Теплові насоси "повітря-вода" як допоміжне джерело в системах опалення та холодопостачання

Автор: Роман Абакумов, експерт у галузі теплогазопостачання та вентиляції

Директор та співучасник компанії ТОВ «Будспектр»

Сучасні енергетичні рішення стають дедалі важливішими в контексті збільшення витрат на енергоносії та необхідності зниження вуглецевого сліду. У цьому контексті інтерес представляє використання теплових насосів типу "повітря-вода" в системах опалення та холодопостачання. Ці пристрої забезпечують ефективну альтернативу традиційним системам обігріву, особливо як допоміжне джерело тепла.

Тепловий насос "повітря-вода": що це таке?

Теплові насоси "повітря-вода" є інноваційним рішенням для ефективного опалення та охолодження приміщень. Він складається із зовнішнього блоку, який забирає тепло з повітря, та внутрішньої системи, що забезпечує передачу цього тепла в теплоносій. Дана технологія дозволяє перетворювати енергію навколишнього повітря на теплову енергію для обігріву та охолодження будівель.

Основний механізм роботи теплового насоса базується на циклічному процесі перетворення енергії:

• Забір повітря : Зовнішній модуль пристрою оснащений потужним вентилятором, який забирає повітря з вулиці. Це повітря може мати температуру значно нижче температури, необхідної для опалення.
• Випаровування : Повітря входить у прямий контакт із випарником, де холодоагент, що у рідкому стані, поглинає тепло з довкілля і перетворюється на газоподібний стан. Цей процес можна описати рівнянням стану ідеального газу:

де:

p - тиск газу (у Паскалях),

V - обсяг газу (у кубічних метрах),

n - кількість речовини в молях,

R — універсальна постійна газова, приблизно рівна 8.314 ,

T - термодинамічна температура (у Кельвінах)

• Стиснення : Газоподібний холодоагент потрапляє в компресор, де його тиск і температура збільшуються.
• Конденсація : У конденсаторі відбувається теплообмін, під час якого холодоагент віддає тепло воді, яка потім циркулює у системі опалення. Цей процес визначає рівняння теплопередачі:

де:

Q - кількість переданого тепла (в Дж),

K – коефіцієнт теплопередачі (Вт/(м²·К)),

F — площа поверхні теплообміну (м²),

ΔT — середня різниця температур між гарячим і холодним теплоносіями (К).

• Розширення : Через розширювальний вентиль тиск холодоагенту знижується і цикл повторюється. Цей процес можна описати рівнянням Бернуллі.

Рівняння Бернуллі описує взаємозв'язок між тиском, швидкістю та висотою потоку ідеальної рідини. Воно засноване на принципі збереження енергії і може бути записано у такому вигляді:

де:

p - тиск рідини (у Паскалях),

ρ — густина рідини (в кг/м³),

v — швидкість потоку (м/с),

g - прискорення вільного падіння (м/с²),

h — висота над вибраним рівнем (метри).

Переваги використання як допоміжне джерело

• Економія енергоресурсів : У порівнянні з традиційними джерелами енергії, такими як газ або електроенергія, теплові насоси здатні значно знизити витрати. Це зумовлено високим коефіцієнтом перетворення енергії (COP), який найчастіше перевищує 3,5, що означає, що на кожен кіловат спожитої енергії виробляється до 3,5 кіловат теплової. Коефіцієнт корисної дії (COP) теплового насоса визначається як відношення виробленої теплової енергії до споживаної електричної енергії. Формула для розрахунку виглядає так:

• Пристрій може бути інтегрований в існуючу систему опалення, покращуючи її ефективність без необхідності повної заміни . Це дозволяє знизити капітальні витрати та час на встановлення.
• Екологічна стійкість : Використання повітря як джерела тепла знижує вуглецевий слід і допомагає досягати цілей зниження викидів парникових газів. Це особливо актуально в умовах глобальної зміни клімату та необхідності переходу на стійкі джерела енергії.

Чому тепловий насос "повітря-вода" не підходить як основне джерело тепла?

• Залежність від кліматичних умов : Ефективність теплового насоса залежить від температури навколишнього повітря. При значному зниженні температур у холодні зимові місяці продуктивність насосів може суттєво знижуватися.
• Пікові навантаження : В умовах дуже низьких температур теплові насоси можуть не забезпечувати необхідну потужність опалення, тому потрібна підтримка від інших, більш традиційних джерел енергії.
• Підвищені експлуатаційні витрати : У деяких ситуаціях, коли насос змушений працювати на граничних режимах, збільшується знос обладнання та можуть підвищуватись витрати на ремонт та обслуговування.

Теплові насоси "повітря-вода" є важливим доповненням до систем опалення та холодопостачання, особливо з точки зору енергоефективності та екології. Допоміжна роль дозволяє цим пристроям оптимізувати витрати та знизити вуглецевий слід за збереження функціональності системи. Однак через кліматичні обмеження вони не можуть повністю замінити стабільніші джерела тепла. Такий баланс між традиційними та відновлюваними енергоресурсами може стати оптимальним рішенням для сучасних систем опалення.

Ефективність теплових насосів "повітря-вода"

Таблиця показників ефективності:

Для розуміння переваг теплових насосів можна розглянути середні значення коефіцієнта перетворення енергії (COP) у різних температурних умовах.

Ці дані показують, що при зниженні зовнішньої температури ефективність теплового насоса зменшується. Однак за позитивних температур значення COP може перевищувати 4.0, що вказує на високу ефективність системи.

Вартість теплового насоса "повітря-вода"

Вартість теплового насоса "повітря-вода" варіюється в залежності від регіону та характеристик системи:

У Росії:

• Ціна обладнання: від 99 000 до 1 450 000 рублів
• Підходить для опалення будинків площею 700-1200 м ²

У Великій Британії:

• Вартість встановлення: £8 000 - £18 000
• Додаткові витрати на монтаж: £2 000 - £4 000

В Україні вартість теплових насосів "повітря-вода" може змінюватись в залежності від бренду, потужності та додаткових функцій. Зазвичай ціни можуть починатися від 50 000 гривень та сягати 300 000 гривень і вище.

Економія енергоресурсів

При використанні теплових насосів "повітря-вода" як допоміжне джерело можна досягти помітної економії. Вклад у загальному зниженні витрат на енергію може становити до 30-50% залежно від структури та завантаженості системи. Зниження викидів CO₂ до 50-60% порівняно з урахуванням вуглецевого сліду чисто електричних або газових систем.

Застосування таких графіків та таблиць не тільки демонструє практичну вигоду, а й дає можливість проектувальникам приймати більш обґрунтовані рішення щодо оптимізації існуючих систем.

Зниження витрат на опалення та охолодження робить ці пристрої привабливими для споживачів, які прагнуть більш стійких та економічних рішень.

Таким чином, теплові насоси "повітря-вода" стають не тільки ефективним, а й екологічно чистим рішенням для сучасних систем опалення та холодопостачання, сприяючи переходу до більш стійких енергетичних практик.