Тепловые насосы для дома: выгодны ли они для России?

Для выбора оптимальной системы отопления дома необходимо в комплексе учесть два критерия:

• эксплуатационные расходы;
• стоимость системы.

Рассмотрим подробно эти два критерия для системы отопления, основанной на использовании теплового насоса.

Принцип работы

Это устройство лишь условно можно назвать насосом. Его задача – перенести (перекачать) низкопотенциальную тепловую энергию от ее источника к потребителю, который имеет более высокую температуру.  Если говорить более простым языком, тепловой насос для дома переносит энергию от холодного тела (в любом случае она у него есть) к горячему.

С точки зрения термодинамики работа теплового насоса сходна с работой холодильника. В нем также отбирается энергия от более холодных тел, которые из-за этого охлаждаются еще больше, к более горячим – воздуху помещения, где находится агрегат. Поэтому и конструкция этих устройств сходна и состоит из:

• компрессора;
• первичного теплового контура (испарителя);
• вторичного теплового контура (конденсатора);
• дросселя (расширительного клапана).

 В системе циркулирует хладогент с температурой кипения минус 55⁰С. Этот все тот же фреон или хладон. Так что даже морозный воздух с температурой минус 30⁰С его испарит, а значит, передаст ему свое тепло.

Теперь расскажем, как работает тепловой насос. В его схеме роль испарителя играет внешняя среда. Это может быть грунт (вода) или наружный воздух. В первом случае первичный тепловой контур выполняется из пластиковых труб, которые либо вертикально, либо горизонтально закапываются в грунт. При вертикальной компоновке с каждого метра такой трубы можно снять до 50 Вт тепла. То есть для обогрева дома площадью 100 м² в средней полосе России (на 1 м²необходимо 100 Вт тепла) необходимо 200 м труб. Обычно бурят 6 скважин глубиной по 35 метров. Для северных районов России  (на 1 м²необходимо 200 Вт тепла) метраж труб удваивается.

В случае горизонтальной компоновки с одного метра трубы можно снять только 20 Вт тепла. Соответственно труб нужно 500 м и 1000 м.

Работа теплового насоса следующая. Находясь в трубах, хладогент нагревается и переходит в парообразное состояние. Далее он сжимается компрессором,  его температура повышается  и становится выше, чем обогреваемого объекта (дома). После этого хладогент попадает во вторичный контур, где отдает свое тепло воде, циркулирующей в нем. А та уже поступает в радиаторы отопления.

Далее хладагент, проходя через дроссель, расширяется, его температура падает, и он возвращается в первичный контур. Цикл повторяется. 

В чем выгода теплового насоса

Если брать во внимание только эксплуатационные расходы, то такая система отопления довольно выгодна. Ведь ее КПД превышает 100%. Никакого противоречия с законами физики нет, так как система не замкнута. В ней затрачивается энергия на сжатие хладогента (компрессор), но благодаря этому появляется возможность передать тепло от грунта или наружного воздуха. А этой энергии больше.  Образно говоря, нужно потратить энергию, чтобы открыть клапан, за которым находится значительно больше другой энергии. Важнейшим показателем эффективности теплового насоса является коэффициент преобразования, который показывает насколько полученная энергия (тепло) от источника больше затраченной.

Например, тепловой насос для отопления дома, созданный по схеме «вода-вода» имеет коэффициент преобразования в районе 2,5. То есть, имея компрессор мощностью 4 кВт, можно снимать 10 кВт тепла! Выгода налицо. Аналогично можно сказать про устройства, созданные по схеме «воздух – воздух» или «воздух-вода». Но не все так просто. Рассмотрим эти две схемы теплового насоса подробнее.

Схема теплового насоса «вода-вода»

Главный минус этого вида – очень высокие капитальные затраты. Стоимость системы отопления, когда тепловой насос под домом, площадью 100 м² более 15 тыс. долларов. Если посчитать окупаемость, по сравнению, например, с системой отопления на природном газе, который в России по сравнению с Европой стоит очень дешево, то это минимум 15 лет. Это очень большой срок. Проще эти деньги положить в банк и на проценты отапливать дом.

Схема «воздух – вода» или «воздух- воздух»

В этом случае тепло забирается у окружающего воздуха и тепловой насос выглядит, как внешний блок кондиционера.  А дальше все аналогично, как и в предыдущей схеме. Только в случае системы «воздух-вода» вторичный контур теплообменника нагревает воду системы отопления, а во втором – воздух.

В этой схеме коэффициент преобразования очень сильно зависит от температуры окружающего воздуха. При показателях минус 12-20 градусов он составляет всего 1.2 – 1.3. То есть при мощности компрессора в 4 кВт будет генерироваться всего 5,8 – 6,2 кВт тепла. Это мало для обогрева дома и необходимо использовать какие-то дополнительные источники тепла, например, электроконвекторы. К тому же приходиться еще дополнительно обогревать внешний блок от намерзающих на нем осадков.

При температуре воздуха +5-10 градусов коэффициент преобразования достигает отметки 2,5 и можно получить 10 кВт тепла.  Но тогда для дома достаточно 2-3 кВт тепла. И вся выгода от теплового насоса теряется.

Плюсом схем «воздух-вода», а особенно «воздух-воздух» является значительно меньшие капитальные затраты. Установка тепловых насосов в этом случае обойдется в 2-3 тыс. долларов.

Выводы

При существующих тарифах на природный газ и твердое топливо тепловой насос, созданный по схеме «вода-вода» нерентабелен. Срок его окупаемости превышает 15 лет, то есть больше срока физического и морального износа оборудования.

Воздушный тепловой насос для отопления имеет смысл выбирать для установки в загородных частных домах, которые зимой постоянно не эксплуатируются. В этом случае при температурах воздуха от +5 до минус 5⁰С можно обойтись такой системой отопления. А при более низких температурах подтапливать дополнительными обогревателями. Повторимся, эта схема экономически оправдана при непостоянной эксплуатации дома зимой.