Тепловые насосы с воздушным источником тепла

Тепловой насос с воздушным источником тепла может обеспечить эффективное отопление и охлаждение вашего дома, особенно если вы живете в теплом климате. При правильной установке тепловой насос с воздушным источником тепла может поставлять в дом в полтора-три раза больше тепловой энергии, чем потребляемой им электроэнергии. Это возможно благодаря тому, что тепловой насос перемещает тепло, а не преобразует его из топлива, как это происходит в системах отопления, работающих на сжигании топлива.

Хотя тепловые насосы с воздушными источниками тепла можно использовать почти во всех регионах США, они, как правило, не очень хорошо работают в течение длительных периодов отрицательных температур. В регионах с отрицательными зимними температурами может оказаться неэффективным удовлетворять все потребности в отоплении с помощью стандартного теплового насоса с воздушным источником тепла.

Однако новые системы с резервным газовым отоплением способны решить эту проблему. Существует также "Тепловой насос для холодного климата", который подает надежды, но в настоящее время испытывает проблемы с производством. Кроме того, версия под названием "Чиллер обратного цикла" утверждает, что может эффективно работать при температурах ниже нуля.

В режиме охлаждения тепловой насос с воздушным источником тепла испаряет хладагент во внутреннем теплообменнике; при испарении жидкость забирает тепло из воздуха в доме. После сжатия газа он попадает в наружный теплообменник и конденсируется, отдавая тепло наружному воздуху. Изменения давления, вызванные работой компрессора и расширительного клапана, позволяют газу конденсироваться при высокой температуре снаружи и испаряться при более низкой температуре внутри помещения.

Как они работают

Холодильная система теплового насоса состоит из компрессора и двух змеевиков из медных трубок (один внутри помещения, другой снаружи), которые окружены алюминиевыми ребрами для облегчения теплообмена. В режиме нагрева жидкий хладагент в наружных змеевиках извлекает тепло из воздуха и испаряется в газ. Внутренние змеевики отдают тепло хладагенту, когда он конденсируется обратно в жидкость. Реверсивный клапан, расположенный рядом с компрессором, может изменять направление потока хладагента для охлаждения, а также для размораживания наружных змеевиков в зимнее время.

Когда наружная температура опускается ниже 40 градусов, менее эффективная панель электрических катушек сопротивления, похожих на те, что стоят в вашем тостере, включается для обогрева помещений. Поэтому тепловые насосы с воздушным источником тепла не всегда эффективны для отопления в районах с холодными зимами. Некоторые устройства теперь оснащены резервными газовыми печами вместо электрических катушек сопротивления, что позволяет им работать более эффективно

Эффективность и производительность современных тепловых насосов с воздушным источником тепла в полтора-два раза выше, чем у тех, что были доступны 30 лет назад. Такое повышение эффективности стало возможным благодаря техническому прогрессу и таким опциям, как:

В режиме отопления тепловой насос с воздушным источником тепла испаряет хладагент в наружном теплообменнике; при испарении жидкость забирает тепло из наружного воздуха. После сжатия газа он проходит во внутренний теплообменник и конденсируется, отдавая тепло внутрь дома. Изменения давления, вызванные работой компрессора и расширительного клапана, позволяют газу испаряться при низкой температуре снаружи и конденсироваться при более высокой температуре внутри помещения.

• Термостатические расширительные клапаны для более точного управления потоком хладагента во внутренний теплообменник
• Воздуходувки с переменной скоростью вращения, которые более эффективны и могут компенсировать некоторые негативные последствия ограниченных воздуховодов, грязных фильтров и загрязненных катушек
• Улучшенная конструкция катушки
• Усовершенствованные конструкции электродвигателя и двухскоростного компрессора
• Медная трубка с желобками внутри для увеличения площади поверхности.

Большинство центральных тепловых насосов представляют собой сплит-системы, то есть имеют один теплообменник внутри помещения и один снаружи. Подающий и обратный воздуховоды подключаются к центральному вентилятору, который находится в помещении.

Некоторые тепловые насосы представляют собой упакованные системы. В таких системах змеевик и вентилятор обычно располагаются снаружи. Нагретый или охлажденный воздух подается внутрь помещения по воздуховодам, проходящим через стену или крышу.

Выбор теплового насоса

Каждый продаваемый в стране бытовой тепловой насос имеет маркировку EnergyGuide, на которой указан рейтинг эффективности теплового насоса по нагреву и охлаждению, а также сравнение с другими доступными марками и моделями.

Эффективность отопления для электрических тепловых насосов с воздушным источником тепла определяется коэффициентом эффективности отопительного сезона (HSPF), который представляет собой отношение сезонной тепловой мощности в БТЕ к сезонной потребляемой мощности в ваттах. Эффективность охлаждения определяется коэффициентом сезонной энергоэффективности (SEER), который представляет собой отношение сезонной теплоотдачи в БТЕ в час к сезонной потребляемой мощности в ваттах.

