Системы <span>VRF</span>
<span>Дата</span> центры
Чиллеры
Аудит <span></span>

Воздушное отопление дома

с помощью тепловых насосов.

Автор: Брух Сергей Викторович.


Все привыкли, что кондиционер – это прежде всего источник холода. Он может работать на тепло, но недолго – в переходный период, когда уже прохладно, но отопление еще не включили. Мысль использовать кондиционер как основной источник отопления кажется преступной большинству специалистов по кондиционерам. «Отопление кондиционером – это для южных стран и Сочи». А между тем это утверждение – просто сила привычки. В статье мы расскажем, как использовать современную систему кондиционирования Mitsubishi Heavy Industries в качестве ОСНОВНОЙ системы отопления в ЛЮБОМ климате.


Но для начала зададим вопрос – а какая основная проблема возникает при попытке обогрева помещений с помощью воздушного теплового насоса? Все знают, что эта проблема – снижение производительности на тепло при снижении температуры наружного воздуха. При том возникает некоторый диссонанс – чем холоднее на улице, тем больше требуется тепла на обогрев здания. И одновременно, тем меньше выдает тепла наш кондиционер, КПД теплового насоса также снижается. Для нормальной и эффективной работы теплового насоса нужен источник тепла с температурой хотя бы минус 10С, а лучше еще выше.


Какие есть варианты:

Грунтовый тепловой насос1. Тепло земли. Температура грунта ниже глубины промерзания никогда не опускается ниже +5С. Поэтому можно выкопать котлован или сделать скважины, и разместить там трубопроводы с хладагентом. Это жизнеспособная схема, только очень дорогая. К тому же не везде есть возможность проведения земляных работ.

2. Незамерзающий водоем. Интересный вариант, но очень редкий в реальных условиях.

3. Наружный воздух. Идеальный источник тепла в силу доступности. Недостаток – температура опускается зимой ниже допустимых пределов -20С.

Неужели нет «идеального» источника тепла для теплового насоса? Конечно же, он есть. Но для начала рассмотрим

 

Особенности работы воздушных тепловых насосов на примере систем кондиционирования  Mitsubishi Heavy Industries.

 

При работе кондиционера зимой в режиме теплового насоса эффективность его снижается, примерно при температуре -5С тепловой коэффициент падает до единицы, и при дальнейшем снижении наружной температуры эффективнее использовать обычные электрообогреватели. Но все это было справедливо для систем кондиционирования воздуха на фреоне R22, с ON-OFF регулированием производительности компрессора. Новые системы кондиционирования  Mitsubishi Heavy Industries обладают принципиально большим температурным диапазоном использования в режиме тепла – до -20С.

Рис. 1. Схема обогрева коттеджа с помощью воздушной системы с тепловым насосом.

Рис. 1. Схема обогрева коттеджа с помощью воздушной системы с тепловым насосом.

 

Благодаря чему существенно расширен температурный диапазон?


Во-первых, это использование фреона R410A, который обладает существенно бОльшим рабочим давлением, чем фреоны R22 или R407C (табл. 1). Это приводит к тому, что при понижении температуры наружного воздуха снижается температура и давление кипения фреона в наружном блоке. Снижение давления приводит к меньшей плотности газа на всасывании компрессора, и, следовательно, к снижению его производительности. Давление фреона R410A изначально больше в 1,5 – 2 раза, чем у фреона R22, поэтому снижение производительности компрессора тоже происходит, но не так значительно.

Температура кипения

Фреон R22

Фреон R410A

- 50 С

-0,35

0,08

- 40 С

0,05

0,73

- 30 С

0,64

1,71

- 20 С

1,46

2,98

- 10 С

2,54

4,73

0 С

3,98

6,98

Табл. 1. Избыточное давление газообразного фреона в состоянии насыщения, 100 кПа.

 

Часто задают вопрос – а что будет при температуре наружного воздуха меньше -20С ? Работа кондиционера на тепло продолжится, но с меньшей эффективностью. И при температуре кипения фреона -38С кондиционер отключится по ошибке низкого давления.

