August 30 2025

Чиллер тепловой насос. Обзор

Тепловой насос в системах отопления и охлаждения: принципы работы и выбор

Тепловые насосы (ТН) и чиллеры с реверсивным циклом сегодня занимают важное место в системах климат-контроля, обеспечивая как отопление, так и охлаждение зданий с высокой энергоэффективностью. Эти установки позволяют использовать возобновляемые источники энергии — воздух, воду или грунт — для переноса тепла, что снижает эксплуатационные затраты и уменьшает углеродный след.

Правильный выбор типа теплового насоса и схемы его подключения напрямую влияет на эффективность работы системы, срок службы оборудования и комфорт в помещении. В данной статье рассмотрены основные источники и поглотители тепла, классификация систем с тепловым насосом, их принципы работы, преимущества и ограничения. Полученная информация поможет сделать обоснованный выбор при проектировании или модернизации инженерных систем здания.

Рис 1. – Тепловой насос из нашего каталога: Сlivet WSAN-YMi 71 (холодильная мощность 12.9 кВт; тепловая мощность 14,1 кВт)

Ознакомьтесь с нашим каталогом чиллеров и тепловых насосов— только проверенные модели от надёжных производителей, с полными техническими характеристиками и адаптацией под ваши условия.

1. Источники и поглотители тепла

Использование тепловых насосов для обогрева и/или охлаждения здания требует наличия источников и поглотителей тепла. Источник тепла — это среда, из которой тепло извлекается испарителем теплового насоса. Поглотитель тепла — это среда, в которую тепло отводится конденсатором теплового насоса.

Выбор источника и поглотителя тепла зависит от доступности источников, климатических условий, затрат и способа распределения тепла/холода.

Классификация распространённых источников и поглотителей тепла была предложена ASHRAE. Эта классификация приведена ниже.

Воздух как источник/поглотитель тепла

В настоящее время рассматриваются два варианта использования воздуха в качестве источника или поглотителя тепла:

наружный воздух;
вытяжной вентиляционный воздух.

Вода как источник/поглотитель тепла

Вода, используемая в качестве источника или поглотителя тепла, может поступать из различных источников:

грунтовые воды;
озёра, реки или океаны;
замкнутые водяные контуры;
сточные воды;
конденсационная вода.

Земля как источник/поглотитель тепла

Земля может использоваться в качестве источника или поглотителя тепла с помощью трёх основных типов грунтовых теплообменников:

Вертикальные грунтовые теплообменники
- очень стабильная температура источника/поглотителя тепла (+)
- требуется небольшая площадь земли (+)
- высокая стоимость и возможные сложности при бурении (-)
Горизонтальные грунтовые теплообменники
- более низкая стоимость (+)
- значительное влияние температуры наружного воздуха на небольшой глубине (-)
- требуется большая площадь земли (-)
Закопанные теплообменники с прямым расширением (DX)

Вертикальные грунтовые теплообменники — состоят из U-образных труб, установленных в вертикальных скважинах глубиной до 100–120 метров.
Горизонтальные грунтовые теплообменники — состоят из длинных одиночных или многократных змеевидных труб теплообменника, закопанных на глубину 1–2 метра.

2. Классификация систем

Классификация систем делиться на 2 группы, первая – где холодильный агент замкнут в объеме агрегатированного теплового насоса (ТН) / чиллера, вторая – холодильный агент используется в теплообмене с источником и/или поглотителем тепла

Агрегатированная система:

ТН «воздух–вода» (воздушное охлаждение чиллера)
ТН «вода–вода» (водяное охлаждение чиллера)
ТН «вода/воздух–вода» (чиллер с двойным конденсатором)
ТН «вода–воздух»
ТН «воздух–воздух»
ТН «рассол–вода»
ТН «рассол–воздух»
Крышный блок (Roof-top unit)

Открытая система с прямым расширением (DX):

Сплит-системы
VRF-системы
ТН с прямым расширением, использующий грунт (Ground-coupled DX heat pump)

Агрегат называется реверсивным, если он оснащен устройством переключения хладагента, способным менять направление цикла (пример см. Рис. 2).

Рис. 2 – Четырехходовой клапан, отвечает за изменение направления движения холодильного агента.

