Воздушные тепловые насосы и новые технологии в развитии этих систем.

В качестве альтернативы для обогрева помещений вместо систем, работаю­щих на традиционных сгораемых видах топлива, все чаще исполь­зуются системы с тепловыми насосами. Такой переход вызы­вает одобрение не только с точки зрения экологии, но, как утверж­дают разработчики, оказывается выгоден в финансовом плане благодаря своей знергоэффективности.
В настоящее время ведутся разработки систем различных модификаций, предназначенных для работы в разных климати­ческих условиях. Однако, несмотря на уверения изобрета­телей о несомненных достоин­ствах своих «детищ», многие из них пока не реально запустить в массовое производство. Иногда цена настолько преобладает над окупаемостью, что компенсиро­вать ризницу владельцу не удаст­ся в течение ближайших 5–10 лет. И тем не менее над технология­ми систем с тепловыми насоса­ми продолжают работать. Одним из вариантов являются системы с воздушными тепловыми насо­сами.
Воздушные тепловые насосы
Воздушные тепловые насосы. Воздушные тепловые насосы эффективнее всего использовать для отопления и охлаждения домов в условиях теплого климата. При правильной инсталляции воздушный тепловой насос спо­собен обеспечить дом тепловой энергией, превышающей потреб­ляемую самим насосом в 1.5–3 раза. Такой эффект возможен благодаря тому, что он переме­щает тепло, а не вырабатывает его из топлива, как тепловые системы, работающие на сгорае­мом топливе.
Хотя воздушные тепловые насосы могут использоваться в любых климатических условиях, они не очень подходят для регионов с низкими температурами, так как не обеспечивают эффективное отопление на желаемом уровне.
Однако специалисты предлага­ют преодолеть эту проблему, используя в качестве резерва новые системы с газовым отопле­нием. Существуют также «много­обещающие» тепловые насосы, предназначенные для холодного климата, но из-за определенных технических трудностей их произ­водство ограничено. Еще одним из вариантов для работы при отрица­тельных температурах является чиллер с реверсным циклом.
Принцип действия
Система охлаждения теплового насоса состоит из компрессора и двух контуров, основой которых служит трубчатая решетка. Один контур находится внутри помеще­ния, другой – снаружи; обвиты алюминиевыми пластинами для улучшения теплопередачи. В режиме обогрева жидкий охла­дитель собирает тепло из внешнего контура и воздуха и направляет его внутрь, где переходит в газооб­разное состояние. В кольца внут­реннего контура выделяется тепло из охладителя, так как он конден­сируется обратно в жидкость. Реверсивный клапан около комп­рессора может менять направление потока хладагента для охлаждения так же, как для разморозки внеш­него контура зимой.
При температуре ниже +7˚С неэффективная секция из элект­рически нагреваемых колец более активно используется для внутреннего обогрева, как в тосте­ре. Именно поэтому воздушные тепловые насосы не всегда эффек­тивны в регионах с холодными зимами. Для большей эффектив­ности некоторые системы обеспе­чиваются газовыми котлами.
За последние 30 лет эффективность и качественные характерис­тики современных воздушных теп­ловых насосов увеличилась в 1.5–2 раза. Эти совершенствования стали возможными благодаря техническим новшествам и некоторым дополнительным функциям:
-  термостатические расшири­тельные клапаны, обеспечива­ющие более точный контроль потока хладагента во внутреннем контуре:
-  воздуходувы с переменной ско­ростью, которые были эффективны и могут компенсировать некоторые обратные эффекты ограниченных воздуховодов, грязных фильтров и контуров;
-  усовершенствованная схема контура;
— улучшенные схемы электропривода и двухскоростного комп­рессора;
— медный трубопровод с внутрен­ним рифлением для увеличения поверхности.
Большинство центральных сис­тем с тепловыми насосами в сущности представляют Сплит-системы, имеющие внутренний и внешний контуры. Подающий и отводящий воздуховоды соединены с центральным вентилятором, расположенным внутри помещения.
Некоторые тепловые насосы представляют собой компактные системы. Они обычно состоят из двух контуров и внешнего венти­лятора. Нагретый или охлажден­ный воздух поступает вовнутрь из воздуховода, выступающего нару­жу через стену или крышу.