Минимальное давление, при котором кондиционер отключается по защите – 0,079 Мпа

Рис. 2. Минимальное давление, при котором кондиционер отключается по защите – 0,079 Мпа, что соответствует температуре кипения фреона R410A минус 38С.

 

Во-вторых, температурный диапазон расширен за счет использование полиэфирного (POE) масла для смазки компрессора, вместо применяемого ранее минерального. Преимущества полиэфирных масел по сравнению с минеральными – лучшие смазывающие качества, меньшая кинематическая вязкость при низких температурах, меньшая температура застывания. Благодаря этому запуск компрессора при низкой температуре происходит плавно, с меньшей нагрузкой на двигатель.


В-третьих, применение DC-инверторного привода компрессора позволяет добиться высокой экономичности работы, отсутствия повышенных пусковых токов и плавности регулирования производительности даже при низких наружных температурах.


Таким образом, уже сегодня возможно использование систем кондиционирования Mitsubishi Heavy Industries для обогрева коттеджей в зимнее время. Но давайте ответим и на вопрос:

 

Насколько это экономично?

 

График производительности наружного блока при снижении наружной температуры

Рис. 3. График производительности наружного блока при снижении наружной температуры.

 

Когда кондиционер работает в режиме теплового насоса, он охлаждает наружный воздух и полученную энергию отдает в обслуживаемые помещения. Естественно, чем ниже температура наружного воздуха, тем меньше эффективность теплового насоса. Конкретные величины энергопотребления можно получить, зная коэффициент энергетической эффективности кондиционера при понижении температуры наружного воздуха (рис. 4).

 

Зависимость теплового коэффициента от температуры наружного воздуха

Рис. 4. Зависимость теплового коэффициента от температуры наружного воздуха.

 

Как следует из рисунка, тепловой коэффициент реального воздушного теплового насоса меняется от 3,8 единиц при +10С, до 2,4 единиц при -20С, и в среднем за отопительный период равен 3. Т.е. использовать новые кондиционеры на 410 фреоне в качестве системы отопления коттеджа ровно в три раза выгодней, чем обычные электрообогреватели.

 

Работа при низких температурах.


Теперь ответим на главный вопрос – что же будет при наружной температуре ниже, чем минус 20С? Рассмотрим систему отопления здания с помощью воздушного теплового насоса для города с самым экстремальным климатом в России – Якутск. К тому же город расположен на вечной мерзлоте (т.е. тепла грунта нет).

Сравнение температур

 

Глядя на расчетную температуру наружного воздуха зимой – минус 55С – становится понятно, что Якутск рекордсмен, там самый экстремальный климат для работы теплового насоса. Учитывая предельную температуру работы воздушного ТНУ минус 20С, можно сделать поспешный вывод – нельзя использовать тепловые насосы в качестве системы отопления Якутска! Но не все так однозначно.


Во-первых, давайте посмотрим на количество суток отопительного периода для различных российских городов с температурой от -20С и выше (последний столбец), т.е. допустимый период эксплуатации ТНУ. И тут делаем первый важный вывод – чем холоднее климат, тем больше суток (за сезон) будут работать тепловые насосы, тем больше энергии они нам сэкономят.

Во-вторых, главный вопрос – что же делать, если температура уличного воздуха ниже -20С и воздушный тепловой насос использовать нельзя? Ответ прост – нужно найти источник воздуха с температурой выше -20С.


Этот источник – само здание. Точнее вытяжной вентиляционный воздух. В любых зданиях есть системы вытяжной вентиляции. Где-то они естественные, где-то механические – но это для нас не важно. Важно, что здание ВСЕГДА выбрасывает воздух с температурой от +20 до +30С. Это – идеальные температурные параметры для работы воздушного теплового насоса.

Потери тепла зданием. Большая часть уходит через кровлю и с вентиляционным воздухом

 Рис. 5. Потери тепла зданием. Большая часть уходит через кровлю и с вентиляционным воздухом.