Коэффициент сезонной эффективности отопления (HSPF) оценивает эффективность компрессора и электросопротивления. Самые эффективные тепловые насосы имеют HSPF от 8 до 10.

Сезонный коэффициент энергоэффективности (SEER) определяет эффективность охлаждения теплового насоса. Как правило, чем выше SEER, тем выше стоимость. Однако экономия энергии может вернуть более высокие первоначальные инвестиции несколько раз в течение срока службы теплового насоса. Замена центрального теплового насоса 1970-х годов (SEER = 6) на новый (SEER = 12) позволит использовать в два раза меньше энергии для обеспечения того же объема охлаждения, что вдвое сократит расходы на кондиционирование. Самые эффективные тепловые насосы имеют SEER от 14 до 18.

Чтобы выбрать электрический тепловой насос с воздушным источником тепла, обратите внимание на маркировку ENERGY STAR®, которая присваивается устройствам с коэффициентами SEER 12 или выше и HSPF 7 или выше. Если вы покупаете электрический тепловой насос с воздушным источником тепла и не уверены, что он соответствует требованиям ENERGY STAR, ищите на ярко-желтой этикетке EnergyGuide КПД 12 SEER/7HSPF или выше. Для агрегатов с сопоставимыми показателями HSPF проверьте их стабильный рейтинг при -8,3 градуса Цельсия - низком температурном режиме. Блок с более высоким рейтингом будет более эффективным.

Подумайте о покупке теплового насоса с коэффициентом HSPF не менее 7,7. В сентябре 2006 года Министерство энергетики США начнет применять новый стандарт, согласно которому центральные тепловые насосы должны иметь минимальный показатель HSPF 7,7. В теплом климате SEER важнее, чем HSPF; в холодном климате сосредоточьтесь на достижении максимально возможного HSPF.

Вот некоторые другие факторы, которые следует учитывать при выборе и установке тепловых насосов с воздушным источником тепла:

• Выберите тепловой насос с функцией размораживания по требованию. Это позволит свести к минимуму количество циклов размораживания, тем самым сократив потребление дополнительной энергии и энергии теплового насоса.
• Если вы добавляете тепловой насос к электрической печи, змеевик теплового насоса обычно следует размещать на холодной (восходящей) стороне печи для достижения наибольшей эффективности.
• Вентиляторы и компрессоры издают шум. Располагайте наружный блок вдали от окон и соседних зданий и выбирайте тепловой насос с показателем шума наружного блока 7,6 бел или ниже. Вы также можете уменьшить этот шум, установив блок на шумопоглощающее основание.
• Расположение наружного блока может повлиять на его эффективность. Наружные блоки должны быть защищены от сильного ветра, который может вызвать проблемы с размораживанием. Вы можете стратегически правильно расположить кустарник или забор на ветру от змеевиков, чтобы заблокировать устройство от сильного ветра.

См. раздел Выбор и замена систем отопления и охлаждения для получения информации о выборе подрядчика, а также см. раздел Определение размера системы отопления и кондиционирования для правильного подбора размера.

Проблемы производительности тепловых насосов

Согласно отчету об исследованиях, финансируемых ENERGY STAR, более 50% всех тепловых насосов имеют существенные проблемы с низким воздушным потоком, негерметичными воздуховодами и неправильной заправкой хладагентом.

На каждую тонну мощности теплового насоса по кондиционированию воздуха должно приходиться около 400?C500 кубических футов в минуту (cfm). Эффективность и производительность ухудшаются, если воздушный поток намного меньше 350 куб. футов в минуту на тонну. Техники могут увеличить поток воздуха, очистив змеевик испарителя или увеличив скорость вентилятора, но часто для этого требуется модификация воздуховодов. См. разделы Минимизация потерь энергии в воздуховодах и далее Изоляция воздуховодов.

Холодильные системы следует проверять на герметичность при установке и во время каждого сервисного обслуживания. Комнатные тепловые насосы и тепловые насосы в комплекте заправляются хладагентом на заводе. Они редко заправляются неправильно. Тепловые насосы сплит-систем, с другой стороны, заправляются на месте, что иногда может привести к переизбытку или недостатку хладагента. Тепловые насосы сплит-систем с правильной заправкой хладагентом и воздушным потоком обычно работают очень близко к указанным производителем показателям SEER и HSPF. Однако слишком большое или слишком малое количество хладагента снижает производительность и эффективность теплового насоса.

Для удовлетворительной работы и эффективности тепловой насос сплит-системы должен быть заправлен в пределах нескольких унций от правильной заправки, указанной производителем. Техник должен измерить поток воздуха перед проверкой заправки хладагента, потому что измерения хладагента не будут точными, если поток воздуха не правильный. Когда заправка правильная, определенные температуры и давления хладагента, указанные производителем, будут соответствовать температурам и давлениям, измеренным вашим техником по обслуживанию. Проверьте эти измерения вместе с техником. Если указанные производителем температура и давление не совпадают с измеренными, хладагент следует добавить или удалить, в соответствии со стандартами, установленными EPA.