Выбор теплового насоса
Одним из критериев выбора обо­рудования в США является нали­чие знака Energy Star, свидетельствующего об экономической эффективности нагревательного и кондиционирующего оборудования. Он позволяет сравнивать его с другими имеющимися моделями.
Руководствуются такими показателями, как эффективность обо­грева (наиболее эффективными считаются насосы с показателем 8 — 10) и эффективность охлажде­ния (наиболее эффективный показатель −14-18). Рекоменду­ется выбирать воздушные тепловые насосы с показателем обогре­ва более 7 и охлаждения — более 12. Соответственно в теплом кли­мате большее внимание обраща­ется на показатель охлаждения, а в холодном придается значение показателю нагрева.
Помимо этого при выборе и установке воздушных тепловых насосов необходимо обращать внимание на некоторые другие факторы, от которых будет зави­сеть работа системы и целом:
— нужно выбирать тепловой насос с контролем оттаивания. Это минимизирует цикл оттаивания, уменьшая таким обра­зом  дополнительные расходы и потребление энергии самим насосом;
— если тепловой насос использу­ется с электроподогревом, кон­тур насоса обычно помещается с холодной стороны печи для большей эффективности;
— так как вентиляторы и компрес­соры создают шум, их внешние устройства устанавливают вдали от окон и ближайших построек. При этом выбирают теп­ловые насосы с уровнем шума 7.6 дБ и ниже. Уровень шума можно также снизить, устано­вив  оборудование на шумопоглощающую основу;
— размещение внешнего обору­дования отражается на эффек­тивности его работы. Оно должно быть защищено от сильного ветра, так как это может создать проблемы при оттаивании. Для этого оборудование достаточно просто огородить кустами или забором.
Вопросы поддержания номинальных характеристик тепловых насосов
Согласно отчетам исследований, проведенных в рамках программы Energy Star в США, более чем у половины всех тепловых насосов возникают проблемы из-за низкого уровня воздухообмена, негерметичности воздуховодов и неправильной заправки хладагента.
Для нормальной работы полагается поток воздуха около 11–14 м3 в минуту накаждую тонну мощности кондиционирования теплового насоса. Эффективность и характеристики ухудшаются, если воздушный поток намного меньше 10 м3 в минуту на 1 т. Увеличить поток можно, почистив контур испарителя или увеличив скорость вентилятора, но чаще всего требуется некоторая моди­фикация воздуховода.
Охладительные системы должны провериться на герме­тичность при инсталляции и при дальнейшем обслуживании. Комнатные и компактные тепло­вые насосы заправляются хлада­гентом на заводе-изготовителе. Следует заметить, что часто это производится с нарушениями. Тепловые насосы Сплит-систем заправляются наместе, в резуль­тате чего могут заправить боль­ше или меньше хладагента, чем необходимо. Правильно заправленные хладагентом тепловые насосы сплит — систем и с нормальным потоком обычно работают с характери­стиками, близкими к указанным заводом-изготовителем. В свою очередь недостаток и избыток хладагента снижает качествен­ные показатели насоса и эффективность его работы.
Для удовлетворительной работы отклонения в заправке хладагента теплового насоса сплит-системы не должны пре­вышать 150 мл от обозначенных в документации. Воздушный поток должен быть измерен до заправки хладагента. При правильной заправке указанные изготовителем температура и дав­ление хладагента будут близки к значениям, полученным при измерениях специальности. Если установленные и измеренные значения расходятся, хладагент добавляется или откачивается в соответствии с принятыми нор­мами.
Новые технологии в развитии тепловых насосов
Чиллеры с обратным циклом. Это наиболее значимая инновация в развитии оборудовании этого типа, позволяющая выбрать из широкого ряда распредели­тельных  систем для обогрева и охлаждения, из радиаторных напольных систем воздушные системы с принудительной венти­ляцией нескольких зон. Их использование дает возможность снизить счета за электроэнергию зимой и получить более теплый воздух от  вентилятора дли обеспе­чения большего комфорта.
Это оборудование особенно экономично в домах, где преимущественно используется электри­чество или когда природный газ не может быть источником энер­гии. Если доступны другие виды топлива, то эти системы считаются достаточно дорогим вариантом для обогрева в сравнении со всеми остальными.

