1. Введение

Рано или поздно, но все владельцы частных домов сталкиваются с вопросом ремонта устаревающих конструкций и инженерных коммуникаций. Среди всего прочего, встает вопрос и о замене отопительного котла. Технологии стремительно развиваются, рынок насыщен альтернативными источниками отопления, рекламные буклеты пестрят соблазнительными показателями экономичности и человеку без профильного инженерного образования, достаточно сложно проанализировать большой массив данных чтобы сделать оптимальный для себя выбор. Данная публикация, написана чтобы разъяснить основные аспекты и обозначить те факторы, на которые стоит обратить внимание владельцу частного дома при выборе отопительного оборудования. В общем виде, мы рассмотрим сценарий замены газового котла на гибридный, комбинированный тепловой насос вода-воздух + газ.

2. Газовый котел

С заменой газового котла все обстоит достаточно просто. Если температура в доме во время отопительного сезона была комфортная, то главное на что стоит обратить внимание, это чтобы совпадала тепловая мощность и температурные режимы теплоносителя.

Если котел не справлялся с нагрузкой, то стоит обратиться за помощью к инженеру-теплотехнику что бы он пересчитать теплопотери ограждающих конструкций, размеры и тепловую мощность нагревательных элементов, температурные режимы теплоносителя и гидравлические характеристики сети.

Если котел работал с низкой эффективностью и потреблял много газа, возможно, что он был подобран с большим запасом по мощности. Газовые котлы достигают своей эффективности, когда работают в режимах, близких к максимальной мощности. В наших климатических условиях (Рига), средняя температура наружного воздуха, во время отопительного сезона, составляет половину от максимальной. То есть, большую часть времени, котлы работают на половину от максимальной мощности. Этот негативный фактор можно снизить путем расстановки приоритетов раздачи тепла. Достаточно часто, проектировщики, суммируют все тепловые потребители: отопление, горячая водоподготовка и вентиляция. Однако, общую тепловую мощность котла можно снизить. Если, в качестве приоритета раздачи тепла выбрать инерционность системы (скорость изменения температуры среды в зависимости от изменения температуры теплоносителя), то получится следующая последовательность:

1. максимальный приоритет у вентиляции (температура воздуха изменяется сразу после изменения температуры теплоносителя);

2. проточная водоподготовка горячей воды;

3. аккумуляционная водоподготовка (бойлер);

4. высокотемпературные системы отопления (радиаторы, конвектора);

5. низкотемпературные системы отопления (теплые полы, стены, потолки).

Тепло для вентиляции надо обеспечивать постоянно из-за ее низкой инерционности.

Горячая водоподготовка требует большой мощности, но на относительно короткое время. Подогрев бойлера обычно занимает 10-20 минут. Если отключить отопление в доме на это время, то заметного падения температуры в помещениях не произойдет.

Таким образом, можно не суммировать мощности отопления и горячей водоподготовки, а выбрать только большую из них. Для этого в режиме автоматического управления необходимо задать приоритет горячей водоподготовки. Это позволит значительно снизить общую мощность котла и повысить эффективность его работы.

Следует отметить, что в момент возобновления подачи тепла в контур отопления, температура обратки может быть ниже номинально. Это может привести к кратковременному образованию конденсата в котле. Большинства современных котлов являются конденсатного типа, поэтому для них это не является проблемой.

Все вопросы, связанные с оптимизацией системы отопления необходимо решить до выбора и замена отопительного оборудования. После, эти задачи будет решить сложнее, дороже и с компромиссами.

3. Тепловой насос

3.1. Принцип действия.

Принцип работы теплового насоса такой же как у холодильника. Компрессор сжимает хладагент, который от сжатия нагревается и затем, остывая, конденсируется в конденсаторе (радиатор за холодильником). После этого, хладагент проходит через расширительный клапан, давление хладагента падает, и он закипает, испаряется поглощая тепло (испарительные трубки внутри холодильника).

3.2. Вариации.

Принцип работы теплового насоса один, а вариантов исполнения множество. Тепло от конденсатора (внутреннего блока), можно передать в помещение через воздух (большинство современных кондиционеров являются тепловыми насосами воздух-воздух), или через теплообменник нагреть воду. Холодный контур испарителя (наружный блок) может прогреваться наружным воздухом, грунтовыми скважинами, контурами в земле или водоеме. Выбор технического исполнения зависит от окружающих условий в месте установки оборудования.

