Как обеспечить кондиционирование помещения с помощью теплового насоса

Тепловой насос является универсальным прибором, который может обогревать дом зимой и охлаждать его летом. Это позволяет решить задачу охлаждения (кондиционирования) тепловым насосом помещения. Данная универсальность является одним из преимуществ теплового насоса относительно других устройств.  Для осуществления этого процесса в тепловом насосе предусмотрены некоторые конструктивные изменения.

Мощность кондиционирования

Кондиционирование наряду с отоплением, так же требует значительных энергетических затрат. Энергетическая нагрузка формируется путём расчета теплопритоков, которые поступают прежде всего от солнечного света, и выделения тепла различными приборами и людьми в помещении.

На рисунке представлен график энергетической нагрузки для дома 200 м2 расположенного в г. Киев со средним утеплением

Поэтому при установке теплового насоса как основного источника теплоснабжения целесообразно предусмотреть возможность эксплуатации теплового насоса для кондиционирования.

Существует два основных вида кондиционирования помещения тепловым насосом различные по принципу действия, потреблению энергии и эффективности холодоснабжения:

• пассивное кондиционирование;
• активное кондиционирование;

Пассивное (естественное) кондиционирование

Пассивное кондиционирование еще называют естественным. Оно требует минимальных затрат электроэнергии, однако будет менее производительным. Данный тип кондиционирования можно использовать только в рассольных тепловых насосах, т.е. использующих грунт или воду в качестве низкопотенциального источника тепла. В воздушных тепловых насосах источником низкопотенциальной энергии является окружающий воздух, температура которого выше комфортной температуры в помещении в летний период.

Схема реализации пассивного кондиционирования тепловым насосом «грунт-вода»

Для реализации пассивного кондиционирования в контур теплового насоса устанавливается дополнительное оборудование: трехходовой клапан, пластинчатый теплообменник и дополнительные насосы. Это позволяет использовать низкую температуру грунта и грунтовых вод (6-10˚С) для охлаждения помещения. Охлажденный в грунте теплоноситель (рассол) направляется непосредственно на дополнительный теплообменник, минуя компрессор теплового насоса. Затем охлажденный теплоноситель поступает в систему распределения энергии и поглощает избыточное тепло из комнат. При этом компрессор остается незадействованным, а электроэнергия расходуется только на работу насосов и других электроприборов системы холодоснабжения.

Мощность пассивного кондиционирования (холодопроизводительность) во многом зависит от размеров источника тепла, температуры и времени эксплуатации. И как правило, может только частично обеспечить потребность дома в кондиционировании. В конце лета, когда грунт уже поглотил значительное количество тепловой энергии, холодопроизводительность будет падать. В связи с этим, наиболее стабильным источником холода будут грунтовые воды, поскольку их температура практически постоянна в течение года. Дополнительным преимуществом пассивного кондиционирования тепловым насосом является быстрая регенерация грунта и  накопление тепла в грунте перед отопительным сезоном. Что в свою очередь улучшит COP теплонасосной системы в отопительный период.

Пассивное кондиционирование, как правило не покрывает полную нагрузку по охлаждению дома, однако является экономически выгодным т.к. коэффициент преобразования COP достигает значения 15-20.

Активное охлаждение

Активное кондиционирование доступно для всех типов тепловых насосов. При активном охлаждении тепловой насос работает в обратном цикле. Еще этот процесс называют «Реверсным режимом».

Для обеспечения активного кондиционирования в контур теплового насоса встраивают четырехходовой клапан и дополнительный дроссельный клапан. В данном случае циркуляция рабочей жидкости происходит в обратном направлении. Конденсатор становится испарителем и наоборот.

Схема работы теплового насоса на нагрев

Схема работы теплового насоса на кондиционирование

При работе теплового насоса в режиме активного кондиционирования коэффициент использования энергии EER применяемый для расчетов кондиционирования (по аналогии с СОР для тепловой энергии) будет немного ниже, чем при режиме работы теплонасосной системы в отопительном режиме. Это связано с избытком тепла от компрессора возникающее при его работе, которое в данном режиме является побочным. Для обеспечения максимального комфорта холодопроизводительность должна быть основным при подборе теплового насоса в более жарких регионах.

Распределение холода

При проектировании теплового насоса с возможностью работы на кондиционирование необходимо предусмотреть систему распределения холода.

Как и при работе теплового насоса на охлаждение, так же существует два основных варианта систем распределения холода в помещении:

• Активные систем.
• Пассивные системы.

К активным системам относятся фанкойлы. Эти приборы оснащены дополнительным малошумным вентилятором, помогающим равномерно распределить холод или тепло в помещении, а также имеет отвод конденсата.

Фанкойлы могут быть как напольными, настенными, потолочными и канальными. Канальные фанкойлы часто встраивают в воздуховоды системы вентиляции.

Распределение потоков холодного и горячего воздуха фанкойлами

Фанкойл эффективно работает как для охлаждения, так и для отопления, поэтому могут работать как основные приборы распределения энергии в доме, так и как вспомогательные для летнего сезона.

Пассивное распределение холода реализуется за счет установки так называемых «холодных потолков и стен». Такие системы требуют достаточно большой площади поверхности для достижения высокой холодопроизводительности.

Мощность холодных потолков может достигать до 75 Вт с одного квадратного метра площади. Основным недостатком таких систем является риск образования конденсата, поэтому автоматика холодных стен/потолков должна быть оснащена датчиком влажности для определения точки росы. Обычно при нормальной влажности помещения температура поверхности не должна быть ниже 16 градусов чтобы на ней не конденсировалась влага.

Однако используя более теплый теплоноситель системы тёплых стен/потолков тем самым повышают EER теплового насоса в активном режиме а так же достигается большая эффективность при пассивной системе отбора холода из грунта.