Как правило система состоит из стандартного односкоростного воздушного теплового насоса с по­казателем охлаждения 12. рассчи­танного большена обогревательную нагрузку, чем на обычную небольшую нагрузку охлаждения летом. Этот тепловой насос соеди­нен  с большой хорошо изолированной емкостью для воды.
Большинство таких систем используют вентиляторные конту­ры с воздуховодами, обслуживающими накопленную воду, для нагрева или охлаждения воздуха и распределении его по дому. Когда требуется отопление, теплая вода может распределяться в сис­тему напольного отопления.
Использование чиллеров позволяет исключить одно из значительных нареканий на воздушные тепловые насосы: при их оттаивании и в ходе начального запуска цикла обогрева, пока не нагреваются распределительные воздуховоды, периодически происходит венти­ляция помещения холодным воздухом. Чиллеры с реверсивным циклом решают эти проблемы, используя тепло, накопленное в емкости с водой, для оттаивания контура охлаждения.
Чиллер также обеспечивает высокую эффективность работы теплового насоса даже при низкой температуре. Таким образом, достигается комфорт и экономичность без необходимости использования электрических контуров.
Оснастив чиллер утилизатором тепла, можно достичь еще большей знергоэффективности. Функция утилизатора заключает­ся в том, что он нагревает воду для потребления, работай как в режи­ме охлаждения, так и в отопительный сезон, используя мощность внешнего оборудования в мягкую зиму и делая нагрев воды значительно дешевле. Летом теплая вода становится бесплатной благодаря утилизации отработанного тепла дома, получаемого в ходе охлаждения дома.
Сочетание чиллера и утилизатора увеличивает цену на 25%и более.  В регионах, где природный газ недоступен, вернуть эту дополнительную стоимость в те­чение 2–3 лет не удастся.
Тепловой насос для холодного климата
Одним из направлений в разработках является тепловой насос для холодного климата. Эта систе­ма оснащена двухскоростным двухцилиндровым компрессором, что позволяет ей эффективно работать при температуре ниже −9 С. По предварительным дан­ным этот теплотой насос показал повышение эффективности на 60% в сравнении со стандартным воздушным тепловым насосом. Однако массовым это оборудова­ние станет не скоро из-за сложности производства.
Тепловой насос для любых климатических условий. Как утверждают разработчики, этот тип теплового насоса может работать в холодные дни зимой без дополнительного тепла, обеспечивая комфортную температуру внутри помещения даже при отрицательной температуре внешнего воздуха. Этот тепловой насос может снизить стоимость обогрева  и охлаждения на 25-60%. В то время как усовершенст­вования большинства тепловых насосов сконцентрированы на режиме охлаждения, насос этого типа спроектирован для обогрева. Начальная цена такой систе­мы достаточно высока, но, как и предполагалось, энергоэффективность в процессе эксплуатации ее оправдает.

    «Безвоздуховодные» тепловые насосы мини сплит-систем
Эти тепловые насосы являются хорошим модернизированным дополнением в домах с «невоздуховодной» отопительной системой, таких как гидравлическая (отопление горячей водой), ради­аторные панели и обогреватели (на древесине, керосине, пропа­не). Они также могут быть хоро­шим выбором для дополнения в комнатах, где расширение или установка распределительного воздуховода физически невозможна.
Так же, как обычные воздушные тепловые насосы, мини-сплит-системы состоят из двух компо­нентов: внешнего компрессора / конденсатора и внутреннего воздуховодного устройства. Цепь, в которой находится силовой кабель, трубопровод с хладагентом, трубопровод отсоса и дрен конденсатора, соединяет внешние и внутренние устройства.
Преимущества
Самыми «главными» преимуществами мини-сплит-системы являются ее малые размеры и мо­бильность для зонального обогрева или охлаждения комнат. Многие модели могут иметь до четырех внутренних воздуховодных уст­ройств (для четырех зон или комнат), подсоединенных к од­ному внешнему блоку. Количест­во зависит от того, как надо про­греть или охладить здание или отдельную зону. Так как каждая зона будет оснащена термоста­том, необходимо только задать условия, которые надо создать во время чьего-либо присутст­вия. Такой подход помогает сохранять энергию и деньги.