Передовые технологии: Чиллеры обратного цикла

Одна из наиболее заметных инноваций в области тепловых насосов с воздушным источником тепла называется охладителем с обратным циклом (RCC). Его преимущества заключаются в том, что домовладелец может выбирать из широкого спектра систем отопления и охлаждения, от систем лучистого пола до систем принудительного кондиционирования с несколькими зонами. Она также позволяет снизить зимние счета за электричество и обеспечить более горячий воздух из приточных вентиляционных отверстий для большего комфорта.

RCC особенно экономичен для полностью электрических домов или в районах, где природный газ недоступен. В зависимости от тарифов на другие виды топлива, он может быть даже самым недорогим вариантом отопления по сравнению с остальными видами топлива.

Система состоит из стандартного односкоростного воздушного теплового насоса 12 SEER, рассчитанного на нагрузку отопления, а не на обычную небольшую нагрузку охлаждения летом. Тепловой насос подключен к большому теплоизолированному резервуару с водой, которую он нагревает или охлаждает в зависимости от сезона года. В большинстве систем используется вентиляторный доводчик с воздуховодами, использующий запасенную воду для нагрева или охлаждения воздуха и распределения его по дому. В отопительный сезон горячая вода может распределяться через систему лучистого пола.

Система RCC устраняет одну из самых серьезных проблем, связанных с тепловыми насосами с воздушным источником тепла, - периодическое выдувание холодного воздуха во время цикла размораживания и в начале цикла нагрева, когда прогреваются распределительные каналы. Система RCC решает эти проблемы, используя накопленное тепло в водяном баке для размораживания охлаждающих змеевиков, а не комнатного воздуха.

Система RCC также позволяет тепловому насосу работать с максимальной эффективностью даже при низких температурах. Это обеспечивает больший комфорт и экономию без необходимости использования вспомогательных нагревательных змеевиков электрического сопротивления. Например, в одной установке в Мичигане система RCC подавала воду температурой 115?ㆠ в воздухораспределитель и систему радиаторного пола, несмотря на то, что наружная температура была отрицательной 15?ㆮ.

Еще одним существенным преимуществом энергосбережения является то, что RCC может быть оснащен рекуператором холодильного тепла (RHR). Это похоже на распространенный змеевик-десуперификатор, используемый в высокотехнологичных тепловых насосах и кондиционерах (о нем речь пойдет ниже). Основное отличие заключается в том, что RHR не только производит горячую воду в сезон охлаждения, но и делает это в сезон отопления, используя избыточную мощность наружного блока в мягкую зимнюю погоду для производства, по сути, бесплатной бытовой горячей воды. Летом она производит бесплатную горячую воду, утилизируя отработанное тепло дома, пока система охлаждает здание.

Комбинированная система RCC и RHR стоит примерно на 25% больше, чем стандартный тепловой насос аналогичного размера. Простая окупаемость дополнительных затрат в районах, где природный газ недоступен, составляет около 2?C3 лет.

Передовые технологии: Тепловой насос для холодного климата

Одна из компаний разработала тепловой насос для холодного климата, который оснащен двухскоростным двухцилиндровым компрессором для эффективной работы, резервным компрессором Booster, который позволяет системе эффективно работать при температуре до 15 градусов, и пластинчатым теплообменником, называемым "экономайзером", который еще больше увеличивает производительность теплового насоса до уровня ниже 0 градусов, как утверждает компания.

Система была положительно протестирована несколькими коммунальными службами на Северо-Западе, которые объявили, что в ходе предварительных испытаний тепловой насос продемонстрировал повышение эффективности на 60% по сравнению со стандартными тепловыми насосами с воздушным источником.

Этот продукт никогда не был доступен потребителям в больших масштабах, но, похоже, производство может возобновиться, и тепловые насосы скоро будут доступны потребителям.

Передовые технологии: Всеклиматический тепловой насос

Еще одна перспективная технология - тепловой насос All Climate Heat Pump, который, по словам производителя, может работать в самые холодные дни зимы без дополнительного отопления, поддерживая комфортную температуру в помещении, даже когда температура на улице опускается ниже нуля. Тепловой насос может сократить расходы на отопление и охлаждение на 25%?C60%. Колледж Wenatchee Valley College в штате Вашингтон установил тепловой насос в кампусе и тестирует его с октября 2006 года.

В то время как в конструкции большинства тепловых насосов основной упор делается на охлаждение, тепловой насос All Climate Heat Pump был разработан с расчетом на обогрев. Первоначальные затраты на тепловой насос All Climate Heat Pump высоки, но если он будет работать так же хорошо, как прогнозируется, то экономия энергии в течение всего срока службы системы с лихвой окупит первоначальные затраты. В настоящее время тепловой насос All Climate Heat Pump доступен для приобретения потребителями.