По материалам компании Lennox (Украина)

Тепловые насосы с теплообменником вода-воздух являются компрессионными системами, работающими от электропривода и оснащенными теплообменниками типа водахладагент. Теплообменник является связующим звеном, соединяющим оборудование холодильного цикла с водным резервуаром, что представляет собой открытую (скважина) или замкнутую (трубопроводные магистрали, заполненные водой) системы. Так как теплообменник вода-хладагент не обязательно устанавливать в водном резервуаре, все составляющие системы со стороны подачи хладагента и воздуха могут быть размещены в одном блоке. Это значит, что обе магистрали (подающая и обратная) будут обеспечивать связь между гидравлической системой и системой комфортного кондиционирования.

Обычно водяной тепловой насос является единственным источником теплоты (это оборудование обычно не работает в паре с печью, работающей на природном топливе). Это значит, что оборудование холодильного цикла может дополнительно оснащаться нагревательными спиралями электрического сопротивления, которые активируются второй ступенью термостата помещения. Тепло «второй ступени» (дополнительное тепло) не требуется, если оборудование холодильного цикла может удовлетворить условиям расчетной тепловой нагрузки зимнего периода. Это условие также выполняется для теплого или мягкого зимнего климата.

Односкоростные водяные тепловые насосы являются достаточно эффективными системами. Однако в целях поддержания более комфортных условий в помещении, меньшего количества требуемого дополнительного тепла и, следовательно, более низких эксплуатационных затрат, что обеспечивается за счет более точного соответствия между производительностью компрессора и сезонными изменениями нагрузок, рекомендуется использовать многоскоростные системы.

Технические характеристики — «холод»
Когда водяной тепловой насос работает в режиме охлаждения, эффективность его работы определяется явной и скрытой производительностью, а также уровнем потребляемой электрической мощности. На эти параметры, в свою очередь, влияет температура подающейсяводы, расход воды, расход воздуха, а также его параметры при поступлении в теплообменную спираль (табл. 3).

Скрытая производительность
Что касается осушающего потенциала оборудования, то скрытая производительность водяных тепловых насосов может превышать производительность воздушных моноблочных систем той же мощности или быть приблизительно одинаковой с воздушными тепловыми насосами, в зависимости от температуры подающейся воды. Если температура подающейся в теплообменник воды сравнительно низкая, между -1 и 21 °С (что типично для открытой системы, где источником служит скважина), уровень явного тепла теплообменной спирали будет достаточно низким. Однако если температура подающейся воды соответствует летней расчетной температуре наружного воздуха 26 °С и выше (что типично для замкнутой системы), показатель явного тепла спирали теплообменника будет близок к показателю системы с воздушным охлаждением спирали.

Технические данные — «тепло»
При непрерывной работе системы в режиме «тепло» теплопроизводительность системы с теплообменником вода-воздух напрямую зависит от температуры воды, поступающей в теплообменник. В меньшей мере работа системы зависит от расхода воды и еще в меньшей мере — от температуры воздуха на входе во внутренний теплообменник. Пример такой зависимости представлен в табл. 6.

Оптимальный расход воды
Оптимальный расход воды в гидравлической части системы зависит от типа гидравлической системы. В случае открытой системы, где источником воды является скважина, минимальный расход воды, заявляемый производителем, будет достаточным, так как повышение расхода незначительно влияет на улучшение производительности. Однако в случае замкнутой системы расход воды должен быть достаточным для обеспечения турбулентного потока воды в гидравлической части системы.

Цикл оттаивания
В работе системы с источником теплоты — вода исключен цикл оттаивания. Однако это не означает, что температура воды, поступающей в теплообменник вода-хладагент, не может быть ниже температуры замерзания. Если гидравлический контур теплового насоса с грунтовыми теплообменниками устанавливается в условиях холодного климата, вместо воды система должна заполняться антифризным раствором, таким как, например, этиленгликоль.

Ограничения мощности системы
При работе водяного теплового насоса на охлаждение и обогрев мощность оборудования подбирается по нагрузке по охлаждению. Как было отмечено ранее, избыточная холодопроизводительнсть, в зависимости от особенностей местного климата, не должна превышать 25-15 % общей (явная плюс скрытая) нагрузки по охлаждению. Это обусловлено необходимостью контролировать уровень влажности в помещении в условиях частичной расчетной нагрузки. Однако в условиях сухого климата контролировать влажность не трудно. В этом случае, количество избыточной холодопроизводительности может превышать 25 %, конечно, если только это является экономически оправдано.

