Воздушные тепловые насосы
Опубликовано: 09 апреля 2012 г.
497
Воздушные тепловые насосы, которые могут эксплуатироваться при низких отрицательных температурах, изменили представления о технических возможностях этого оборудования. В странах ЕС (особенно северных) они стали наиболее востребованным типом теплонасосных установок.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Конструкции, положенной в основу современных тепловых насосов (ТН), более 150 лет – еще в 1852 г. лорд Кельвин продемонстрировал «умножитель тепла», перекачивающий энергию из одного помещения в другой. Рабочим телом в нем был воздух! Перенос энергии по схеме «воздух–воздух» осуществляют и обычные холодильники. Однако к системам отопления их относить не принято, хотя нагревать воздух в помещении они вполне могут: всем знакомо повышение температуры в магазинах при неисправной вентиляции. А бытовой холодильник («умельцам» на заметку!), установленный в кухне так, что его тыловая часть через проем в стене выходит в жилую комнату, также будет нагревать в ней воздух.
Системы «воздух–воздух» и «воздух–вода»
У воздушных ТН, к которым можно отнести и сплит-системы с функцией обогрева (реверсивные), много достоинств по сравнению с использующими энергию земли или воды: более низкая стоимость, простота монтажа и эксплуатации, отсутствие необходимости в геологических или гидрогеологических изысканиях, требований к наличию земельного участка определенной площади, проведения согласований в надзорных органах. Однако все эти достоинства зачастую перевешиваются существенным недостатком: зависимостью COP (коэффициент трансформации энергии – отношение количества переданной энергии к затраченной на такую передачу) от температуры окружающего воздуха – чем она ниже, тем больше потребуется потратить электроэнергии на перенос тепла. При COP, приближающимся к единице, обогрев ТН становится нерациональным: фактически приходится «греться» компрессором.
В испарителе хладагент получает или отдает энергию (при кондиционировании). Для воздушного ТН необходимо обеспечить нужный теплосъем (площадь, производительность вентилятора, мощность компрессора). При этом возможна его установка снаружи или внутри помещения. В последнем случае необходимы воздуховоды или, при рекуперации тепла, – вентиляционные каналы.
Воздушные ТН могут иметь два конструкционных решения: «сплит» и «моно». В сплит-системах два блока (наружный и внутренний) соединяются трубопроводами. В первом – размещаются вентилятор и испаритель, во втором, внутреннем, – конденсатор, гидравлические элементы, автоматика управления. Компрессор может располагаться как в наружном, так и во внутреннем блоке.
В моноблоках все элементы объединены в одном корпусе. При размещении внутри помещения они сообщаются с наружной средой воздуховодом, а их мощность обычно не превышает 16 кВт. Есть моноблоки, допускающие как наружный, так и внутренний монтаж, например, WPL германской компании Stiebel Eltron. Моноблок для наружной установки HP 40-065, рассчитанный на работу при температуре воздуха до –25 °С, был разработан, в частности, компанией G-Mar (Чехия). Его тепловая мощность – 24 кВт.
В одних конструкциях воздушных ТН энергия передается воздуху в помещении, в других, работающих по схеме «воздух–вода», – жидкому теплоносителю. Такие установки успешно применяются при модернизации уже существующих, в том числе и высокотемпературных, систем водяного отопления. Так, в ТН Vitocal 350-A компании Viessmann температура подачи составляет 65 ˚С при –10 ˚С воздуха (СОР при параметрах воздуха–воды –2/35 ˚С равен 3,5). Низкий уровень шума обеспечивает трехступенчатый радиальный вентилятор, производителем предусмотрено и каскадное объединение установок.
Воздушные ТН обычно комплектуются дополнительными электрическими нагревателями, а двухкомпрессорные модели – обеспечивают одновременную работу контуров отопления и ГВС.
