geo-comfort@yandex.ru
Все мы знаем, что кондиционерные установки, прежде всего, созданы для охлаждения воздуха внутри помещения, создавая при этом максимально комфортные условия. Тем ни менее, кондиционер может работать и на тепло, но только во время переходного периода, когда бывает весьма прохладно, но отопление еще не поступило в жилые помещения. Использование кондиционерных установок в качестве постоянного источника тепла, многими инженерами всячески подвергается критике.
По их мнению, обогрев кондиционерными установками, отлично подходит только для стран, располагающихся на юге нашей страны, но данное утверждение в корне неверно! Попробуем разобраться в применении современных усовершенствованных кондиционеров, так чтобы они работали и на холод, и на тепло.
Итак, вначале необходимо разобраться с особенностями и проблемами, возникающими в ходе организации системы отопления при помощи кондиционера. Основная проблема – это уменьшение теплопроизводительности, вследствие понижения уличной температуры в зимний период. В связи с чем, образуется определенный дисбаланс, ведь чем ниже уличная температура, тем больше теплопотери здания, соответственно, большее количество тепла необходимо для компенсации данных теплопотерь. В свою очередь, сплит-система меньше выдает тепла, так как коэффициент преобразования (КОП) теплового насоса (ТН) значительно снижается. Для того чтобы ТН работал с максимальной эффективностью, необходим первичный источник низкопотенциального тепла выше «-10C».Многие заметят, что современные кондиционеры работают и при более низких температурах, все верно, но КОП, при понижении уличной температуры будет тоже сильно снижаться и выигрыш, от использования такой системы отопления, тоже будет снижаться. Наступит момент, когда проще будет включить электроконвектор, чем «мучать» кондиционер. Какие же существуют еще способы?
Вариант 1 – грунтовые теплосборные коллекторы или геотермальные зонды. Температура грунта на большой глубине постоянна и практически не опускается ниже +5C. Это позволяет использовать это явления для сбора тепла с помощью организации внешнего горизонтального геотермального поля или использовать скважины с геозондами. Это самая эффективная схема, единственным ее минусом является ее дороговизна. Кроме того, не на каждой местности есть возможность осуществления земляных работ.
Вариант 2 – незамерзающий водоем. Достаточно необычный способ, но весьма затратный и трудноосуществимый.
Вариант 3 – наружный воздух. Один из самых доступных и оптимальных вариантов. Правда и здесь есть один заметный недостаток, зимние температуры часто опускаются ниже допустимых пределов.
Как мы видим, каждый из способов имеет свои достоинства и недостатки. Неужели нет по-настоящему подходящего варианта для оптимальной работы ТН? Вариант есть, можете не сомневаться. В этой статье мы более подробно рассмотрим 4-й способ и выясним особенности работы тепловых насосов, где источником низкопотенциального тепла является уличный воздух. Стоит помнить, что в отопительный период КПД (КОП) работы кондиционеров во всех режимах, значительно снижается, ее эффективность падает в разы. При температуре -5C и ниже количество произведенного тепла для обогрева воздуха резко сокращается, а если будет отмечено дальнейшее снижение уличной температуры, появится необходимость в организации бивалентной схемы, подключение электрообогревателей или какого то другого теплогенератора. Такой порядок вещей характерен для сплит-систем или тепловых насосов, работающих на фреоне R22, с СТАРТ/СТОП-управлением компрессором. Современные кондиционерные установки оснащены более широким диапазоном низких уличных температур, в связи с чем, их можно использовать для отопления от -25 до -20C (рис.2). Что же повлияло на расширение температурного диапазона?
1-е - это удачное применение фреона R410a. Данный тип фреона обладает высокой степенью работоспособности. Например, хладогенты R22 или R407c не могут этим похвастаться (см. табл. 1). R410a позволяет снизить уровень давления и температуру кипения во фреоновой системе в период низкого температурного режима снаружи помещения. Благодаря тому, что давление снижается, плотность газа в компрессоре также сокращается, а значит, происходит и понижение его работоспособности.
Одним из самых популярных вопросов, касающегося работы сплит-систем, используемых на отопление, принято считать, следующий: «Что будет, если температура уличного воздуха окажется вдруг ниже -20С?» Мы ответим вам, что ничего страшного не случится, работа сплита продолжится, только с уже наименьшим коэффициентом преобразования. Если температура кипения фреона достигнет отметки -38С, кондиционерная установка самостоятельно отключиться, сработает защита по датчику низкого давления, на дисплее вы увидите сообщение об ошибке (табл. 2).
2-е - это применение в компрессорах синтетического (полиэфирного) масла, позволило значительно расширить температурный диапазон. Ранее для этих целей применялось минеральное масло (МО), но оно не давало нужного результата. Так, полиэфирные масла обладают гораздо лучшими смазывающими свойствами, меньшей кинематической вязкостью при низких температурах, а так же меньшей температурой застывания. В связи с чем, во время низкого температурного режима, работа компрессора более мягкая, с уменьшенной пусковой нагрузкой на электродвигатель.
