Эффективность отопления дома тепловым насосом воздух-воздух

Насколько будет эффективным отопление дома тепловым насосом воздух-воздух в Московской области? Ответ на этот вопрос дается в этой статье.

Отопление дома

Насколько будет эффективным отопление дома тепловым насосом воздух-воздух в Московской области? Ответ на этот вопрос дается в этой статье.

В настоящее время на рынке отопительных систем появилось много нового оборудования, значительно превосходящего по своим характеристикам традиционные системы водяного отопления – в частности, тепловые насосы различных типов, которые по словам производителей дают КПД более 100% и позволяют серьезно сэкономить на отоплении.

При этом тепловые насосы разных видов сильно отличаются друг от друга по стоимости и трудоемкости монтажа. Например, для грунтовых тепловых насосов требуется достаточно большая площадь для размещения труб и большой объем земляных работ, чтобы эти трубы закопать. Наиболее просты в установке тепловые насосы типа воздух-воздух (т.к. по сути это обычные модернизированные кондиционеры). Но какова реальная, а не рекламная эффективность отопления дома тепловым насосом воздух-воздух?

В этой статье предпринята попытка сделать теоретический просчет экономии, которую можно получить в случае отопления дома тепловым насосом воздух-воздух по сравнению с системой отопления, построенной на основе обычных электрически нагревателей (конвекторы, электрические теплые полы, электрические водогрейные котлы и т.д.).

В качестве основы для оценочного расчета взят условный среднестатистический дом площадью 200.250 кв.м., расположенный в Московской области, с теплопотерями 10,5 кВт. и американский тепловой насос воздух-воздух мощностью 10,5 кВт (или 36 000 BTU).

Особенности отопления дома тепловым насосом воздух-воздух

Прежде чем начинать оценку эффективности отопления дома тепловым насосом воздух-воздух, необходимо сказать несколько слов об особенностях работы тепловых насосов этого типа.

Эффективность теплового насоса определяется его коэффициентом преобразования (COP) – этот коэффициент показывает, соотношение полученного тепла и затраченной на это электроэнергии. Умножив этот коэффициент на 100 можно получить КПД теплового насоса. Производители и продавцы тепловых насосов воздух-воздух заявляют об их высокой эффективности и экономичности, заявляя что их насосы обладают коэффициентом преобразования COP на уровне 3..4 – т.е. на каждый затраченный 1 кВт электроэнергии можно получить 3-4 кВт тепла. Так ли это в действительности? НЕТ!!! Указываемый производителем COP – это максимально возможное значение для строго определенных условий и наружных температур.

В действительности эффективность (и COP) тепловых насосов воздух-воздух сильно зависит от наружной температуры воздуха (вообще говоря, от разности температур внутри и снаружи дома, но внутреннюю температуру можно считать неизменной). И честные производители тепловых насосов воздух-воздух дают таблицы эффективности для разных наружных температур.

Рассмотрим для примера американский тепловой насос Lennox TSA036 мощностью 10,5 кВт. В инструкции на него дана таблица отдаваемой тепловой мощности и затраченной на это электроэнергии.

 

Температура	+18°C	+7°C	-4°C	-7°C	-15°C	-26°C
Мощность нагрева, кВт	11,5	8,9	6,0	5,2	4,4	2,2
Потребление электричества, кВт	2,34	2,18	2,03	1,96	1,83	1,36
COP	4,91	4,08	2,96	2,66	2,4	1,62

 

Из этой таблицы видно, что реальный COP снижается при понижении температуры на улице. Кроме того, из этой таблицы следует и другой очень важный факт – при понижении температуры на улице количество тепла, которое можно получить от данного теплового насоса, также снижается! Причем весьма существенно – при температуре на улице -4°C от теплового насоса Lennox TSA036 можно получить уже всего только 6 кВт, при том что номинальная мощность у него – 10,5 кВт.

Более того, для любого теплового насоса воздух-воздух существует критическая отрицательная температура, при достижении которой он начинает интенсивно обмерзать. Для теплового насоса Lennox TSA036 это -7°C. При более низких температурах необходимо устанавливать так называемый зимний комплект – набор обычных электрических нагревателей, которые будут размораживать тепловой насос. Поскольку КПД этих обычных электрических нагревателей не может превышать 100%, то суммарное потребление электричества теплового насоса и дополнительных зимних нагревателей приблизится к тепловой мощности, которую можно получить от теплового насоса (как следует из таблицы, Lennox TSA036 при -7°C всего 5,2 кВт тепла, его собственное потребление 2,66 кВт плюс дополнительно несколько кВт потребляют зимние нагреватели).