Рабочее вещество для большинства ТН – фреоны, фторсодержащие производные насыщенных углеводородов, в основном метана и этана. Но хорошие перспективы с точки зрения ряда конструкторов (ПК «НПФ Экип» из Московской области и др.) имеет и экологически безопасный диоксид углерода – R 744. Фреоны подразделяются на ГХФУ (гидрохлорфторуглероды), например, R 22, и ГФУ (гидрофторуглероды) – R 410А и R 407C. Последние дороже, требуют более высокого давления для конденсации, «привередливы» при хранении, транспортировке и заправке. Их основное достоинство – экологичность, безопасность для озонового слоя. Хладагент R 407C был создан в качестве замены для R 22. Но из-за того, что это смесь трех фреонов, при утечке требуется его полная замена. Хладагент R 410A условно изотропен, поэтому ТН может им дозаправляться. В то же время такие экологически безопасные хладагенты требуют использования синтетического полиэфирного масла, недостаток которого (помимо большей стоимости) – быстрое поглощение влаги и снижение поэтому рабочих характеристик.
Компрессор – важнейшая и самая дорогая часть ТН. Именно он обеспечивает реализацию термодинамического цикла и потребляет основное количество электроэнергии. Без его совершенствования невозможно добиться существенного повышения эффективности и надежности работы ТН, использовать экологически безопасные фреоны. Большое значение для потребителя имеет и снижение уровня его шумового воздействия.
По принципу работы различают поршневые (с возвратно-поступательным движением поршня), роторные, винтовые (с вращательным движением роторов) и спиральные (с плоскопараллельным движением спирального элемента). Последний тип компрессоров завоевал прочные позиции в ТН, занимая по уровню использования второе место после роторных. Спиральный компрессор более устойчив при аварийном попадании в него жидкого хладагента и загрязнений, чем поршневой, нет в нем и деталей, совершающих возвратно-поступательные движения и заметно влияющих на уровень шума (при переменных режимах работы он примерно в восемь раз меньше, чем у соответствующего поршневого). Такие компрессоры, например, установлены в ТН (воздух–вода) серии Danfoss DHP.
Обеспечение устойчивой работы воздушного ТН со спиральным компрессором при низких температурах достигается в ряде случаев дросселированием основного потока жидкого хладагента. При этом одноступенчатый компрессор как бы превращается в двухступенчатый с двумя входами: низкого и промежуточного (инжекции) давлений.
Современные ТН – высокоавтоматизированные установки. Так, контроллер осуществляет управление его работой (погодозависимое регулирование температуры в доме) и обычно имеет гибкую систему настроек. При подключении датчика комнатной температуры возможно регулирование как независимо от уличного датчика, так и совместно с ним. Автоматика может поддерживать работу нескольких температурных контуров отопления и ГВС. В летнее время ТН, оборудованный дополнительными устройствами, может работать как рекуперационная установка или центральный кондиционер, подогревать воду в бассейне. Автоматика также должна обеспечивать включение дополнительных источников тепла (бивалентный режим) при падении температур – наружной, внутренней или подачи – ниже заданного значения.
Например, в моделях компании Stiebel Eltron встроенный блок управления обеспечивает приоритетное обеспечение контура ГВС, антибактериальную защиту, работу контура «теплого пола». Предусмотрены возможности подключения ПК и модема, системы учета теплопроизводительности и COP, нагрев воды для отопления до 60 °C и включение при необходимости дополнительной электрической системы подогрева мощностью 8,8 кВ.
Воздушные тепловые насосы
За время кризиса продажи чиллеров в России сократились примерно вдвое, а сплит-систем – в три раза. В это «падение», естественно, вошли и реверсивные сплит-системы. (некоторые модели реализуют не традиционные для них схемы «воздух–воздух», но и «воздух–вода» – отопительные системы с жидким теплоносителем). Занять образовавшуюся нишу теплоснабжения могут воздушные ТН, эффективные при низких отрицательных температурах среды. Но их эксплуатация требует соблюдения ряда условий. Например, высокой надежности теплоснабжения – незначительного падения теплопроизводительности при температуре воздуха ниже –5 ˚С.
