухе находятся пары воды в газообразном состоянии, которые конденсируются, а то и кристаллизуются на испарителе из-за резкого снижения температуры (уличный воздух отдает свою теплоту хладагенту). А интенсивное обмерзание теплообменника приведет к снижению эффективности теплосъема. То есть, по мере снижения температуры окружающей среды необходимо «притормозить» и компрессор и крыльчатку, чтобы обеспечить наиболее эффективный теплосъем на поверхности испарителя.
Идеальный тепловой насос работающий только на обогрев должен иметь площадь поверхности внешнего теплообменника (испарителя) в несколько раз превышающую площадь поверхности внутреннего теплообменника (конденсатора). На практике мы возвращаемся к тому самому балансу, что тепловой насос должен уметь работать как на обогрев, так и охлаждение.
20.
Слева можно видеть практически полностью покрытый инеем внешний теплообменник, кроме двух секций. В верхней, не замерзшей, секции фреон имеет еще достаточно высокое давление, что не позволяет ему эффективно испаряться с поглощением тепла из окружающей среды, в нижней же секции он уже перегрет и не может больше забирать тепло извне. А фотография справа дает ответ на вопрос почему внешний блок кондиционера был установлен на фасаде, а не спрятан от глаз на плоской кровле. Именно из-за воды, которую нужно отводить от дренажного поддона в холодное время года. Отводить эту воду с кровли было бы значительно сложнее, чем с отмостки.
Как я уже писал, во время работы на обогрев при отрицательной температуре на улице испаритель на внешнем блоке обмерзает, на нём кристаллизуется вода из уличного воздуха. Эффективность обмерзшего испарителя заметно снижается, но электроника кондиционера в автоматическом режиме контролирует эффективность теплосъема и периодически переключает тепловой насос в режим разморозки. По сути режим разморозки это прямой режим кондиционирования. То есть из помещения забирается тепло и переносится на внешний, обмерзший теплообменник, что растопить на нём лед. В это время вентилятор внутреннего блока работает на минимальной скорости, а из воздуховодов внутри дома поступает прохладный воздух. Цикл разморозки обычно длится 5 минут и происходит каждые 45-50 минут. Ввиду высокой тепловой инерционности дома, никакого дискомфорта во время разморозки не ощущается.
21.
Вот таблица теплопроизводительности данной модели теплового насоса. Напомню, что номинальное потребление энергии составляет чуть более 2 кВт (ток 10А), а теплоотдача колеблется от 4 кВт при -20 градусах на улице, до 8 кВт при уличной температуре +7 градусов. То есть коэффициент конвертации составляет от 2 до 4. Именно во сколько раз тепловой насос позволяет экономить энергию по сравнению с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую.
Практика показывает, что средний коэффициент конвертации с учетом потерь в самые холодные зимние месяцы в Московской области составляет 2,5. Но не забывайте про межсезонье и даже лето. А как я уже писал выше, если у вас энергоэффективный, хорошо теплоизолированный дом, без паразитных источников тепла, то даже летом солнце не способно его прогреть до комфортной температуры +22 градуса и в холодные летние дни потребуется также использовать тепловой насос для обогрева. А при уличной температуре более +10 градусов мы получим пятикратную (!) экономию электроэнергии по сравнению с электрическими конвекторами.
Кстати, есть еще один интересный момент. Ресурс у кондиционера при работе на обогрев в разы выше, чем при работе на охлаждение.
22.
Осенью прошлого года я установил счетчик электрической энергии Smappee, который позволяет вести статистику энергопотребления помесячно и предоставляет более менее удобную визуализацию проведенных измерений.
23.
Smappee был установлен ровно год назад, в последних числах сентября 2015 года. Он также пытается показать стоимость электрической энергии, но делает это исходя из заданных вручную тарифов. А с ними есть важный момент — как известно, у нас повышают цены на электроэнергию 2 раза в год. То есть за представленный период измерений тарифы менялись 3 раза. Поэтому не будем обращать внимание на стоимость, а подсчитаем количество потребленной энергии. 
На самом деле с визуализацией графиков потребления у Smappee есть проблемы. Например, самый короткий столбец слева это потребление за сентябрь 2015 года (117 квтч), т.к. у разработчиков что-то пошло не так и на экране за год почему-то 11, а не 12 столбцов. Но суммарные цифры потребления подсчитаны безошибочно.
А именно, 1957 квтч за 4 месяца (включая сентябрь) в конце 2015 года и 4623 квтч за весь 2016 год с января по сентябрь включительно. То есть суммарно было израсходовано 6580 квтч на ВСЁ жизнеобеспечение загородного дома, который круглогодично отапливался, независимо от нахождения в нём людей. Напомню, что летом этого года впервые пришлось использовать тепловой насос для обогрева, а на охлаждение летом он не работал ни разу за все 3 года эксплуатации (кроме автоматических циклов разморозки, разумеется). В рублях, по текущим, дорогим СНТ-шным тарифам это примерно 27 тысяч рублей в год или 2250 рублей в месяц. Напомню, что в эту сумму входит: отопление, вентиляция, нагрев воды, плита, холодильник, освещение, электроника и техника. То есть это фактически в 2 раза дешевле, чем ежемесячная плата за квартиру в Москве аналогичной площади (разумеется без учета взносов на содержание, а также сборов на капитальный ремонт).
24.
А теперь давайте подсчитаем сколько же денег позволил сэкономить тепловой насос в моём случае. Сравнивать будем электрическим отоплением, на примере электрокотла и радиаторов. Считать буду по докризисным ценам, которые были на момент установки теплового насоса осенью 2013 года. Сейчас тепловые насосы подорожали из-за обвала курса рубля, а техника вся импортная (лидеры по производству тепловых насосов — японцы).