 

В любой мороз само здание является источником от 50% до 70% требуемого количества тепла.
Рассчитаем количество тепла, выбрасывемое вентиляционным воздухом (без учета влажности):


Q=L*0,278*C*p*(Tв-Тн)


L – расход вытяжного воздуха, м3/час
С – теплоемкость, 1,0 кДж/м3
р – плотность, 1,2 кг/м3 при +20С.

Расход вытяжного воздуха зависит от кратности воздухообмена помещений:


L = К*V
V – объем здания, м3
К – кратность воздухообмена
К=1-2 для жилых, 30 – 60 Вт/м2
К=2-3 для офисов, 60 – 90 Вт/м2
К=4-6 для ресторанов, 120 – 180 Вт/м2

Чем больше кратность воздухообмена, тем больше тепла выбрасывается вентиляционным воздухом, тем выше доля потерь здания от вентиляции над потерями через ограждающие конструкции.

 Схема утилизации тепла вытяжного воздуха тепловым насосом и рекуператором

Рис. 6. Схема утилизации тепла вытяжного воздуха тепловым насосом и рекуператором.

 

Как работает схема отопления, изображенная на рис. 6:


На теплый чердак здания выбрасывается вентиляционный воздух с температурой от +20С до +25С. На чердаке устанавливается наружный блок, который работает в режиме теплового насоса и охлаждает вытяжной воздух до некоторой температуры, которую мы определим по рис. 7. В качестве внутреннего блока может быть любой, например блок канального типа, как на рисунке. Внутренний блок забирает рециркуляционный воздух из жилых помещений, обогревает его до +30С и снова подает в обслуживаемые помещения. Для компенсации объема вытяжного воздуха устанавливается система приточной вентиляции с рекуператором и электроподогревом. Производительность электрокалорифера рассчитывается исходя из расчетной температуры наружного воздуха.


Чердак с одной стороны обогревается теплым вытяжным воздухом, с другой стороны охлаждается наружным блоком, работающим в режиме теплового насоса. Какая при этом установится температура – увидим на рис. 7.

График потери тепла 1 м2 здания при разной кратности воздухообмена и «холодопроизводительность» наружного блока кондиционера при работе на тепло

Рис.7. График потери тепла 1 м2 здания при разной кратности воздухообмена и «холодопроизводительность» наружного блока кондиционера при работе на тепло.

 

Линия «потери 2 крат» соответствует теплопотерям здания на нагрев вентиляционного воздуха при 2-х кратном воздухообмене на 1 м2 площади. При наружной температуре +20С и выше теплопотерь нет, при понижении наружной температуры они соответственно появляются. При расчетной температуре -55С теплопотери с вентиляционным воздухом составляют 150 Вт/м2. Теплопотери от ограждающих конструкций 45 Вт/м2. Суммарные теплопотери здания составляют соответственно 195 Вт/м2.


Теперь внимательно посмотрим, что происходит на чердаке. Наружный блок охлаждает окружающий его воздух. Чем ниже окружающая температура, тем меньше производительность наружного блока. Этот процесс соответствует линии «холод наружка FDUM140». Нам важна точка пересечения линий «потери 2 крат» и линии «холод наружка FDUM140», так как, исходя из баланса тепла и холода именно в этой точке, количество тепла, вносимого на чердак вытяжным воздухом, будет равно количеству холода, вносимого на чердак наружкой. Эта точка пересечения соответствует температуре -15С. Температура на чердаке при двукратном воздухообмене НИКОГДА НИЖЕ НЕ ОПУСТИТСЯ, потому что то количество тепла, вносимого вытяжным воздухом будет больше количества холода, вносимого наружным блоком. Эта температура НЕ ЗАВИСИТ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА. Наружный блок, свободно работающий до окружающей температуры -20С, БУДЕТ РАБОТАТЬ КРУГЛОГОДИЧНО.