Для устойчивой работы таких ТН необходимы: подогрев картера компрессора; средства для удаления из внешнего блока конденсата и наледи; возможность регулирования в зависимости от наружной температуры интенсивности теплосъема внешним блоком.
Практически все эти модели оборудованы инверторными электродвигателями, алгоритмы работы которых – оригинальные, фирменные продукты. Последнее время появляется много новых моделей, предназначенных для зимнего теплоснабжения помещений, – нет уже практически ни одного известного бренда, в программе поставок которого не присутствовало бы такое оборудование. Часто оно ассоциируется с обычными сплит-системами. Поэтому от него необоснованно ожидают тех же неприятностей, которые обычно сопровождают эксплуатацию сплит-систем при низкой температуре воздуха.
В настоящее время появившиеся в России воздушные ТН анонсированы для работы на обогрев при температуре среды до –25 °С. Но температура ожижения фреона R410A при атмосферном давлении около –52 °C. И если при использовании воздушных ТН в северных регионах страны еще можно вести речь о каких-то ограничениях, связанных с низкой (ниже – 30 ˚С) внешней среды, то для средней полосы причин для таких ограничений нет.
Действительно, с понижением наружной температуры эффективность (COP) воздушных ТН снижается, причем есть температурный порог – минимум, ниже которого нет смысла их применять. Но до каких именно пороговых температур современные воздушные ТН могут сохранять работоспособность, пока официально не зафиксировано. Поэтому и потребителям сложно принять обоснованное решение об установке такой, сравнительно новой для отечественного рынка, техники.
По исследованиям, нижняя граница для применения воздушных ТН (COP ≥ 1) находится в районе ниже – 30 °C. Такой температурный порог позволяет говорить о потенциальной возможности применения этих установок и в северных регионах России. Это подтверждается проведенным в Норвегии исследованием, показавшем, что в умеренно холодном регионе использование воздушных ТН позволяет сэкономить почти на 20 % больше энергии, чем в теплом – там меньше период использования ТН для отопления. Обычно такие ТН, позиционируемые как основные отопительные системы, комплектуются дополнительными источниками тепла – ТЭНами или котлами, включающимися лишь при пиковом теплопотреблении, в очень холодные периоды.
Например, ТН компании Heliotherm мощностью 6,3–20,7 кВт используется для моноэнергетического и бивалентного (с дополнительным источником тепла) режимов в системах отопления и ГВС. Испаритель в алюминиевом корпусе расположен снаружи. Применение технологии dsi-Technik (электронное регулирование температуры теплоносителя) позволяет снизить эксплуатационные расходы и повысить надежность. А вентилятор с серповидными лопатками обеспечивает низкий уровень шума.
Низкотемпературные тепловые насосы (нагрев теплоносителя до 58 °C), работающие по схеме «воздух-вода» серий LA/ LI компании Dimplex (Германия), рассчитаны на установку как снаружи (серия LA), так и внутри помещения (серия LI) и предназначены для отопления ГВС. Рабочий диапазон температуры окружающего воздуха – от –25 до 35 ˚C. Модели серии LI комплектуются воздушным рукавом, отклоняющимся на 90°. Низкий уровень шума обеспечивается осевым вентилятором; энергосберегающее размораживание – обратной циркуляцией. ТН комплектуются встроенными компонентами для подключения обогревающего контура, расширительным баком, циркуляционным насосом, перепускным клапаном, системой безопасности. Имеется также буферный резервуар емкостью 50 л и электрический ТЭН мощностью 2 кВт. Модели серии LA (наружная установка) могут нагревать воду до 75 ˚C, а реверсивные – также работать в режиме кондиционирования.
В ТН серии Ice Stick шведской компании Octopus применяется теплоноситель R 290-Gasol (пропан) с температурой кипения при атмосферном давлении –42 ˚С (при его повышении – температура конденсации 64 ˚С). Тепловая мощность установок – 12–30 кВт, максимальная температура нагрева теплоносителя – 55 ˚С, масса – 105–115 кг.
