Модернизация системы отопления с применением теплового насоса «воздух-вода»
Опубликовано: 22 января 2020 г.
1134
Автор: Станислав Митюшин
При отсутствии возможности подключения к магистральному трубопроводу природного газа, часто выбирается вариант организации системы автономного отопления с котлом, работающим на дизельном топливе. Однако не всегда пользователи остаются этим довольны в процессе эксплуатации. В таком случае замена теплогенератора системы на тепловой насос может стать удачным решением.
Предпосылки модернизации
Установка и использование жидкотопливного котла при отсутствии газоснабжения обосновывается рядом преимуществ, главным из которых является значительная автономность системы отопления. Завоз и хранение топлива обеспечиваются потребителем. Не требуется подводки газа, выполняемой газовыми службами, а также каких-либо согласований на установку жидкотопливного котла.
Использование жидкотопливного котла или так называемого двухтопливного считается целесообразным и в том случае, когда в обозримом будущем ожидается подводка магистрального газа. Это оправдывает возможность перевода жидкотопливной системы отопления на газ без замены теплогенератора. Большинство жидкотопливных котлов успешно эксплуатируются и на природном газе.
Однако существуют и недостатки и, прежде всего, относительно высокая стоимость дизельного топлива. Практика показывает, что на отопление жидкотопливным котлом офисного здания площадью 300 м2, расходуется 6-7 т дизельного топлива за сезон. Учитывая его стоимость, эффективным и экономичным такое решение назвать нельзя. Кажется очевидным, что переход на магистральный газ, при появлении такой возможности, самый экономически целесообразный шаг в сторону сокращения финансовых затрат на отопление, но первоначальные затраты на его подключение сказываются на оправданности этой процедуры не в лучшую сторону. В конкретном случае, ставшим причиной и основой для написания этой статьи, подключение магистрального газа оценочно обходилось в 800-900 тыс. р., не считая стоимость газового оборудования. В общем случае, как уже сказано выше, затраты при переходе на газ могут быть снижены, если пользователь заранее приобретает такой дизельный котел, в котором переход заключается в замене навесной горелки. Однако менять горелку все равно придется.
Надо упомянуть и то, что для успешной работы системы отопления с жидкотопливным котлом в автономном режиме для обогрева, например, загородного дома, необходима организация хранилища топлива.
С учетом всего вышесказанного, было принято решение обеспечить климат офисного здания площадью 300 м2 с использованием воздушного теплового насоса, который бы в летний период обеспечил кондиционирование, а в зимний – отопление здания.
Главным преимуществом этого оборудования является высокий коэффициент преобразования COP, показывающий сколько киловатт тепла производит данный прибор на один истраченный киловатт электроэнергии. Это коэффициент для воздушных тепловых насосов класса энергоэффективности А превышает 3,6. Правда, COP данного прибора пропорционален температуре наружного воздуха, из которого тепловой насос забирает тепло, но падать по-настоящему сильно коэффициент преобразования начинает только при температуре ниже –25 ºC. Однако даже и при такой температуре тепловые насосы обеспечивают потребность объекта в тепле, пусть и с меньшей эффективностью.
Выбор оборудования
Первый параметр, который необходимо учесть при выборе модели теплового насоса, это номинальная теплопроизводительность. При этом следует помнить, что при снижении температуры воздуха на улице полезная тепловая мощность воздушных тепловых насосов имеют тенденцию к снижению. Эти показатели и показатели температуры воздуха на улице, при которой тепловой насос обеспечивает отопление, производитель приводит в технической документации к тепловым насосам.
Как правило, большинство моделей воздушных тепловых насосов эффективно работает до -15 ºС, наиболее технически совершенные модели обеспечивают отопление до -22/-25/-30 ºС на улице. Поэтому при подборе делаются допущения. Для этого учитываются теплопотери (температура наружного воздуха/температура в отапливаемом помещении, ºС) не максимальные (-28/+22), а половинные (-15/+22). Максимальные теплопотери в средней полосе РФ как правило наблюдаются на протяжении 7-10 дней из 6 месяцев отопительного сезона. В этот период настоятельно рекомендуется использовать в помощь к тепловому насосу дополнительный источник отопления – электрические и дизельные котлы, или выбирать модель, которая оборудована встроенными ТЭН для обеспечения комфорта в режиме максимальных теплопотерь. Такое решение позволяет сэкономить при приобретении теплового насоса, а прямой электрический нагрев не приведет к существенным финансовым потерям, так как будет востребован всего 7-10 дней в году.
Для энергоэффективных домов считаются нормальными коэффициенты теплопотерь (для высот помещений до 2,5 м, с площадью остекления не более 5-7 % от площади ограждающих конструкций) – 40-50 Вт/м² (-28/+22). При таких коэффициентах суммарные теплопотери для дома площадью 150 м² оставят 6-7,5 кВт. Для того чтобы учесть возможное движение (открытие входной двери при заходах и выходах) с потерями теплого воздуха через вытяжки и неплотности, надо добавить еще 10-15 % коэффициента запаса. Вместе с этим требуемая мощность теплового насоса составит 6,9-8,6 кВт. На основе полученного результата можно по графику зависимости тепловой мощности воздушного теплового насоса от температуры наружного воздуха выбрать модель необходимой производительности.
