Воздушное отопление и кондиционирование

Во время строительства загородного дома может остро встать вопрос охлаждения. Особенно это касается домов, построенных в соответствии с современными трендами в архитектуре. Например, имеющих большую площадь остекления или панорамное остекление фасада.

Какие способы кондиционирования популярны?

Существуют различные варианты решения проблемы перегрева дома в летний период. Рассмотрим самые популярные и наиболее рациональные:

1. Установка настенной сплит-системы в каждой комнате;
2. Использование канального кондиционера, совмещенного с системой приточной вентиляции дома;
3. Применение системы воздушного отопления и кондиционирования.

Сплит-системы

Первый вариант (сплит-системы) отлично подходит для небольшой квартиры — когда нужно охладить 1-2 комнаты. Для частного дома это будет весьма затратно, так как в каждом помещении придется вешать внутренний блок, а внешние блоки кондиционера — на фасад дома. Если же комнат в доме много, фасад превратится в стену из сплит-систем. К тому же, каждую сплит систему необходимо отдельно настраивать и так же отдельно ей управлять. Такой набор из сплит-систем может оказаться затратным по стоимости оборудования и отрицательно сказаться на внешнем виде дома. И такой вариант не решает проблему вентиляции в доме. Данный вариант подойдет, если дом уже эксплуатируется, и нет возможности установить канальную систему.

Задействование приточной вентиляции

Второй вариант (использование приточной вентиляции) имеет больше плюсов чем предыдущий вариант, так как он совмещает в себе не только охлаждение, но и приточную вентиляцию. Такая система будет занимать больше места, ведь необходимо развести по дому сеть подающих воздуховодов. По ним в помещения будет поступать свежий воздух с улицы. В летнее же время охлаждать помещения дома будет встроенный в эту сеть канальный кондиционер.

Такая система более затратна, поскольку требует дополнительных расходов на воздуховоды и охлаждает большой объем приточного воздуха с высоким перепадом температур, который потом просто выбрасывается через вытяжку. И, хоть такая система комфортна, но функции отопления в ней нет. Для отопления, в данном случае, необходимо будет устанавливать отдельно отопительную систему, например — водяные трубы с радиаторами или систему теплых полов. Комплект таких систем будет стоить серьезных вложений. Можно конечно, поставить в приточку и вытяжку рекуператор и что-то экономить, но он тоже стоит денег и часто немалых.

Воздушное отопление

Третий вариант (воздушное отопление) представляет собой комплексное решение для частного дома. Ведь воздушное отопление выполняет не только функцию отопления, но также обеспечивает вентиляцию и охлаждение. В доме прокладывается сеть подающих и обратных воздуховодов, обеспечивающих циркуляцию воздуха внутри с подмесом свежего воздуха с улицы. Для охлаждения, как и во втором варианте, используется канальный кондиционер. Вот только затраты на охлаждение будут значительно меньше. Ведь он будет работать на охлаждение внутреннего воздуха с невысоким перепадом температур и небольшого количества приточного воздуха, рассчитанного на количество проживающих.

Кроме того, для повышения климатического комфорта можно легко установить:

• Канальный увлажнитель, который сможет в зимнее время поддерживать оптимальную влажность воздуха в доме;
• Электростатический фильтр — для высокой степени чистки воздуха во всём доме;
• Ультрафиолетовый стерилизатор для обеззараживания воздуха в доме.

Такая климат система будет значительно дешевле второго варианта и в то же время может иметь больше функций за меньшие деньги. Причем она не будет абсолютно ни в чем уступать набору различных «классических» систем, а где-то — даже превзойдет его.

Автор: Брух Сергей Викторович.

Группа компаний «МЭЛ» — оптовый поставщик систем кондиционирования Mitsubishi Heavy Industries.

www.mhi-systems.ru Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Воздушные тепловые насосы для отопления коттеджей использовались достаточно давно – в Финляндии и Швеции накоплен большой опыт их применения. Поводом для написания данной статьи послужил практический пример в нашей стране – в Подмосковье осенью 2013 года для обогрева небольшого коттеджа был установлен воздушный тепловой насос (канальный кондиционер Mitsubishi Heavy Industries FDUM71V) .