Реверсивные сплит-системы
Широкое распространение современных энергоэффективных сплит-систем привело к мысли о возможности использования их по обратному термодинамическому циклу – переносу тепла в помещение. Энергия при этом берется из окружающего воздуха и передается либо воздуху в помещении (ТН «воздух–воздух»), либо теплоносителю (модели, реализующие схему «воздух–вода»).
Большинство представленных на отечественном рынке сплит-систем с функцией обогрева позиционируется как источники теплоснабжения в межсезонье, эффективные до температур –5–0 ˚С. При отрицательных температурах ниже –10 …–15 ˚С обычно необходимо применять дополнительные источники теплоснабжения – ТЭНы или котлы.
Но разработаны и модели, адаптированные к зимним условиям. Например, наружный блок некоторых моделей, предназначенных для эксплуатации при низких температурах окружающего воздуха, может оснащаться системой парожидкостной инжекции хладагента, обеспечивающей теплоснабжение при низких температурах наружного воздуха.
Допустимая для эксплуатации кондиционера в режиме ТН температура окружающего воздуха напрямую зависит от эффективности компрессора. Так, минимальная температура для инверторных кондиционеров FTXG-E/RXG-E производства компании Daikin (Япония) составляет –15 °С, а неинверторных – –10 °С. (Мощность охлаждения–нагрева инверторного кондиционера можно изменять за счет частотного регулирования работы привода компрессора, уменьшая потребление электроэнергии примерно на 30 %.)
Сплит-системы японской компании Toshiba рассчитаны на обогрев при температуре окружающей среды до –15 °С, инверторные модели корейских фирм LG эффективны до –15 °С, неинверторные – до –10 °С, Samsung (модели Monte) – до –15 °С. Существуют и сплит-системы, рассчитанные на работу при более низкой температуре. Например, модели серии FTXR-E/RXR-E (компания Daikin) работают при наружной температуре до –20 °С, японские Premium XH, Cut Out и Air Exchanger (Hitachi) – также до –20 °С. А сплит-системы серии Zubadan компании Mitsubishi (Япония) – даже до –25 °С (гарантированный диапазон рабочих температур при отоплении –25–15 и –10–46 ˚С – при охлаждении). Компания позиционирует это оборудование как ТН, предлагая его для обогрева помещений.
При температуре наружного воздуха ниже +5 °С внешний блок кондиционера может покрыться слоем инея или льда, что приводит к ухудшению теплообмена или даже к поломке вентилятора. Предотвратить это может такая функция, как автоматическое размораживание. Система управления следит за условиями работы кондиционера и в случае риска обледенения периодически запускает его на 5–10 мин. в режиме охлаждения без включения вентилятора внутреннего блока, при этом теплообменник наружного блока нагревается и оттаивает.
Кондиционеры-рекуператоры и ГВС
Сплит-система, работающая в режиме ТН, может нагревать не только воздух в помещении, но и воду. А при кондиционировании воздуха хладон (фреон) нагревается до 70 °С. Сравнительно недавно на рынке появились приборы, в которых эта энергия используется для отопления или ГВС.
Такие сплит-системы, в основном канального или зонального типов, называются «кондиционеры с функцией ГВС». Они имеют емкость, в которой аккумулируется вода, нагреваемая хладоном в теплообменнике. На рынке представлены в основном модели средней мощности, пограничные с полупромышленным сегментом (при работе на охлаждение – 10 кВт), но появляются такие кондиционеры, относящиеся уже и к чисто бытовому сектору.
Компанией Ruud (США) разработаны серии кондиционеров и чиллеров SSQ. Они могут одновременно с созданием комфортной атмосферы в помещении, обеспечить нужды ГВС. Для более экономичной работы блок имеет возможность ступенчатого регулирования. Кондиционеры с производительностью по холоду 10,2–81,0 и теплу 11,2–87,0 кВт могут реализовывать схемы работы: «Охлаждение», «Нагрев», «Только ГВС», «Охлаждение и ГВС», «Нагрев и ГВС». В качестве дополнительного, пикового источника теплоснабжения предусмотрен встроенный двухконтурный газовый котел, включающийся при температурах наружного воздуха ниже –10 °С.