Таким образом, тепловые насосы воздух-воздух эффективны только при температурах, при которых они способны работать без зимнего комплекта, и при этом нужно обязательно принимать во внимание, что при пониженных температурах они дают тепла гораздо меньше, чем их заявленная номинальная мощность. В частности, для взятой модели Lennox TSA036 при температурах ниже -7°C нужно отключать тепловой насос и переходить на резервные нагреватели (электрические).

Так будет ли эффективно отапливать дом тепловым насосом воздух-воздух в Московской области, даст ли это экономию?

Эффективность отопления дома 200…250 кв.м. тепловым насосом воздух-воздух в Московской области

Как уже было сказано выше, для оценки возьмем условный дом площадью 200.250 кв.м., расположенный в Московской области, с теплопотерями 10,5 кВт. Отапливать его будет американский тепловой насос воздух-воздух мощностью 10,5 кВт (что соответствует 36 000 BTU).

Теплопотери любого дома прямо пропорциональны разности внутренней и наружной температур. Расчетные (пусть и условные) теплопотери нашего дома делаются для наружной температуры -28°C (для Московской области) и внутренней температуры в доме +22°C – т.е. для разности температур в 50°C. Если снаружи дома будет теплее, чем -28°C, то и теплопотери дома будут уже не 10,5 кВт, а меньше.

Поскольку для теплового насоса производитель указывает несколько вполне определенных температур - +18°C, +7°C, -4°C, -7°C, -15°C, -26°C, то и мы сделаем перерасчет теплопотерь дома для каждой из этих температур.

 

Температура на улице	+18°C	+7°C	-3,1°C	-4°C	-7°C	-15°C	-26°C	-28°C
Теплопотери дома, кВт	0,84	3,15	5,27	5,46	6,09	7,77	10,08	10,5

 

Проанализируем уличные температуры в Московской области по трем отопительным периодам (октябрь-апрель) за 2018-2019, 2019-2020, 2020-2021 года. Для строгого расчета необходимо было бы разбить всю шкалу температур по каждому градусу, определить температуру каждый час для каждого дня с октября по апрель за 3 года. Но для этого пришлось бы обработать десятки тысяч цифр. Поскольку данная статья не претендует на научную работу, то упростим задачу – расчет будем делать по минимальной ночной температуре для каждого дня. Определим несколько температурных периодов ночью – +18°C …+7°C, +7°C …(-4°C), (-4°C)…(-7°C), (-7°C)…(-28°C). Статистические данные по температурам взяты с метеорологического сайта в Интернете.

 

	Количество дней
Температура	+18°C...+7°C	+7°C...-4°C	-4°C...-7°C	-7°C...-28°C
Отопительный сезон 2018-2019 годов
окт.2018	16	15	0	0
ноябрь.2018	1	26	3	0
дек.2018	0	8	9	14
янв.2019	0	7	6	18
фев.2019	0	18	11	0
март.2019	0	25	3	3
апр.2019	10	20	0	0
Дней всего	27	119	32	35
Отопительный сезон 2019-2020 годов
окт.2019	23	8	0	0
ноябрь.2019	3	26	1	0
дек.2019	0	30	1	0
янв.2020	0	28	3	0
фев.2020	0	24	4	0
март.2020	0	29	2	0
апр.2020	1	28	1	0
Дней всего	27	173	12	0
Отопительный сезон 2020-2021 годов
окт.2020	21	10	0	0
ноябрь.2020	3	25	1	0
дек.2020	0	9	22	0
янв.2021	0	11	6	14
фев.2021	0	3	3	22
март.2021	0	14	8	9
апр.2021	8	22	0	0
Дней всего	33	94	40	45

 

Для Московской области длительность отопительного периода 213 дней. Среднезимняя температура -3,1°C (при которой теплопотери нашего условного дома составляют 5,27 кВт). Это означает, что в среднем на обычное отопление электричеством нужно было бы тратить 5,27 кВт·ч 24 часа в день в течение 213 дней. Или при обычном электрическом отоплении требовалось бы потратить за отопительный период 26 945 кВт·ч.

