Тепловой насос для отопления частного дома: как работает и когда он оправдан

Тепловой насос не превращает электричество в тепло напрямую, как электрокотёл. Он забирает тепло снаружи — из воздуха, грунта или воды — и переносит его в дом. Электричество расходуется на компрессор, циркуляционные насосы, вентилятор и автоматику; в мороз к ним может добавиться резервный электронагреватель. Поэтому на каждый киловатт-час из сети насос отдаёт в систему отопления несколько киловатт-часов тепла. Это соотношение называется коэффициентом преобразования, COP.

Тепловой насос оправдан, когда к участку не подведён магистральный газ, дом хорошо утеплён, а отопление работает на низкой температуре — тёплый пол или радиаторы с запасом площади. Он особенно выручает, если выделенной электрической мощности не хватает на электрокотёл нужной мощности. Если газ уже есть, а дом теряет много тепла, сначала сравните газовый котёл и утепление: дорогой тепловой насос в таком доме может себя не оправдать.

Как он работает

Устройство использует тот же холодильный цикл, что и холодильник, но полезное тепло отдаёт в дом. В наружном теплообменнике холодильный агент кипит при низкой температуре и забирает тепло из уличного воздуха, грунта или воды — даже если они холодные. Компрессор сжимает пар, его температура растёт. Во внутреннем теплообменнике агент конденсируется и отдаёт тепло воде системы отопления. Затем цикл повторяется.

Чем меньше разница температур между источником тепла и водой в системе, тем легче насосу и тем выше COP. Отсюда два главных правила выбора: важен источник тепла и важна температура, до которой нужно греть воду.

Какие бывают тепловые насосы

Для дома с водяным отоплением полезно сравнить «воздух — вода» и «грунт — вода». Первый дешевле на старте. Второй дороже из-за земляных работ или бурения, зато меньше зависит от морозов.

Как читать эффективность в паспорте

Производители указывают COP по европейскому стандарту EN 14511 в отдельных точках. Запись A2/W35 означает: воздух снаружи +2 °C, вода на выходе +35 °C. A-7/W35 — то же при −7 °C на улице. Сезонный коэффициент SCOP считают по стандарту EN 14825 за весь отопительный сезон. Он зависит от выбранной климатической зоны и температуры подачи.

Как это выглядит на практике, видно по паспорту воздушного насоса Stiebel Eltron WPL 19 A:

У этой модели COP при −7 °C ниже, чем при +2 °C, а SCOP при подаче 55 °C ниже, чем при 35 °C. Но ни отдельный COP, ни паспортный SCOP не обещают такой же результат в вашем доме. Проверяйте климатический профиль испытаний, режим подачи и учёт дополнительного нагрева. Сравнивать марки можно только в одинаковых условиях; данные этой модели не переносят на весь класс насосов.

Почему важна температура подачи

Низкотемпературный тёплый пол хорошо сочетается с тепловым насосом. Подача 35 °C — одна из стандартных точек сравнения, но рабочую температуру определяет проект: теплопотери, шаг трубы и покрытие пола. Радиаторы в старых проектах часто рассчитаны на горячую воду: при низкой температуре подачи они не прогреют дом в мороз. Тогда насосу приходится греть воду сильнее, и его выгода сокращается.

Если дом уже с радиаторами, проектировщик проверяет, хватит ли их площади при пониженной температуре подачи. Иногда достаточно заменить несколько радиаторов в холодных комнатах. Иногда переделка обходится так дорого, что выгоднее другое решение. Как устроен водяной тёплый пол, разобрано в статье про коллектор тёплого пола.

Морозы и сырость под Петербургом

Северо-Запад — непростой регион для воздушного теплового насоса по двум причинам.

Мороз. В отдельные зимы температура опускается ниже −20 °C, то есть ниже предела работы некоторых моделей. Даже выше этого предела мощность и COP воздушного насоса падают именно тогда, когда дому нужно больше тепла. Поэтому систему проектируют с резервом: встроенным электронагревателем или другим согласованным источником тепла. Более мощный насос сам по себе не заменяет резерв и не отменяет нижнюю границу работы. Температуру, ниже которой насос в одиночку уже не справляется, называют точкой бивалентности. Её определяют при проектировании.

Оттайка. При температуре около нуля и высокой влажности — частая погода для осени и зимы региона — наружный теплообменник обмерзает. Насос периодически его оттаивает и в это время почти не греет. В наших условиях это нормально, но талая вода должна уходить. В инструкциях производителей рекомендуют поднимать наружный блок над землёй и следить, чтобы дренажные отверстия не забивались, иначе под блоком нарастает лёд.