Балансировочная точка
Производительность теплового насоса главным образом определяется температурой, подающейся в теплообменник воды, которая (в зависимости от типа системы — отрытая, замкнутая) совсем или лишь в незначительной мере зависит от температуры внешнего воздуха. График на рис. 9 показывает пример балансировочной точки в системе с водяным тепловым насосом.

В системе, использующей любой тип тепловых насосов, возможно большое количество балансировочных точек, в зависимости от данного конкретного приложения. При построении рис. 9 использовали стандартную методологию, учитывающую влияние уровня поступления тепла солнечной радиации в здание и внутренних нагрузок (следует отметить, чтопеременная точка (точка фазового изменения) 18,3 °С лежит на кривой нагрузки ограждающей конструкции здания). Также предполагалось, что установленная производительность будет отображать расчетную, что отражается в технических характеристиках работы системы. Предполагалось, что установленная производительность будет отображать расчетную, заявляемую производителем. На практике это случается редко, так как уровень поступления тепла солнечной радиации и внутренние нагрузки могут превышать или быть меньше предполагаемых, а также благодаря таким факторам, которые не принимались во внимание, как изменение температуры воды, поступающей в теплообменник, засоренные трубки теплообменника, грязные фильтры или некорректная заправка хладагента, что может привести к снижению доставляемого тепла. В любом случае расчетное значение балансировочной точки является вторичным результатом расчетов мощности теплового насосного оборудования по величине нагрузки по охлаждению. Это значит, что контроль балансировочной точки можно осуществлять в пределах дополнительной мощности 0-25 %. Другими словами, небольшая нагрузка по охлаждению, по сравнению с нагрузкой по отоплению, может переводится в балансную точку, что выше желаемой. При необходимости более низкой балансной точки следует улучшить тепловую эффективность ограждающей конструкции (например, утепление подвальных стен и т.д.).

Подбор дополнительной обогревательной спирали
График балансировочной точки показывает сколько дополнительной теплопроизводительности требуется в данном конкретном приложении. Как показано на рис. 10, выходная производительность «вторичных» нагревательных спиралей равна разнице между расчетной тепловой нагрузкой и расчетной тепловой мощностью теплового насоса. Обычно производительность резистивной нагревательной спирали водяного теплового насоса значительно ниже требуемой производительности «вторичной» спирали воздушного теплового насоса. В обоих случаях излишняя дополнительная теплопроизводительность не рекомендуется, так как она приводит к снижению уровня комфортностии повышению эксплуатационных затрат.

Критическое тепло
Критическое тепло — это общее количество тепловой мощности, которое может генерировать резисторная электроспираль при поломке компрессора. Это тепло обеспечивают дополнительные нагревательные и резервные спирали, включение которых можно осуществлять вручную. Обычно суммарная производительность обоих комплектов спиралей равна или немного превышает расчетную тепловую нагрузку. На рис. 11 показано отношение критической теплоты к добавочной.

Вспомогательное тепло
Как уже было отмечено ранее, этот термин обозначает суммарную теплопроизводительность резистивной электрической спирали в блоке теплового насоса. Как показано на рис. 10, некоторое количество вспомогательного тепла используется для поддержки работы оборудования холодильного цикла в холодную погоду. В случае необходимости тепловой резерв компенсирует работу неисправного оборудования.

Уровень эффективности
Водяные тепловые насосы сертифицируются по двум стандартам. При работе на холод эффективность определяется двумя значениями EER (отношение холодопроизводительности к потребляемой мощности). При работе в режиме обогрева для определения эффективности используют показатель COP (коээфициент энергоэффективности). СOP — безразмерная величина, которая показывает отношение теплопроизводительности системы к потребляемой мощности. Также следует отметить, что коэффициент COP определяет энергоэффективность непрерывно работающей системы в условиях полной нагрузки. Следовательно, показатель COP не определяет сезонную энергоэффективность оборудования. Обычно предоставляется два значения COP — при температуре подающейся воды 10 и 21,1 °С.

Тепловые насосы с теплообменником воздух-вода и вода-вода обычно не используются в быту. Однако в случае использования они работают в сочетании со спиралью горячей воды (в камере обработки воздуха центрального кондиционера), с ребристо-трубчатыми или вентиляторными конвекторами.