3-е - это использование инверторного управления работой компрессора. Он, в свою очередь, обеспечивает наивысший уровень долговечности и сверхэкономичности, а так же отсутствие пусковых токов, благодаря чему, происходит регулирование производительности работы кондиционера отличающееся плавностью даже во время очень низких температурах.
Итак, можно сделать следующий вывод, что сегодня, благодаря развитию и усовершенствованию технологий, использование кондиционера в качестве источника тепла становится вполне реальным и достижимым. Теперь давайте разберемся, насколько данный тип обогрева может быть экономичным. Рис. 3
На основе данных, взятых из рис. 4, количества тепла, произведенного воздушным тепловым насосом на 1 кВт потребленной электроэнергии, колеблется в диапазоне от 3,8 кВт при наружной температуре +10 C до 2,4 кВт при –20 C. Средняя выработанная мощность составляет 3,0 кВт. Итак, использование современных инверторных кондиционерных установок для отопления на 410-м фреоне, гораздо выгоднее и экономичнее, обычных электрообогревателей.
Разберемся, что произойдет при достижении уличной температуры «-15С». Рассмотрим особенности отопления помещений с применением воздушного теплового насоса (ВТН) в областях с очень низкими температурами, например, в Якутске (табл. 3). Кроме того, данный город расположен в зоне вечной мерзлоты, таким образом, тепло грунта полностью отсутствует.
Если мы посмотрим на расчеты, касательно температуры уличного зимнего воздуха (-55С), то можно смело сказать, что Якутск обладает крайне суровыми климатическими условиями для работы системы ВТН. Итак, предельная температура работы воздушного ТН (–15 C), но это еще не значит, что системы ВТН невозможно применить в Якутске. Обо всем по порядку.
Во-первых, необходимо проанализировать среднюю длительность отопительного периода в различных российских регионах со средней зимней температурой -15С и ниже. Так, мы сможем определить максимально допустимый уровень эксплуатации системы ВТН. Можно сказать, что чем суровее климатические условия, тем большее время в течение суток будут работать системы ВТН и, как следствие будет больше сэкономлено электроэнергии.
Во-вторых, как правильно применять системы ВТН при температуре ниже -15С? Для этого необходимо найти объем воздуха с температурой значительно выше, чем -20С. Это может быть воздух вытяжного вентиляционного канала.
Практически каждое современное здание имеет "вытяжку". Системы "вытяжек" могут разниться, так встречаются естественные и механические, но это не является важным. Самое главное, чтобы температура удаляемого воздуха с помощью "вытяжки" была с температурой +20+30С. Такие температурные параметры являются приемлемыми для работы ТН. Несмотря на низкую наружную температуру, здание остается нескончаемым источником тепла от 50 до 70% необходимого (рис. 5).
Произведем расчеты, позволяющие определить нам уровень тепла, исходящее из вытяжной вентиляционной системы (без учёта влажности):
Q = 0,278Lc(tb – tn),
L – объем удаляемого воздуха в м3. При этом его плотность при температуре +20С составляет 1,2 кг/м3, а теплоемкость 1,0 кДж/м3
Количество удаляемого воздуха находится в прямой зависимости от необходимой кратности воздухообмена помещений: L = kV,
В данной формуле V — объём помещения в м3.
k — коэффициент воздухообмена, зависящая от теплопотерь. Он составляет: 1–2 для жилых помещений (35–65 Вт/м2), 2–3 для складских помещений (65–95 Вт/м2) и 4–6 для общепита (125–185 Вт/м2).
Резюмируем, чем больше кратность воздухообмена в помещении или здании в целом, тем большее количества теплого воздуха выходит из вытяжной системы. Как следствие, доля потерь тепла от вентиляции над потерями через ограждающие конструкции здания становится значительно выше (рис. 6).
Итак, схема обогрева, изображенная на рисунке 6, имеет определенные особенности в ходе эксплуатации. На крышу здания выбрасывается поток теплого вентиляционного воздуха, температура которого колеблется в районе +25С. Затем необходимо выполнить установку внешнего блока кондиционера, который работает на обогрев и тем самым утилизирует тепло выбрасываемого на улицу теплого воздухачерез систему приточно-вытяжной вентиляции. Температуру, до которой охлаждается вытяжной воздух можно наблюдать на рис. 7.
Внутренний блок сплит-системы монтируется так, чтобы через него проходил удаляемый из помещений воздух. В таком случае он работает в комфортных условиях и с хорошим коэффициентом преобразования. Затем, этот же воздух вновь попадает внутрь здания. Кроме того, не стоит забывать про приточную систему вентиляции. Она компенсирует необходимый объем вытяжного воздуха.
Крыша одновременно охлаждается и нагревается с двух сторон, уровень температурного режима, возникающий в ходе данной ситуации, можно наблюдать на рис. 7.