Для оценки затрат электричества в случае отопления дома тепловым насосом сведем данные по температурным периодам и дням в таблицу

 

Температура	+18°C	+7°C	-4°C	-7°C	-15°C	-26°C
Мощность нагрева тепловым насосом, кВт	11,5	8,9	6,0	5,2	0	0
Потребление электричества тепловым насосом, кВт	2,34	2,18	2,03	1,96	0	0
Избыток тепла от теплового насоса, кВт	11,5	5,75	0,54	-0,89	0	0
Необходимый догрев дополнительно к тепловому насосу, кВт	-	-	-	0,89	10,5	10,5
Длительность работы теплового насоса в течение часа		0,35	0,91	1,0	-	-
Дней 2018-2019 г.	-	27	119	32	35
Затраты электричества, кВт·ч	-	494,42	5 275,89	2 184,96	8 820,00
Дней 2019-2020 г.	-	27	173	12	0
Затраты электричества, кВт·ч	-	494,42	7 669,99	819,36	0,0
Дней 2020-2021 г.	-	33	94	40	45
Затраты электричества, кВт·ч	-	604,3	4 176,51	2 731,2	11 340,0

 

В таблице избыток тепла – это разность между выдаваемой тепловым насосом мощностью нагрева и теплопотерями дома при данной температуре. Положительный избыток тепла означает, что тепловой насос будет работать (и потреблять электричество) не весь час, а только часть часа. Т.е. нагреет дом до нужной температуры – отключится до тех пор, пока дом снова не охладится.

Предполагается, то при температуре ниже -7°C тепловой насос воздух-воздух будет отключен, а вместо него включится резервный электрический нагреватель на 10,5 кВт. При этом до -26°C резервный нагреватель будет работать не весь час, а только часть часа – потому что теплопотери дома при этих температурах не 10,5 кВт, а ниже – т.е. мощность электрического нагревателя будет избыточна.

Какие выводы можно сделать из этой таблицы? Как мы уже рассчитали выше, в случае обычного электрического отопления за отопительный период пришлось бы потратить 26 945 кВт·ч. В то время как при отоплении дома тепловым насосом воздух-воздух пришлось бы потратить:

• 16 775 кВт·ч за отопительный период 2018-2019 г. (экономия 10 070 кВт·ч или в 1,6 раза)
• 8 983 кВт·ч за отопительный период 2019-2020 г. (экономия 17 961 кВт·ч или в 2,99 раза)
• 18 843 кВт·ч за отопительный период 2020-2021 г. (экономия 8 102 кВт·ч или 1,42 раза)

В сезон 2019-2020 г. зимние температуры были достаточно высокие и наш условный дом можно было бы всю почти зиму отапливать только тепловым насосом (и чуть-чуть подключать дополнительный электрический нагреватель при температурах около -7°C, чтобы добрать недостающие 890 Вт, которые уже не мог дать тепловой насос). Экономия кВт·ч для этого сезона была максимальна.

Таким образам, можно сделать вывод, что эффективность отопления дома тепловым насосом воздух-воздух будет максимальной для регионов с мягкими зимами и температурами не ниже -7°C (для тепловых насосов Lennox серии TSA) – в этом случае затраты на отопление можно снизить почти в 3 раза. В среднем же для Московской области применение для отопления дома тепловых насосов воздух-воздух позволит снизить затраты на отопление в 1,5..2 раза.

Подставив в полученные цифры свои тарифы на электроэнергию можно получить экономию в рублях от применения для отопления дома тепловых насосов воздух-воздух. В среднем для Московской области окупаемость тепловых насосов воздух-воздух составляет 5..7 лет. Кроме того, тепловой насос летом работает как кондиционер.

Для регионов с более низкими зимними температурами эффективность отопления дома тепловым насосом воздух-воздух будет соответственно ниже. Насколько – нужно считать для каждого конкретного случая. Частично проблему низких температур можно решить при помощи тепловых насосов серии Zubadan – Mitsubishi Electric заявляет, что их эффективность не снижается до температур -15°C. Но чудес ожидать не стоит. Например, бытовые тепловые насосы Mitshubishi серии M, MXZ-3E54VA работают без дополнительного подогрева до -16°C. Но при этой температуре их тепловая мощность падает на 62%. Т.е. если при температуре +8°C MXZ-3E54VA дает 7 кВт тепла, то при -16°C - только 2,66 кВт. COP при этом снижается с 4,08 до 3,04.

На тепловые насосы Lennox серии TPA сейчас существует акция – цена на них такая же, как на канальные кондиционеры серии TSA, т.е. вы можете купить себе тепловой насос воздух-воздух по цене обычного кондиционера.