3.3. Хладагент.

Эффективность работы теплового насоса во многом зависит от условий использования и параметров хладагента. Изменение температуры кипения хладагентов, существенно влияет на показатели работы теплового насоса, и как следствие на значения COP (англ. COP – сокр. от coefficient of performance).

Величина коэффициента преобразования теплового насоса зависит от разности температур кипения холодильного агента в испарителе и его конденсации в конденсаторе. Чем меньше эта разность, тем выше коэффициент преобразования.

В качестве примера, в таблице 1 приведены значения энтальпии и COP для различных фреонов при температуре 0°C на

испарителе.

4. COP

4.1. Суть параметра.

COP является одним из важнейших параметров, определяющих экономичность оборудования. Например, при значении COP=4.0, на производство 4,0 кВт тепловой энергии расходуется 1,0 кВт электроэнергии.

Значение COP не является постоянным и очень сильно изменяется в зависимости от рабочих параметров и условий использования.

4.2. Номинальные значения.

Возьмём технические данные, которые находятся в свободном доступе на сайте производителя и проведем их анализ. Гибридный тепловой насос вода-воздух + газ. Технические данные нового газового котла аналогичные старому, в них мы углубляется не будим. Рассмотрим параметры теплового насоса.

Номинальная тепловая мощность при температуре подачи теплоносителя 45°C - 6,89 кВт. Номинальная электрическая мощность в режиме обогрева - 2,01 кВт. COP=3,42.

В столбце 45°C находим значение тепловой мощности (HC) близкое у номинальному – 6,82 кВт. Рядом находится значение потребляемой электрической мощности (PI) 2.91 кВт. Фактический COP=2,34, что значительно ниже номинального. Так происходит из-за того, что на COP влияет очень много различных параметров, поэтому проще оперировать номинальными значениями при стандартных (EN 14511) значениях. Оборудование разных производителей легче сравнивать, когда значения указаны при одинаковых (стандартных) условиях.

4.3. Температурные режимы.

Для простоты восприятия, отобразим табличные данные производителя в виде графиков. Рассмотрим только крайние значения, с температурой подачи (LWC) 30°C и 55°C.

Процессы, влияющие на эти изменения отображены на термодинамической диаграмме i-lgP (для фреона R410A), а их физический смысл заключается в том, что чем ниже температура теплоносителя в системе отопления, тем эффективнее работает тепловой насос. По этой причине, при низких температурах наружного воздуха, он не может стабильно работать.

Сравнив потребляемую электрическую мощность при LWC 55°C и при LWC 30°C. При LWC 55°C она на 35-40% больше. Температура теплоносителя в подающем трубопроводе (LWC) влияет и на значение COP. С понижением температуры наружного воздуха COP стремительно снижается. Повторюсь, что эти значения указаны производителем, а не результат математического моделирования. В реальных условиях показатели будут несколько хуже. С приближением наружной температуры воздуха к температуре испарения фреона, интенсивность кипения замедляется, что в свою очередь замедляет циркуляцию фреона в системе и падение общей производительности. В добавок к этому, испаритель периодически обмерзает, так как температура испарителя ниже точки россы наружного воздуха.

Обычно разморозка происходит путем реверсного переключения хладагента, то есть тепловой насос переключается в режим кондиционера. Длится разморозка не долго, однако в это время тепло в систему не поступает.

С повышением температуры наружного воздуха, COP стремительно растет. На графике видно, что он может достигать значений 6,1. Для этого, у вас должен быть низкотемпературный потребитель (LWC 30°C), которому необходимо 13,81 кВт тепла при наружной температуре +20°C. Такие условия практически никогда не встречаются, поэтому COP 6,1 так и остается сугубо теоретическим.

5. Тепловой баланс

5.1. Мощность и энергия.

Для инженеров разница между мощностью и энергией очевидна, но для людей не связанных с инженерией, похожие едины измерения (кВт и кВтч) вводят некоторых в заблуждение.