Если «забортная» температура около +20С и более, то тепловые потери не наблюдаются, а если температура ниже, то наоборот, тепловые потери обязательно возникнут. Итак, на крыше здания, установленный внешний блок кондиционера отбирает тепло от окружающего его воздух. Работоспособность внешнего блока напрямую зависит от уличной температуры. Так, чем холоднее снаружи, тем быстрее падает теплопроизводительность внешнего блока.
Кондиционер будет оптимально работать на отопление до -20С без сбоев и каких-либо проблем.
Давайте более подробно рассмотрим работу кондиционера в режиме обогрева при различных температурных условиях.
1. Уличная температура равна нулю
Чердачное отверстие в открытом положении. Теплопотери умеренные и равны порядка 55 Вт на 1 м2. Теплопроизводительность ТН находится на нормальном уровне. Частотное управление ТН снизит обороты компрессора до нужного уровня производительности. Тепловой коэффициент (ТК) на рис. 4 равен 3,2. Потребление компрессора в пределах нормы.
2. Уличная температура равна -15С
Чердачное отверстие закрыто. Теплопотери увеличиваются, они равны 90 Вт на 1 м2. Производительность ТН составляет 90 Вт на 1 м2. Энергопотребление также растет и составляет 36 Вт/м2, ТК на рис. 4 равен 2,5.
3. Уличная температура равна -30С
Чердачное отверстие закрыто. Теплопотери стали еще больше и теперь составляют 135 Вт на 1 м2. ТК на рис. 4 равен 2,5. Производительность ТН составляет 90 Вт на 1 м2. Энергопотребление остается прежним.
4. Уличная температура -55С
Чердачное отверстие закрыто. Теплопотери достигли максимума и теперь составляют 195 Вт на 1 м2. Производительность ТН составляет 90 Вт на 1 м2. ТК на рис. 4 равен 2,5. Энергопотребление остается прежним.
Выводы: при температуре от -15С, чердак всегда остается открытым, обогрев осуществляется только при помощи ТН. При температурах от 20С чердак закрывается, так как его становится нецелесообразно держать открытым. Внешний блок кондиционера осуществляет свою деятельность благодаря вытяжному воздуху. Температура на чердаке остается всегда прежней –15 C (рис. 8).
Стоит отметить, что температура на чердаке может и повышаться за счет различных факторов, например, влажности. Кроме того, возможно подключение электрокалорифера в приточной системе или электроконвекторов внутри здания.
Применение кондиционерных установок в качестве источника отопления помещения.
Во время работы электрообогревателя, происходит конвекция (движение) воздуха. Теплый воздух поднимается вверх, остывший опускается вниз. В связи с чем, происходит баланс и возможность перепадом температур между низом и верхом помещения сведена к минимуму. Внутренний блок сплит-системы рекомендуется устанавливать как и радиатор в нижней части помещения. Схема классического расположения ТН можно наблюдать на рис. 9.
Конденсат и его устранение на внешнем блоке.
В процессе эксплуатации сплит-системы в режиме обогрева, уличный воздух значительно охлаждается и, как следствие, выделяется конденсат. В дальнейшем он может намерзать на внешнем блоке, что крайне негативно отражается на работе сплит-системы. Лед необходимо удалять, во избежание поломки агрегата. Так, применяют режим, который носит название – оттаивание, показанный на рис. 10.
Работоспособность внешнего блока может снизиться в разы, особенно, если воздух достаточно влажный. Именно поэтому необходимо снижать уровень влажности. Снижение производительности в режиме обогрева осуществляется при температурах -10 до +5С, рис. 11.
Чтобы удалить лед, необходимо использовать режим оттаивания, во время которого кондиционер переключится на режим охлаждения, рис. 11. В это время, внутренние блоки полностью прекращают свою работу. Компрессор, подает фреона с температурой около 70С испаритель внешнего блока. Такая процедура длится не более 10 мин. Лед начинает стремительно таять и стекать вниз и образовываться в сосульки.
Поэтому, рекомендуется использовать подогрев поддона с помощью греющего кабеля, при работе сплит-системы в режиме отопления. Кроме того, конденсат можно устранить, используя дренажную трубопроводную систему. Она должна подогреваться и хорошо утепляться.
Подведем итоги:
Применение новых современных кондиционерных установок в качестве обогрева, сегодня - это не только целесообразно, но и разумно. Такой способ обогрева можно использовать для отопления жилищ даже при очень низких температурах, например, таких, как в Якутске.
Для грамотного использования такой кондиционерной системы, необходимо учитывать следующие параметры:
1. Установка внешнего блока должна происходить на утепленном чердаке здания. Ведь именно туда будет поступать теплый вытяжной воздух.
2. Во время теплого периода, кондиционер работает в качестве охлаждения воздуха.
3. Применять кондиционерную установку, в роли обогревателя – очень удобно и экономно.
4. Благодаря фреону, сплит-система не будет разморожена, что особенно важно для областей, в которых наблюдаются длительное время низкие уличные температуры.
5. Благодаря встроенным датчикам, поддержать требуемую температуру не составит труда.