Кроме подбора модели по теплопроизводительности, следует учесть мощностные возможности подключения к электрической сети. Максимальную потребляемую мощность моно найти в паспорте прибора. В случае выбора прибора со встроенными ТЭН следует проверить входит ли потребление ТЭН в эти данные, или они указаны отдельно и следует их прибавить. Кроме того, приборы бытовой серии (малых мощностей) отличаются в зависимости от модели по подключениям - есть модели с трех-фазным подключением, есть с однофазным.
Для моделей без встроенных ТЭН-ов основное потребление мощности приходится на наружный блок. Внутренний блок в этих моделях потребляет менее 200 Вт. У моделей со встроенным ТЭН-ом дополнительные электрические нагреватели смонтированы во внутреннем блоке, поэтому придется также учитывать подключение соответствующей мощности и к внутреннему блоку. Подключение трехфазных моделей наиболее корректно с точки зрения равномерного распределения нагрузки по фазам.
В описываемом случае, в здании площадью 300 м2 изначально была обустроена система водяного радиаторного отопления, поэтому к зимнему сезону смонтировали и запустили тепловой насос «воздух-вода» Viessmann Vitocal 100 (тепловой мощностью 12 кВт).
Выбор типа теплового насоса («воздух-вода») в данном случае, был сделан исходя из минимальных трудозатрат при установке прибора в процессе модернизации системы отопления. Для моделей данного типа не требуется бурения скважин, и рытья траншей при закладке грунтовых зондов. Не происходит деградация почвы, не требуется иных связанных с земляными работами и подземными коммуникациями работ и согласований. Для отопления используется тепло окружающего воздуха.
Особенности монтажа наружного блока
Тепловой насос воздух-вода представляет собой сплит-систему из двух блоков – наружного и внутреннего, соответственно. Наружный блок принципиально и внешне мало отличается от общепринятого понимания «наружный блок кондиционера» (рис. 1). При его монтаже следует обратить внимание на такие особенности, как – использование виброопор, наличие демпфирующей петли трасс фреонопроводов, а также на высоту установки блока от земли.
Рис. 1 Наружный блок теплового насоса
Часть этих особенностей монтажа обусловлена работой наружного блока в морозы. Из-за содержащейся в наружном блоке влаги, во время его работы при отрицательных температурах воздуха на наружном теплообменнике периодически происходит образование ледяной корки. Внутренняя автоматика блока в этой ситуации кратковременно производит переключение блока в обратный режим, при котором, кратковременно используя обратный цикл. С использованием теплоты, забираемой из внутренней среды помещения, производится нагрев наружного теплообменника, и ледяная корка тает, освобождая его соты. В этом режиме в значительном количестве образуется конденсат, который стекает на поверхность под блоком. Данное обстоятельство и обуславливает, как высоту от земли до блока (желательно 50-70 см), так и необходимость приспособлений для утилизации данной влаги в зимнем режиме – использование кабельного подогрева лотка и размещение ливнеприемника под наружным блоком теплового насоса. Всё это желательно предусмотреть в рамках общестроительных, подготовительных работ.
Особенности монтажа внутреннего блока
Внутренний блок представляет из себя устройство, внешне похожее на настенный котел. Дизайн и компактные габаритные размеры подразумевает возможность его размещения в любом помещении. Однако при выборе места монтажа внутреннего блока следует руководствоваться не столько дизайнерскими идеями, сколько техническими особенностями оборудования.
Внутренний и наружный блоки соединены между собой медными трассами фреонопроводов. Учитывая, что медные трубки требуют соблюдения определенных правил прокладки, а также в какой-то мере являются проводниками вибраций от работы компрессора наружного блока, следует досконально продумать каким образом пройдет соединительная трасса между блоками. Основополагающими в описываемом случае являются два момента – длина фреонопровода между блоками не должна была превышать 10 м (наружный блок поставляется заправленным фреоном и дополнительной заправки в этом случае не потребуется), а также перепад высот между размещением блоков не должен быть более 5 м (в случае превышения необходимо при монтаже соединительных трасс между блоками предусматривать маслоподъемные петли на фреонопроводах).
Между внутренним и наружным блоком также прокладывается соединительный LON-кабель, который желательно приобрести в оригинальном исполнении. Как правило, используется 15 м исполнение, но возможно и меньше.
Рис. 2 Внутренний блок теплового насоса
Во внутреннем блоке смонтированы (рис. 2): трехходовой вентиль, переключающий режим работы прибора – отопление или ГВС (при подключении косвенного водонагревателя), насос контура теплоносителя, клапан избыточного давления водяного контура, расширительный бак системы водяного контура, модули контроллера и автоматики управления. Из внутренних устройств теплового насоса – теплообменник фреон-вода, соединительные трубопроводы. Изначально подключение водяного контура – средняя труба – общая «обратка» (отопление и нагрев косвенного водонагревателя), правая – подача отопление, левая – подача на нагрев косвенного водонагревателя. Подключение фреонопроводов и ввод электропроводки.