Электрическое отопление:
Электрический котел - 50 тыс рублей
Трубы, радиаторы, фитинги и т.д. - еще 30 тыс. рублей. Итого материалов на 80 тысяч рублей.
Тепловой насос:
Канальный кондиционер MHI FDUM71VNXVF (внешний и внутренний блок) - 120 тыс. рублей.
Воздуховоды, адаптеры, теплоизоляция и т.д. - еще 30 тыс. рублей. Итого материалов на 150 тысяч рублей.
Установка своими руками, но в обоих случаях по времени это примерно одинаково. Итого «переплата» за тепловой насос по сравнению с электрокотлом: 70 тысяч рублей.
Но это не всё. Воздушное отопление с помощью теплового насоса это заодно кондиционер в теплое время года (то есть кондиционер все равно нужно ставить, так ведь? значит добавим еще минимум 40 тысяч рублей) и вентиляция (обязательна в современных герметичных домах, еще минимум 20 тысяч рублей).
Что имеем? «Переплата» в комплексе составляет всего 10 тысяч рублей. Это еще только на стадии ввода системы отопления в эксплуатацию.
А дальше начинается эксплуатация. Как я уже писал выше, в самые холодные зимние месяцы коэффициент преобразования составляет 2,5, а в межсезонье и летом можно принять его равным 3,5-4. Возьмем усредненный годовой СОР равный 3. Напомню, что за год в доме расходуется 6500 квтч электрической энергии. Это суммарное потребление на все электрические приборы. Возьмем по минимуму, что тепловой насос потребляет из этой суммы всего лишь половину (это прям очень смело, на самом-то деле, в реальности думаю, что ТН потребляет до 2/3 электрической энергии в доме). То есть 3000 квтч. При этом в среднем за год он отдал 9000 квтч тепловой энергии (6000 квтч «притащил» с улицы).
Переведем перенесенную энергию в рубли, предположив, что 1 квтч электрической энергии стоит 4,5 рубля (усредненный дневной/ночной тариф в Московской области). Получаем 27000 рублей экономии, по сравнению с электрическим отоплением только за первый год эксплуатации. Вспомним, что разница на стадии ввода системы в эксплуатацию составляла всего 10 тысяч рублей. То есть уже за первый год эксплуатации тепловой насос СЭКОНОМИЛ мне 17 тысяч рублей. То есть он окупился в первый же год эксплуатации. При этом напомню, что это не постоянное проживание, при котором экономия была бы еще больше!
Но не забываем про кондиционер, который конкретно в моем случае не потребовался ввиду того, что построенный мною дом оказался переутепленным (хотя и используется однослойная стена из газобетона без дополнительного утепления) и он просто не нагревается летом на солнце. То есть скинем 40 тысяч рублей из сметы. Что имеем? ЭКОНОМИТЬ на тепловом насосе в таком случае я стал не с первого года эксплуатации, а со второго. Не велика разница-то.
Но если мы возьмем тепловой насос класса «вода-вода» или даже «воздух-вода», то цифры в смете будут совершенно иными. Именно поэтому тепловой насос «воздух-воздух» это лучшее соотношение цена/эффективность на рынке.
25.
И напоследок несколько слов про электрические отопительные приборы. Меня утомили вопросами о всяких инфракрасных обогревателях и нано-технологиях не сжигающих кислород. Отвечу коротко и по делу. Любой электрический обогреватель имеет КПД 100%, то есть вся электрическая энергия переходит в тепловую. На самом деле это касается любых электрических приборов, даже электрическая лампочка дает тепло ровно в том количестве, в котором она его получила из розетки. Если же говорить про инфракрасные обогреватели, то их преимущество заключается в том, что они греют предметы, а не воздух. Поэтому самое разумное применение для них — обогрев на летних верандах в кафе и на автобусных остановках. Там, где есть необходимость передать тепло напрямую предметам/людям, минуя нагрев воздуха. Аналогичная история про сжигание кислорода. Если где-то в рекламном проспекте вы видите эту фразу, знайте — производитель держит покупателя за лоха. Горение это реакция окисления, а кислород это окислитель, то есть он сам себя сжечь не может. То есть это все бред дилетантов, прогулявших уроки физики в школе.
26.
Еще одним вариантом экономии энергии при электрическом отоплении (не важно, прямой конвертацией или с помощью теплового насоса) является использование теплоемкости ограждающих конструкций (или же специального теплоаккумулятора) для накопления тепла при использовании дешевого ночного электрического тарифа. Именно с этим я и буду экспериментировать этой зимой. По моим предварительным расчетам (с учетом того, что в ближайший месяц я буду платить по сельскому тарифу на электроэнергию, т.к. строение уже зарегистрировано как жилой дом), даже несмотря на рост тарифов на электроэнергию, в следующем году я заплачу за содержание дома менее 20 тысяч рублей.
Что в итоге? Тепловой насос в виде низкотемпературного кондиционера класса «воздух-воздух» это самый простой и доступный способ экономии на отоплении, что вдвойне может быть актуально при существовании лимита электрических мощностей. Я полностью доволен установленной отопительной системой и не испытываю какого-либо дискомфорта от её эксплуатации. В условиях Московской области использование воздушного теплового насоса полностью себя оправдывает и позволяет окупить инвестиции не позднее, чем через 2-3 года.
Автор Виктор Борисов.
Оригинал статьи «Вся правда о тепловых насосах» и комментарии читателей на страничке Виктора в «Живом Журнале».
Фрагмент материала из цыкал публикаций посвященных самостоятельному строительству загородного дома.
Внимание, монтаж оборудования Cooper&Hunter производится сертифицированным специалистом с соответствующей отметкой в гарантийном талоне.