Установка «безвоздуховодных»мини-сплит-систем также намного проще, чем других сис­тем кондиционирования. Например, для соединения меж­ду внешним и внутренним уст­ройством для цепи обычно требуется сделать в стене отверстие диаметром 70–80 мм. Помимо этого, многие производители этих систем изготавливают соединительные цепи различной длины и при необходимости внешнее устройство можно рас­положить на расстоянии 15 м от внутреннего испарителя. Это позволяет охлаждать комнаты на фронтальной стороне здания, установив компрессор в более удобном и незаметном месте на внешней стороне здания.
Так как мини-сплит-системы не имеют воздуховодов, то нет потерь тепла, имеющихся в цент­рализованной системе принуди­тельной вентиляции. На потери в воздуховодах уходит более 30% потребляемой энергии при конди­ционировании воздуха, особенно если воздуховоды расположены в неподходящих местах, таких как чердак.
В сравнении с другими систе­мами мини-сплит-системы дают больший диапазон дизайнерских решений в интерьере. Внутренние воздушные модули могут быть подвешены к потолку, встроены в потолок или прикреплены к стене. Также существуют напольные модели. Многие внутренние бло­ки имеют глубину около 18 см и обычно имеют сглаженные сов­ременные корпусы. Для боль­шинства устройств предусмотре­но дистанционное включение/ выключением системы, особенно необходимое при расположении блоков высоко на стене или потолке.
Недостатки
Самым глазным недостатком является высокая цена таких сис­тем — она примерно на 30% боль­ше, чем централизованные систе­мы (не включая воздуховод). и может стоить в два раза больше оконного оборудования такой же мощности.
Кроме того, неподходящий раз­мер или неправильный выбор места установки модуля часто приводит к короткому циклу, за счет чего теряется энергия и не обеспечивается требуемая темпе­ратура и влажность. Более гро­моздкие системы также более дороги при покупке и в процессе эксплуатации.
Абсорбционные тепловые насосы
Абсорбционные тепловые насосы приводятся в рабочее состоя­ние не за счет электричества, а благодаря таким источникам, как природный газ. пропан, вода, нагретая от солнца, или вода из геотермального источни­ка. Тек как природный газ — наиболее распространенный источник тепла для абсорбцион­ных тепловых насосов, они также относятся к газовым теп­ловым насосам. Существуют также абсорбционные кулеры, которые работают по тому же принципу, но не реверсивны и немогут служить в качестве источ­ника тепла. Их также называют газовыми кулерами.
В абсорбционных тепловых насосах для индивидуальных домов используется технология абсорбционного цикла с водным раствором аммония для обогрева и охлаждения. Как в обычных теп­ловых насосах, хладагент (аммоний) конденсируется в одном кон­туре для образования тепла; его давление затем падает и хладагент испаряется, чтобы выделить теп­ло. Если система собирает тепло из внутреннего помещении, оно его охлаждает, а при отдаче — обогревает.
Отличие абсорбционных тепловых насосов в том, что испаряю­щийся аммоний не нагнетается под давлением компрессора, а со­бирается в воде. Сравнительно небольшое нагнетание может затем повысить давление раство­ра. Проблема состоит в выделении аммония из воды, чтобы вышла энергия нагрева. При кипении воды тепло выделяется, и цикл возобновляется.
Ключевым компонентом уст­ройств является технология абсорбционного теплообменника (GAX), которая увеличивает эффективность установки за счет выхода тепла при абсорбции аммония в воде. Другая иннова­ция включает высокоэффектив­ное пароотделение. переменный уровень потока аммония и низ­кую  эмиссию, переменную мощ­ность сгорания природного газа.
Главным образом абсорбцион­ные установки нашли свое приме­нение в промышленности и как оборудование для общественных зданий, однако на рынке уже поя­вились абсорбционные кулеры для больших жилых домов, ведутся дальнейшие разработки вэтом направлении.
Использование  абсорбционных кулеров целесообразно в домах, не предусматривающих электроснаб­жение, так как они могут работать на любом другом источнике тепла солнечная энергия, геотермальный водный источник и др. Показателем эффективности воздушных абсорб­ционных кулеров и тепловых насо­сов является КПД.
По материалам зарубежных источников