Система успешно отработала зиму 2013-2014 года при достаточно низких наружных температурах (до -25С) и показала свою жизнеспособность в российских условиях. Учитывая сегодняшние характеристики оборудования и постоянное совершенствование систем кондиционирование в режиме тепла, постараемся в этой статье определить будущее технологии воздушных тепловых насосов для северных стран.

Отопление воздух — воздух

Традиционно системы кондиционирования воздуха воспринимались именно как системы охлаждения и иногда вентиляции помещений. При работе кондиционера зимой в режиме воздушного теплового насоса эффективность его снижалась, примерно при температуре -5 С тепловой коэффициент падал до значения 1, и при дальнейшем снижении наружной температуры эффективнее было использовать обычные электрообогреватели. Но все это было справедливо для систем кондиционирования воздуха на фреоне R22, с ON-OFF регулированием производительности компрессора. Новые системы кондиционирования Mitsubishi Heavy Industries (Japan) обладают принципиально большим температурным диапазоном использования в режиме тепла – до -20 С.

Рис. 1. Схема обогрева коттеджа с помощью воздушной системы с тепловым насосом.

Благодаря чему существенно расширен температурный диапазон?

Во-первых, это использование фреона R410A, который обладает существенно бОльшим рабочим давлением, чем фреоны R22 или R407C (табл. 1). Это приводит к тому, что при понижении температуры наружного воздуха снижается температура и давление кипения фреона в наружном блоке. Снижение давления приводит к меньшей плотности газа на всасывании компрессора, и, следовательно, к снижению его производительности. Давление фреона R410A изначально больше в 1,5 – 2 раза, чем фреона R22, поэтому снижение производительности компрессора тоже происходит, но не так значительно.

Табл. 1. Давление газообразного фреона в состоянии насыщения, 105 Па.

Температура кипения

Фреон R22

Фреон R410A

Во-вторых, использование полиэфирного (PОЕ) масла для смазки компрессора, вместо применяемого ранее минерального (МО). Преимущества полиэфирных масел по сравнению с минеральными – лучшие смазывающие качества, меньшая кинематическая вязкость при низких температурах, меньшая температура застывания. Благодаря этому запуск компрессора при низкой температуре происходит плавно, с меньшей нагрузкой на двигатель.

В-третьих, применение DC-инверторного привода компрессора позволяет добиться высокой экономичности работы, отсутствия повышенных пусковых токов и плавности регулирования производительности даже при низких наружных температурах.

Таким образом, уже сегодня возможно использование систем кондиционирования Mitsubishi Heavy Industries для обогрева коттеджей в зимнее время. Но насколько воздушное отопление дома экономично? Давайте ответим и на этот вопрос:

Расчет теплового насоса

С точки зрения теории тепловых насосов, максимальная величина теплового коэффициента зависит от температуры источника тепла (наружного воздуха — Тн) и приемника тепла (внутреннего воздуха в помещении — Тв). Идеальный верхний температурный уровень Тв теплового насоса равен температуре внутреннего воздуха в зимний период, которую можно принять +20 ˚С или +293 ˚К.

Идеальный нижний температурный уровень Тн равен температуре наружного воздуха. Для условий России данный параметр имеет различные расчетные значения, которые могут колебаться от –45 ˚С до –20 ˚С. Как нечто среднее рассмотрим расчетную температуру наружного воздуха по параметрам Б для города Перми. Она равна –35 ˚С или 238 ˚К.

Сейчас мы можем вычислить значения удельной затраты работы и коэффициента трансформации теплоты (тепловой коэффициент СОР):

Следовательно, при тех параметрах, которые мы приняли в качестве исходных данных, мы можем максимально получить 5,33 кВт тепловой энергии, затратив 1 кВт электрической. Согласитесь, полученная величина выглядит достаточно большой, учитывая, что мы взяли для расчета крайние температурные параметры и большую часть отопительного периода таких низких температур не будет. Однако реальная величина полученной тепловой энергии будет несколько меньше, т.к. в расчетах мы не учли необратимость процессов сжатия в компрессоре и дросселирования в ТРВ, пониженную температуру кипения в наружном блоке и повышенную во внутреннем. При повышении температуры наружного воздуха эффективность теплового насоса увеличивается (рис. 2).

Рис. 2. График производительности наружного блока при снижении наружной температуры.