При кратности воздухообмена выше 2-х, итоговая температура будет еще выше, например при 3-х кратном воздухообмене на чердаке будет -7С, при 4-х кратном -1С.

 

Рассмотрим работу системы при различной наружной температуре.

1. Температура наружного воздуха 0С. Чердак открыт. Теплопотери здания на вентиляцию и через ограждающие конструкции составляют 55 Вт на 1 м2. Производительность воздушного теплового насоса при температуре 0С составляет 120Вт/м2. Значит тепловой насос уменьшит обороты инвертора до требуемой производительности 55 Вт/м2. Тепловой коэффициент при этом, согласно рис. 4, составляет 3,2. Энергопотребление теплового насоса 17 Вт/м2.


2. Температура наружного воздуха -15С. Чердак закрывается. Теплопотери здания на вентиляцию и через ограждающие конструкции составляют 90 Вт на 1 м2. Производительность воздушного теплового насоса при температуре -15С составляет как раз 90 Вт/м2. Тепловой коэффициент при этом составляет 2,5. Энергопотребление теплового насоса 36 Вт/м2.


3. Температура наружного воздуха -30С. Чердак закрыт. Теплопотери здания на вентиляцию и через ограждающие конструкции составляют 130 Вт на 1 м2. Производительность воздушного теплового насоса при температуре -15С составляет 90Вт/м2. Тепловой коэффициент при этом составляет 2,5. Энергопотребление теплового насоса 36 Вт/м2. Рекуператор работает с эффективностью 50% и подогревает наружный воздух от -30С до -22С (20 Вт/м2). Включается электрокалорифер в приточной системе и добавляет недостающие 130-90-20=20Вт/м2.


4. Температура наружного воздуха -55С. Чердак закрыт. Теплопотери здания на вентиляцию и через ограждающие конструкции составляют 195 Вт на 1 м2. Производительность воздушного теплового насоса при температуре -15С составляет 90Вт/м2. Тепловой коэффициент при этом составляет 2,5. Энергопотребление теплового насоса 36 Вт/м2. Рекуператор подогревает наружный воздух от -55С до -35С (50 Вт/м2). Включается электрокалорифер в приточной системе и добавляет недостающие 195-90-50=55 Вт/м2.



Подведем итоги.

С теплого периода и до -15С наружного воздуха отопление здания обеспечивается полностью за счет воздушного теплового насоса. Температура на улице выше, чем температура на чердаке, поэтому чердак открыт на летне-осенний период и свободно проветривается. Начиная с -15С открытый чердак уже приносит больше холода, поэтому закрывается. Наружный блок продолжает работать только за счет тепла вытяжного воздуха. Температура на чердаке не опускается ниже -15С. На самом деле температура на чердаке будет выше, т.к. мы не учли многие дополнительные факторы – энтальпию вытяжного воздуха за счет влажности, поступления тепла через потолок, внутренние теплопоступления в здании от людей и техники и т.д. Но начиная с -15С наружной температуры мы подключаем дополнительные источники тепла, например электрокалорифер в приточной системе (или электроконвекторы в помещениях). Для уменьшения энергопотребления на этот период предусмотрена дополнительная утилизация тепла воздуха чердака. Воздух выбрасывается наружу с температурой -15С, а в приточную систему поступает -55С. Следовательно за счет рекуператора теплоты можно сэкономить около 50% и подогреть приточный воздух от -55С до -35С.

Графики энергопотребления и теплопотерь здания при при различной наружной температуре

 Рис. 8. Графики энергопотребления и теплопотерь здания при при различной наружной температуре.

 

 

Особенности при использовании кондиционера в качестве обогревателя.



Воздушный режим помещения.


При работе любого обогревателя, для равномерного перемешивания теплый воздух необходимо подавать в нижнюю зону помещения. Если этого не сделать, то может возникнуть большой перепад температур между полом и потолком. Поэтому необходимо либо внутренний блок размещать как можно ниже, либо подавать теплый воздух в нижнюю зону в области пола. В Японии уже давно принято использовать в качестве обогревателей именно тепловые насосы, поэтому классическое расположение внутреннего блока применяется именно как на рисунке 9.