Кондиционеры с рекуперацией тепла SHRM (Super Heat Recovery Multi) компании Toshiba, относящиеся к новому типу трехтрубных, можно считать ступенью развития зональных VRF-систем. Так, если в обычном кондиционере все внутренние блоки работают на охлаждение или на обогрев, то трехтрубные позволяют дополнительно экономить энергию, совмещая процессы кондиционирования и нагрева.
Трехтрубная система позволяет каждому внутреннему блоку работать в собственном режиме: одним – охлаждать, а другим – обогревать. За счет рекуперации тепло, забираемое из охлаждаемых помещений, переносится туда, где требуется обогрев. Как и в описанном выше примере с холодильником в кухонной стене, обогрев одного помещения (или нагрев воды для ГВС) происходит за счет охлаждения другого. Для реализации такой схемы в систему кондиционирования добавляются устройства FS (Flow selector – распределители потоков) – компактные модули с электронными клапанами, регулирующими работу теплообменника внутреннего блока. К FS подводятся три трубы, а выходят из него уже две трубы, подключаемые к внутренним блокам. Для каждого из них требуется отдельный распределитель потоков. В зависимости от числа внутренних блоков, работающих на охлаждение или обогрев, система выбирает приоритетный режим функционирования внешнего блока и осуществляет распределение потоков хладона.
Трехтрубные системы кондиционирования могут работать как в режиме только охлаждения, так и 100 % обогрева, но в этом случае их энергоэффективность будет несколько меньше, чем у стандартных, – за счет более сложной сети и дополнительных элементов. Однако такие «стопроцентные» режимы в среднем занимают не более 1/5 общего времени работы кондиционера. Все остальное время потребитель может экономить до 50 % электроэнергии за счет рекуперации тепла. FS-распределитель весит 5 кг и не требует отвода дренажа. От внутреннего блока он может монтироваться на расстоянии до 15 м.
Недавно компания Toshiba приступила к производству усовершенствованной серии систем с рекуперацией тепла. Построенные по модульному принципу, они могут включать в себя три внешних блоков и до 48 – внутренних. Суммарная мощность внешних блоков – 84 кВт, каждый из них комплектуется двумя идентичными, независимыми инверторными компрессорами двухроторного типа.
Компания Gree Electric Appliances (Китай) предложила отечественным потребителям мультизональную систему Home-GMV с инверторным компрессором и функциями кондиционера–водонагревателя. Наибольшая энергоэффективность ее работы обеспечивается при одновременной работе в режиме охлаждения воздуха и ГВС. Это стало возможным благодаря гидромодулю, включающему в себя теплообменник «хладон/вода» и насос. В теплообменнике хладон отдает энергию, нагревая воду до 60 °С. По расчетам конструкторов использование ТН для ГВС делает систему в четыре раза более экономичной, чем с электрическим нагревателем, а при одновременном охлаждении воздуха – в шесть раз. Компания разработала четыре модификации наружных блоков мощностью 10–16 кВт. Внутренние блоки могут быть настенными, напольно-потолочными, кассетными и канальными. Их холодопроизводительность – от 2,2 до 14,0 кВт. Система эффективно функционирует при наружной температуре –15–48 °С. При более низкой температуре необходимо использование встроенного в бак-аккумулятор электронагревателя.
Компания Mitsubishi также выпускает установки для нагрева воды. Например, PWFY-P100-E-BU с теплопроизводительностью 12,5 кВт (электрическая мощность 2,48 кВт), расходом воды 0,60–2,15 м3/ч и температурой на выходе – до 70 °С. Установка рассчитана на использование в системах с утилизацией тепла, например City Multi R2. Температура наружного воздуха может изменяется в диапазоне –20–32 °С.
Т. Сергеев
Журнал "Аква-Терм" №2, 2012