Согласно принципа работы теплового насоса, ТН охлаждает наружный воздух и полученную энергию отдает в обслуживаемые помещения. Естественно, чем ниже температура наружного воздуха, тем меньше эффективность теплового насоса. Конкретные величины энергопотребления можно получить, зная коэффициент энергетической эффективности кондиционера при понижении температуры наружного воздуха (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость теплового коэффициента от температуры наружного воздуха.

Как следует из рисунка, тепловой коэффициент реального воздушного теплового насоса меняется от 3,8 единиц при +10 С, до 2,4 единиц при -20 С и в среднем за отопительный период равен 3. Т.е. использовать новые кондиционеры на 410 фреоне в качестве теплового насоса для отопления дома ровно в три раза выгодней, чем обычные электрообогреватели.

Особенности при использовании кондиционера в качестве обогревателя:

Выбор производительности и типоразмера внутренних и наружных блоков.

Выбор производительности внутренних блоков осуществляется в первую очередь исходя из требуемой мощности обогрева по каждому помещению. Требуемая мощность обогрева коттеджа зависит от многих факторов: района строительства, площади и термического сопротивления ограждающих конструкций, величины инфильтрации через окна и двери. Но в целом для отопления коттеджей средней полосы России требуется от 60 до 100 Вт на 1 м2 помещения. При проектировании мы должны учесть, что чем ниже температура наружного воздуха, тем больше нам требуется тепла для обогрева помещений. С другой стороны, чем ниже температура воздуха вокруг наружного блока – тем меньше эффективность теплового насоса. Поэтому расчет производительности системы нужно делать исходя из самых неблагоприятных условий – температуры наружного воздуха минус 20 С.

При минус 20 С производительность теплового насоса падает примерно до 60% от номинальных значений. Таким образом если наружный блок имеет номинальную производительность на тепло 25 кВт, 60% от этой величины составит 15 кВт тепла, что достаточно для отопления коттеджа площадью 150 – 200 м2. Для больших размеров коттеджей возможно применять несколько систем тепловых насосов либо VRF систему кондиционирования (до 1000 м2 обогреваемой площади с помощью одной системы).

Особенности воздушного режима помещения.

При работе любого обогревателя, для равномерного перемешивания теплый воздух необходимо подавать в нижнюю зону помещения. Если этого не сделать, то может возникнуть большой перепад температур между полом и потолком. Поэтому необходимо либо внутренний блок размещать как можно ниже, либо подавать теплый воздух в нижнюю зону в области пола. В Японии уже давно принято использовать в качестве обогревателей именно воздушные тепловые насосы, поэтому классическое расположение внутреннего блока применяется именно как на рисунке 4.

Рис. 4. Вариант интерьера жилых помещений с установкой внутренних блоков канального типа под окнами.

Утилизация теплоты вытяжного воздуха.

Не нужно забывать про естественный источник теплого воздуха с температурой +20С – вытяжной воздух с санузлов и кухонь. Не использовать эту энергию просто преступление. Поэтому конструктивно необходимо направлять выброс вытяжного воздуха на наружный компрессорно конденсаторный блок. Расход воздуха наружного блока, конечно, значительно больше, чем расход рециркуляционного вытяжного воздуха, но, тем не менее, смесь наружного воздуха и вытяжного будет значительно теплее, чем просто наружный воздух зимой.

Для примера возьмем коттедж с кратностью 2. Значит на 1 м2 площади приходиться 6 м3/ч приточного воздуха и соответственно столько же вытяжного. Расчетная производительность системы отопления около 80 Вт/м2 помещений. Если посмотреть на характеристики наружных блоков, то на 1 кВт производительности по теплу приходиться 300 м3/ч производительности по воздуху вентилятора наружного блока. Приводя к 1 м2 помещений, получаем 38 м3/ч наружного воздуха. Для наружного блока важно, чтобы температура смеси была не ниже –20°С. Значит, минимальная температура наружного воздуха при организации обдува конденсаторов вытяжным воздухом составляет:

Т.е. за счет подогрева вытяжным воздухом минимальная температура наружного воздуха может быть -27С.