Рис. 3 Антивибрационная петля фреонопровода на наружном блоке
Уменьшение вибрации при работе теплового насоса достигается применением антивибрационной петли фреонопроводов (рис. 3) при монтаже наружного блока и антивибрационных опор наружного блока. Вибрация передается также по медным фреонопроводам, поэтому при крепеже и прокладке фреонопроводов, в местах пересечения со стенами и перекрытиями, следует также предусматривать антивибрационные мероприятия для исключения контакта фреонопроводов и строительных конструкций в жестком исполнении. В отличии от геотермальных тепловых насосов, у моделей воздух-вода компрессор размещен в наружном блоке, что также снижает уровень шума внутри здания.
Подключение к электросети
Наружный и внутренний блоки подключаются к электрической сети отдельно. Между блоками прокладывается кабель связи-управления LON, по которому и происходит «общение-управление» между двумя блоками. Основная панель управления всей установкой смонтирована во внутреннем блоке. Это и есть сердце отопительной установки. Встроенный в тепловой насос контроллер Vitotronic 200 позволяет управлять не только работой насоса, но и практически всей другой задействованной климатической техникой, осуществляющей вентиляцию, ГВС, нагрев теплоносителя буферных емкостей (рис. 4).
Рис. 4 Контроллер
Во избежание отказов электроники управления вследствие скачков напряжения (что не редкость в российских условиях эксплуатации) желательна установка на входе стабилизатора, а для трехфазных моделей также и установки отключающего устройства в случае пропадания или перекоса фаз. Стоимость ремонта подчас будет сопоставима со стоимостью нового теплового насоса.
Для учета затрат при эксплуатации теплового насоса можно установить дополнительный щиток с электросчетчиком и прибором, индицирующим мгновенные показатели расхода электроэнергии. Это также позволит лучше понимать режимы работы и более тонко настраивать температурные режимы отопительной установки в целом.
Особенности подключения водяного контура.
Как уже говорилось выше, при низких температурах воздуха на улице, на наружном теплообменнике происходит образование ледяной корки. Периодичность и скорость ее нарастания обусловлены параметрами окружающей среды (температура воздуха и влажность), а также режимом работы установки и ее производительностью. Для устранения ледяного нароста встроенная в наружный блок автоматика периодически запускает цикл разморозки теплообменника – в этом режиме тепловой насос переключается из режима передачи тепла внутрь здания в режим разморозки, при котором используется тепло внутренней системы отопления. Это кратковременный процесс и не влечет заметных потерь тепла из помещения, однако требует определенных дополнительных элементов в обвязке водяного контура теплового насоса, которые обычно не предусматриваются. Компания Viessmann, оборудование которой использовано в данном случае, обязывает монтажную организацию использовать в паре с тепловым насосом буферную емкость (для каждой модели прописан минимальный объем данной емкости). В рассматриваемом случае это буферная емкость настенного монтажа объемом 46 л (рис. 5).
Рис. 5 Настенная буферная емкость, смонтированная рядом с внутренним блоком теплового насоса
Буферная емкость должна обеспечивать циркуляцию теплоносителя даже в режиме выключенных насосов-потребителей, поэтому монтируется с перепускным клапаном между подающей трубой отопления и «обраткой» теплового насоса, или, как в нашем случае, при наличии в схеме гидравлического разделителя в контуре гидравлического разделителя на обратной линии последовательно перед обратной линией внутреннего блока теплового насоса.
Монтаж фреонопроводов
Работы по монтажу контуров фреонопровода (рис. 6) практически не отличаются от подобных работ при установке сплит-системы обычного кондиционера. Диаметры трубопроводов указываются в паспорте прибора, в нашем случае это 10 и 16 мм (3/8 и 5/8"). Теплоизоляцию трубопроводов, размещенных снаружи здания, необходимо предусматривать в более усиленном варианте - желательно каучуковая теплоизоляция толщиной стенок от 10 мм и выше.
Рис. 6 Наружный блок теплового насоса с отходящими от него медными фреонопроводами
Использование усиленной теплоизоляции внутри здания необходимо, в первую очередь, для снижения уровня проникновения к строительным конструкциям вибраций, передающихся от компрессора наружного блока по трубопроводам. В обязательном порядке следует использовать антивибрационные крепления трубопроводов и при поворотах/прохождении стен и перекрытий специальные глушащие вибрации вставки для исключения жесткого контакта трубопроводов и конструкций, что помогает в борьбе с шумом и вибрациями и продляет срок службы фреонопроводов – при постоянной вибрации возможно перетирание стенок, потеря герметичности.
Первоначальная заправка наружного блока фреоном (в состоянии заводской поставки) не требует дополнительной заправки в случае, когда протяженность фреонопровода не превышает 10 погонных метров.
Статья из журнала "Аква-Терм", № 3/2019. Рубрика "Мастер-класс"