Требуемая тепловая мощность (кВт) всегда считается на максимальные значения. Если на улице -20°C, мощности должно быть достаточно чтобы в помещениях было 20-23°C. Понижать требуемую мощность нельзя, так как в помещениях станет холодно.

Энергия (кВтч) – это то, сколько вы потратили тепла в течении определенного времени. Например, электрический нагреватель мощностью 2,0 кВт проработал 5,0 минут. Его мощность равна 2,0 кВт, затраченная при этом энергия 0,167кВтч. Если нагреватель будет работать целый час без перерывов, то затраченная энергия составит 2,0 кВтч.

Пунктиром показаны теплопотери помещения(й) 10, 15 и 20 кВт, в зависимости от наружной температуры воздуха. Точки пересечения этих графиков показывают ту температуру наружного воздуха, при которой тепловой насос способен самостоятельно, без помощи газового котла, компенсировать теплопотери. Здесь наглядно видно, что чем больше теплопотери, тем раньше тепловой насос переключается в гибридный режим работы. Так для 20 кВт это будет около 3°C, для 15 кВт – около 1°C и для 10 кВт – примерно -5°C.

Следует обратить внимание на то, что данные параметры справедливы для случая, когда вся мощность отводится только отоплению, без учета горячей водоподготовки и вентиляции. Эти потребители будет догревать газовый котел, а значить гибридный режим включится раньше. Насколько раньше, зависит от мощности этих потребителей. На изображении 3, режим перехода с гибридного только на газ, происходит при температуре наружного воздуха около 3,5°C. В технической информации заявленные режимы работы значительно ниже. То есть тепловой насос может работать при более низких температурах воздуха, но его работа становится экономически нецелесообразной из-за стремительного снижения COP (≈до 2,1). Стоимость потребляемого тепловым насосом электричества становиться больше стоимости потребляемого газа, поэтому выгоднее переключится полностью на газ.

6. Система отопления

6.1. Тепловые режимы.

Мы уже ознакомились с тем, как температурные режимы теплоносителя влияют на эффективность работы теплового насоса. Теперь давайте рассмотрим, как эти же режимы влияет саму на систему отопления.

Наиболее распространенные температурные режимы в частных домах можно обеднить в три группы:

- низкотемпературные системы (≈30/45°C);

- высокотемпературные системы (≈80/60°C);

- комбинированные системы.

Низкотемпературные системы. Теплые полы и горячая водоподготовка.

Идеальные условия для использования теплового насоса. Температура теплоносителя в теплом полу около 35°C. Тепловой насос может работать эффективнее и при более низких температурах наружного воздуха. Система очень инерционная, что хорошо, потому что она долго остывает без подвода тепла и плохо, потому что долго прогревается после возобновления подачи теплоносителя.

Горячая водоподготовка будет очень эффективно работать летом и в межсезонье. В морозы, часть нагрузки будет обеспечивать газовый котел или электрические нагреватели в комбинированном бойлере.

Для подогрева приточного воздуха в вентиляционной системе, нагреватель может использоваться только как второстепенный (когда нет нагрузки на отопление) или летом в осушителе воздуха.

Высокотемпературные системы. Радиаторы, горячая вода, вентиляция.

Это наихудшие условия для использования теплового насоса. Температурные режимы системы отопления 80/60°C или 70/60°C тепловой насос обеспечить не может. Работать он будет только в начале и в конце отопительного сезона, когда теплопотери дома не большие.

Горячую водоподготовку, тепловой насос сможет обеспечить практически круглый год, за исключением сильных морозов. Если у вас большое потребление горячей воды, установка теплового насоса будет работать эффективнее.

Если в теплоузле есть возможность подать на нагреватель воздуха в вентиляционной установке 80°C, то нецелесообразно для этого использовать тепловой насос. Из-за низкой температуры теплоносителя калорифер вырастит в размерах, что повлечет увеличения сопротивления и потребляемую вентилятором мощность. Увеличит риск заморозки калорифера и количество отказов и остановок оборудования, связанных с температурой приточного воздуха.

Комбинированные системы.