Расчетные температуры наружного воздуха для разных городов России

Выше мы выяснили, что за счет утилизации теплоты вытяжного воздуха возможно расширить температурный диапазон работы до –27 °С. Таким образом, климатические условия городов на юге России уже позволяют использовать кондиционеры Митсубиси не только для охлаждения помещений в теплый период, но и для их обогрева в холодный. Отсюда возникает первый вопрос – а для каких городов возможно использование системы воздушного отопления в качестве основного и единственного источника обогрева помещений? Давайте посмотрим на расчетные температуры наружного воздуха по параметрам Б для зимнего периода (см. таблицу).

Город

Параметры Б, °С

(наиболее холодные 5 дней)

Параметры А, °С

(наиболее холодный месяц)

Таким образом, для средней полосы и юга России установка воздушных тепловых насосов с рекуперацией вытяжного воздуха возможна в качестве основной и единственной системы отопления дома. Для наружной температуры ниже -20С желательно иметь в запасе дополнительный источник тепла (например, камин), но большую часть отопительного периода все равно обеспечивается за счет теплового насоса с эффективностью в 3-4 раза большей, чем простой электрообогреватель.

Тепловой коэффициент воздушного теплового насоса меняется от 3,8 единиц при +10 С, до 2,4 единиц при -20 С. Чтобы понять, какой тепловой коэффициент будет средним за отопительный сезон, необходимо знать, какая температура наружного воздуха зимой является средней. Давайте обратим внимание на частоту определенной температуры наружного воздуха, например для г. Перми (рис. 5).

Рис. 5. Частота определенной температуры наружного воздуха для Перми.

Мы видим две линии: синяя – характеризует самый холодный год за последние 50 лет; фиолетовая – 2007 год. Выводы, которые мы можем сделать их этих графиков:

Показатели наружной температуры для Перми

Самый холодный за 50 лет

2007 год

Самые часто повторяющиеся температуры в течение отопительного периода

Средняя температура отопительного периода

Число суток с температурой наружного воздуха -20 С и ниже

Доля часов с температурой наружного воздуха -20 С и ниже (% от всего отопительного периода)

Средний тепловой коэффициент теплового насоса

Режим оттайки наружного блока и отвод конденсата.

При работе системы тепловых насосов наружный воздух охлаждается и из него выделяется конденсат, который благополучно намерзает на наружном блоке, снижая его производительность. Для удаления этого льда система применяет режим оттайки. Насколько снижается производительность наружного блока за счет режима оттайки? Это зависит главным образом от влагосодержания наружного воздуха. Особенностью влажного воздуха является снижение влагосодержания при снижении его температуры. Поэтому снижение производительности на тепло происходит в большей степени при температуре от +5 С до -10 С (максимум на 14%, рис. 6): А при расчетной температуре минус 20 С падение производительности составляет всего 2%, что не критично для выбора расчетной мощности системы.

Рис. 6. Коррекция мощности наружного блока по теплу на процесс стаивания инея.

Для удаления льда с наружного блока система кондиционирования включает режим оттайки, физический смысл которого сводится к кратковременному переключению кондиционера в режим охлаждения. Внутренние блоки при этом не работают, а компрессор подает фреон с температурой около 70 С на теплообменник наружного блока в течение 10 минут. Образовавшийся иней быстро тает и стекает с наружного блока. Но так как вокруг наружного блока отрицательная температура, то происходит снова замерзание конденсата под наружным блоком в виде огромных сосулек. Т.е. в случае использования системы кондиционирования в режиме тепла – нужно обязательно предусмотреть зимний комплект кондиционера, дооснащённый греющим кабелем для подогрева поддона наружного блока . Также желательно сделать организованное удаление конденсата от наружного блока по дренажным трубопроводам, которые должны быть обязательно подогреваемы и в теплоизоляции.

Выводы: использование новых инверторных систем кондиционирования Mitsubishi Heavy Industries (Japan) в качестве тепловых насосов для отопления дома (а так же любых жилых зданий и гостиниц) вполне оправдано и экономично. Основные преимущества такого вида отопления следующие:

1. Стоимость универсальной системы обогрева и охлаждения помещений ниже, чем отдельно система отопления и кондиционирования.
2. За счет использования электронной системы регулирования производительности система кондиционирования точно поддерживает требуемую температуру в помещениях и быстро выходит на расчетный режим.
3. Отопление дома с помощью теплового насоса очень экономично – даже для условий Москвы средняя температура отопительного периода -3 С, а система в среднем будет давать три – четыре кВт тепла на 1 кВт потребляемой энергии. Для юга России коэффициент энергоэффективности еще больше.
4. Энергоноситель – фреон. Значит, при любых отключениях электричества систему разморозить невозможно.
5. И самое главное – установив тепловой насос воздух — воздух на основе системы кондиционирования Mitsubishi Heavy Industries, хозяин коттеджа получит не только эффективный обогрев зимой, но и полноценное поддержание комфортной температуры воздуха летом.