Грунтовому насосу не нужна оттайка наружного воздушного теплообменника. Однако температура его контура тоже меняется: слишком короткий коллектор и чрезмерный отбор тепла ухудшают работу. Длину и расположение контура рассчитывают по грунту, источнику и годовой нагрузке.

Электрическая мощность и счета за свет

Тепловой насос потребляет из сети в несколько раз меньше, чем электрокотёл той же тепловой мощности. Поэтому он помогает, когда на участок выделено ограниченное количество киловатт. Но учитывайте резервный электронагреватель: в сильный мороз он может работать вместе с компрессором, и пиковая нагрузка растёт. Её считают вместе с остальными приборами дома. Как рассчитать мощность электрического отопления, мы разбирали в статье про мощность электрокотла.

Как прикинуть, окупится ли тепловой насос

Окупаемость считают для своего дома. Сначала соберите исходные данные:

1. Годовая потребность в тепле, кВт·ч. Расчёт теплопотерь в кВт описывает необходимую мощность в заданную погоду; годовой расход получают отдельно по климату и режиму проживания. В существующем доме используют историю потребления, исключив бытовое электричество и отдельно учтя горячую воду.
2. Ожидаемая сезонная эффективность всей системы. Попросите расчёт для местного климата, вашей температуры подачи и резервного нагрева. Паспортный SCOP — отправная точка, а не готовое значение для Ленинградской области.
3. Тариф и дополнительные расходы. Учтите диапазоны потребления, дневную и ночную зоны, сервис и вспомогательное оборудование. Рост расхода зимой может менять итоговую стоимость электричества.
4. Полная стоимость каждого варианта. Сравните оборудование, монтаж, переделку радиаторов, контур, электрическое подключение и резерв. У альтернативы тоже есть вложения и обслуживание.

Для предварительной оценки стоимость единицы тепла равна тарифу на электричество, делённому на ожидаемый сезонный коэффициент всей системы. Если в расчёте используется коэффициент только самого насоса, расход резервного нагревателя, насосов и автоматики добавляют отдельно; дважды учитывать их нельзя.

Условный пример расчёта, а не прогноз экономии. Допустим, на отопление нужно 18 000 кВт·ч тепла за год. Насос покрывает 90% этой потребности с расчётным сезонным коэффициентом 3, оставшиеся 10% даёт электронагреватель. Тогда расход составляет 16 200 / 3 + 1 800 = 7 200 кВт·ч, до отдельно учитываемых вспомогательных затрат. Прямое электрическое отопление потребовало бы примерно 18 000 кВт·ч: разница 10 800 кВт·ч. Умножьте её на свой эффективный тариф, затем вычтите разницу в ежегодном обслуживании. Числа в примере выбраны только для объяснения арифметики.

Переплата за систему, делённая на положительную годовую экономию, даёт простой срок окупаемости. Он не учитывает изменение тарифов, стоимость денег и будущие ремонты. Если экономия получилась нулевой или отрицательной, такой расчёт срока бессмыслен. Проверьте хотя бы два сценария: ожидаемый и неблагоприятный — с большим участием резерва и более низкой эффективностью. Как сравнивать источники энергии, разобрано в статье о том, что выгоднее для отопления — газ или электричество.

До заказа запросите у подрядчика тепловую мощность и электрическое потребление при расчётном морозе и нужной подаче, схему резерва, решение по отводу воды оттайки, защиту наружного водяного контура при отключении света и доступность сервиса. Обещания «работает до −25 °C» без данных о мощности и потреблении для этого недостаточно.

Когда выбор требует особенно тщательного расчёта

• К дому подведён газ. Газовый котёл обычно дешевле на старте, а разница в эксплуатации может не окупить переплату.
• Дом плохо утеплён. Насос придётся брать мощнее и дороже, а работать он будет в невыгодном режиме. Сначала утепление — как его спланировать, рассказано в материале про утепление частного дома.
• Радиаторы рассчитаны на горячую воду, менять их нет возможности. Проверяйте мощность и эффективность насоса при такой подаче: высокотемпературные модели существуют, но их экономика отличается.
• Дом используется лишь несколько недель зимой. При малом годовом потреблении тепла экономия может не оправдать высокие первоначальные затраты.
• Электросеть нестабильна, а резерва нет. При отключении света насос не работает, как и электрокотёл.

С чего начать

Начните с расчёта теплопотерь: от него зависят мощность насоса, выбор источника тепла и то, хватит ли текущих радиаторов. Затем оцените участок: есть ли место для наружного блока подальше от окон спален и соседей, и найдётся ли площадь под грунтовый коллектор. Сравните варианты по цене тепла, а не только по цене оборудования. Если газа на участке нет, посмотрите, какие схемы мы предлагаем для отопления дома без газа. Грунтовый вариант требует отдельного проекта участка и контура.