Вариант интерьера жилых помещений с установкой внутренних блоков канального типа под окнами

Рис. 9. Вариант интерьера жилых помещений с установкой внутренних блоков канального типа под окнами.

 

Режим оттайки наружного блока и отвод конденсата.


При работе системы кондиционирования на тепло наружный воздух охлаждается и из него выделяется конденсат, который благополучно намерзает на наружном блоке, снижая его производительность. Для удаления этого льда система применяет режим оттайки. Насколько снижается производительность наружного блока за счет режима оттайки? Это зависит главным образом от влагосодержания наружного воздуха. Особенностью влажного воздуха является снижение влагосодержания при снижении его температуры. Поэтому снижение производительности на тепло происходит в большей степени при температуре от +5С до -10С (максимум на 14%). А при расчетной температуре -15С падение производительности составляет всего 4%, что не критично для выбора расчетной мощности системы.

Коррекция мощности наружного блока по теплу на процесс стаивания инея.

 Рис. 11. Коррекция мощности наружного блока по теплу на процесс стаивания инея.

 

Для удаления льда с наружного блока система кондиционирования включает режим оттайки, физический смысл которого сводится к кратковременному переключению кондиционера в режим охлаждения. Внутренние блоки при этом не работают, а компрессор подает фреон с температурой около 70 С на теплообменник наружного блока в течение 10 минут. Образовавшийся иней быстро тает и стекает с наружного блока. Но так как вокруг наружного блока отрицательная температура, то происходит замерзание конденсата под наружным блоком в виде огромных сосулек. Т.е. в случае использования системы кондиционирования в режиме тепла – нужно обязательно предусмотреть подогрев поддона наружного блока греющим кабелем. Также желательно сделать организованное удаление конденсата от наружного блока по дренажным трубопроводам, которые должны быть обязательно подогреваемы и в теплоизоляции.

 

Современные системы управления и автоматизации.

RC-EX1A
Современный сенсорный пульт индивидуального управления.

Новые функции:
- русский язык
- «никого нет дома» поддержание +10С
- режим ускоренного прогрева
- таймер недельный
- индикация температур на улице


Возможно управление системой через интернет или с использованием приложений (Android, iOS).



Выводы.

 

Использование новых инверторных систем кондиционирования Mitsubishi Heavy Industries (Japan) в качестве систем отопления коттеджей (а так же любых жилых зданий и гостиниц) вполне оправдано и экономично уже сегодня даже для такого города с экстремальным климатом как Якутск. Основные особенности такого вида отопления следующие:


1. Наружный блок должен располагаться на утепленном чердаке здания, куда выбрасывается весь вытяжной воздух. До -15С отопление здания полностью обеспечивается воздушным тепловым насосом. От -15С и ниже подключаются дополнительные источники тепла, но тепловой насос продолжает работать.


2. В  теплый период система работает как полноценная система кондиционирования. Стоимость универсальной системы обогрева и кондиционирования помещений ниже, чем отдельно системы отопления, вентиляции и охлаждения. На 1 м2 отапливаемой площади стоимость всей системы с монтажом составляет от 70 до 100 долл.


3. Обогрев с помощью теплового насоса очень экономичен – система в среднем будет давать 3 кВт тепла на 1 кВт потребляемой электроэнергии.


4. Энергоноситель – фреон. Значит, при любых отключениях электричества систему разморозить невозможно. Это очень важно как раз для регионов с длительным периодом отрицательной температуры наружного воздуха.


5. Источниками тепла являются: кондиционер, рекуператор, электрокалорифер. Поэтому надежность системы за счет нескольких источников тепла очень высока.


6. За счет использования электронной системы регулирования производительности система кондиционирования точно поддерживает требуемую температуру в помещениях и быстро выходит на расчетный режим.

 

Источник