Комбинированные системы объединяют в себе низкотемпературные и высокотемпературные режимы теплоносителя. Основным является высокотемпературный контур, к которому подключен смесительный узел понижения температуры для теплого пола. Целесообразность установки теплового насоса в комбинированных системах отопления зависит от общей мощности низкотемпературного контура. Например, если теплые полы только в ванных комнатах, то вряд ли это будет экономически обоснованно.

6.2. Температурный напор.

Тепловая мощность, отдаваемая отопительным элементом в помещение, зависит от его размеров температуры поверхности. Производя замену отопительного котла, необходимо сохранить температурные режимы теплоносителя.

Поясню на примере 22 радиатора, высотой 500 мм и мощностью 1000 Вт. При температурном режиме 80/60°C и температуре в помещении 23°C, температурный напор будет 46,28°C. Радиатор шириной 800 мм обеспечит требуемую мощность теплоотдачи. Во втором варианте, понизим температурный режим до 45/40°C. При той же температуре в помещении 23°C, температурный напор составит только 19,4°C. В этом случае, вместо 800 мм, потребуется радиатор длиной 2600 мм. Если понизить температуру теплоносителя без изменений в системе отопления, то радиатор из нашего примера, вместо 1066 Вт, сможет отдать только 336 Вт.

6.3. Гидравлика.

Этот раздел относится к тем, кто еще стоит перед выбором системы отопления. В установленной системе уже поздно менять температурные режимы. Температурные режимы влияют на размеры трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры, насосов точно так же, как на размеры отопительных элементов. Так, например, через трубу диаметром 16мм, при температурном режиме 80/60°C, можно передать тепловым приборам 10 кВт тепловой мощности. Понизив ∆Т до 5°C (45/40°C), без увеличения скорости и сопротивления системы при существующих насосах – только 2,5 кВт. Для того, чтобы передать 10 КВт при ∆Т 5°C, диаметр трубопровода надо увеличить до 32 мм, а расход теплоносителя с 0,12 до 0,48 л/с. Увеличение размеров всей системы, это достаточно существенное её удорожание.

7. Экономическое обоснование

Из сравнительного анализа технико-экономических параметров можно сделать следующие выводы:

- Простая замена старого газового котла на новый с лучшим КПД, позволит сэкономить 460 €/год. При его стоимости 1500-2000 евро, он окупится за 3-4 года.

- Замена старого котла на гибридный, позволит сэкономить немного больше - 605€/год, но при стоимости 7000-10000 евро, окупаться он будет 11-16 лет.

- Замена исправно работающего котла с КПД 0,9 – не окупится никогда.

8. Выводы

8.1. Газ + тепловой насос.

Эффективное использование тепловых насосов возможно в достаточно ограниченном сегменте эксплуатации. Современные газовые котлы достаточно эффективны, автономны, надежны и способны обеспечить высокий уровень комфорта для пользователя.

8.2. Твердое топливо + тепловой насос.

Мы не рассматривали эту комбинацию тепловых насосов, но их стоимость за установку можно обосновать повышенным комфортом. Меньше работы с загрузкой топлива и чисткой. Меньше перепады температур в помещениях, автономность, удобство. Экономически это не обоснуешь, но, если клиент готов платить за свой комфорт, у него есть возможность его получить.

8.3. Тепловой насос Воздух-воздух.

Одно из самых простых и эффективных устройств. Способен работать с максимально возможным показателем COP.

8.4. COP.

Показатель COP – величина переменная и зависит от условий эксплуатации и окружающей среды.

8.5. Эксплуатация

Приобретая гибридный тепловой насос, вы приобретаете два отопительных прибора. С одной стороны, это хорошо, так как есть резервный источник тепла. С другой – плохо, так как больше механизмов увеличивают вероятность поломок, а соответственно расходы на сервисное обслуживание и сопутствующий аварийный ущерб.

8.6. Стоимость системы отопления.

Ниже температурные режимы теп лоносителя - дороже система отопления.

8.7. Проект.

Тепловой насос не требует согласования проекта. Прост в установке. Занимает мало места. Не требует отдельного помещения.

Правда все это только в том случае, если он не комбинированный.

8.8. Экономические показатели.

Универсальных решений нет, и тепловой насос не исключение. Экономическую целесообразность установки гибридных установок необходимо рассматривать с системой отопления в целом и для каждого конкретного случая отдельно.