Недостатком систем отопления "воздух — воздух" на сегодняшний день является необходимость использования резервного источника тепла для наружной температуры -20С и ниже (например, камин). Но 90% времени обогрев коттеджа будет осуществляться именно от работы теплового насоса.

Воздушное отопление в частном секторе менее распространено в России, однако в настоящее время домов с воздушным отоплением становится все больше.

Воздушное отопление отличается от водяного отопления тем, что в нем отсутствует промежуточный теплоноситель — вода, циркулирующая по трубам, и воздух нагревается непосредственно в воздухонагревателе. Быстрый прогрев помещений и минимальное потребление энергии- основные преимущества системы воздушного отопления.

Воздух, подаваемый по воздуховоду в воздухонагреватель из помещения или снаружи, нагревается до требуемой температуры и подается по подающим воздуховодам в помещения по всему дому.

Стоимость системы воздушного отопления сопоставима со стоимостью системы водяного отопления , однако фактически, с учетом открывающихся возможностей окончательная стоимость воздушного отопления может существенно превышать стоимость водяного отопления.

При выборе воздушного отопления часто дополнительно заказывают следующее оборудование:

• увлажнитель воздуха;
• фильтр тонкой очистки воздуха;
• стерилизатор воздуха ультрафиолетовый;
• комплекты зонального регулирования температуры воздуха;
• канальный кондиционер для охлаждения воздуха в доме;
• регулятор температуры программируемый.

Дополнительная установка указанного оборудования к основному оборудованию позволяет создать полноценный комфортный климат в доме, добиться которого при водяном отоплении возможно только при весьма существенных затратах.

В среднем, стоимость воздушного отопления дома с простейшей фильтрацией воздуха площадью от 150 до 400м 2 может колебаться от 250 до 650 тыс. рублей.

Как устроена система воздушного отопления и кондиционирования дома

Практически любая система воздушного отопления частного дома состоит из следующих основных элементов :

— Воздухонагреватель газовый или жидкотопливный (солярка) тепловой мощностью до 35-37кВт;
— Термостат , чаще программируемый, позволяющий задавать различные режимы работы воздухонагревателя;
— Фильтр воздушный;
— Увлажнитель воздуха;
— УФ-стерилизатор воздуха (как опция);
— Воздуховоды металлические для распределения воздуха;

Вместе с системой воздушного отопления, как правило, монтируется и система кондиционирования, которая, обеспечивает охлаждение и подачу воздуха в помещения и интегрирована в систему воздушного отопления.

Система кондиционирования состоит из следующих элементов:

— Внешний блок (конденсаторный) кондиционера, как правило, один на весь дом;
— Внутренний блок (испаритель или охладитель), чаще устанавливается непосредственно на воздухонагреватель;
— Фреонопроводы , соединяющие внешний и внутренний блок;

Обе системы — воздушного отопления и кондиционирования работают с общей системой воздуховодов, термостатом и одним общим подающим вентилятором, обеспечивающим подачу теплого или охлажденного воздуха и установленным в воздухонагревателе.

Правильный выбор

Один из самых важных аспектов, который следует учитывать при выборе системы отопления – это размер. Самая большая система отопления не всегда лучшая. Слишком большая система отопления часто включается и выключается, создавая короткие циклы нагрева и заставляя ее использовать больше энергии, чем необходимо. Система отопления, которая постоянно колеблется между включением и выключением, никогда не достигнет максимальной производительности и быстрее выйдет из строя.

Чтобы избежать этой ситуации необходимо сделать правильный расчет потерь тепла.
Этот расчет учитывает количество и типы окон в вашем доме, размер вашего дома, ориентацию вашего дома на солнце, количество уровней изоляции в потолках, стенах и полах.