Термин «чиллер» может использоваться вместо соответствующего термина «тепловой насос», чтобы подчеркнуть, что основное назначение агрегата — охлаждение, например, когда он рассчитывается исходя из максимальной охлаждающей нагрузки.

Обзор систем с тепловым насосом

Системы состоят из одного или нескольких агрегатов (блоков) и других компонентов. Их можно разделить на три основные категории:

Реверсивные системы без рекуперации тепла: чередующаяся выработка тепла и холода;
Нереверсивные системы с рекуперацией тепла: в основном предназначены для охлаждения, при этом могут извлекать тепло на стороне конденсатора во время производства холода на стороне испарителя;
Реверсивные системы с рекуперацией тепла: чередующаяся или одновременная выработка тепла и холода.

Интересуетесь, какая система с тепловым насосом подойдёт именно для вашего объекта? Обратитесь к инженерам EVROPROM — мы подберём оптимальное решение с учётом климатических условий, доступных источников тепла и особенностей эксплуатации.

2.1 Реверсивные системы без рекуперации тепла

Реверсивный тепловой насос «воздух–вода»

Воздушное охлаждение чиллера является наиболее распространённой технологией на европейском рынке кондиционирования воздуха, занимая 85 % продаж чиллеров в коммерческом секторе [EECCAC, 2003].

Система может быть реверсирована с помощью переключателя хладагента (см. Рис. 3), который меняет направление потока через два теплообменника:

В режиме охлаждения воздушный теплообменник работает как конденсатор, отводя тепло в наружный воздух, а водяной теплообменник работает как испаритель, передавая холод в систему распределения.
В режиме обогрева воздушный теплообменник работает как испаритель, извлекая тепло из наружного воздуха, а водяной теплообменник работает как конденсатор, передавая тепло в систему распределения.

Рис. 3 – Воздушное охлаждение чиллера с переключателем хладагента

Реверсивные блоки могут быть подключены к:

Двухтрубной системе водяного распределения, параллельно с резервным котлом, если не ожидается одновременное наличие нагрузок на отопление и охлаждение (см. Рис. 4а);

Рисунок 4а: Реверсивный тепловой насос «воздух–вода», подключённый к двухтрубной системе распределения в серии с котлом

Рисунок 4б: Реверсивный тепловой насос «воздух–вода», подключённый к четырёхтрубной системе распределения через распределение горячей воды

Четырёхтрубной системе водяного распределения для зданий с одновременными нагрузками на отопление и охлаждение. Чиллер подключается как к трубам холодной воды, так и к трубам горячей воды (см. Рис. 4б). В этом случае устройства конечной подачи тепла должны быть совместимы с низкими температурами воды, характерными для реверсивного блока, работающего в режиме обогрева без участия котла.

Реверсивный геотермальный (грунтовой, грунтовые воды) / гидротермальный (поверхностные воды) тепловой насос (без рекуперации тепла)

Реверсивный геотермальный тепловой насос (GHP) состоит из реверсивного блока «вода–вода», который с одной стороны подключён к системе распределения здания, а с другой — к контуру рассола или воды, связанному с геотермальным источником/поглотителем тепла.

Система реверсируется с помощью переключателя хладагента в блоке теплового насоса, который изменяет направление потока через два теплообменника (см. Рис. 5).:

В режиме охлаждения теплообменник со стороны геотермального источника работает как конденсатор, отводя избыточное тепло в грунт или поверхностную воду через водяной (или гликоль–вода) контур, в то время как водяной теплообменник работает как испаритель, передавая холод в систему распределения.
В режиме обогрева теплообменник со стороны геотермального источника работает как испаритель, поглощая тепло из геотермального источника через водяной контур, а водяной теплообменник работает как конденсатор, передавая тепло в систему распределения.

Кроме того, если температура геотермального источника находится в диапазоне температуры системы распределения здания, систему можно спроектировать для работы в режиме free-chilling (иногда еще называют free-cooling): контур воды обходит мимо блока теплового насоса и через дополнительный теплообменник подключается к системе распределения здания. Размер теплообменника и стратегия управления переходом из режима охлаждения в режим free-chilling и обратно должны быть тщательно спроектированы в зависимости от температуры геотермального источника и профиля нагрузки на охлаждение здания.

Глубокий геотермальный замкнутый контур функционирует как система сезонного накопления тепла:

Летом тепловой насос работает в режиме охлаждения и отводит тепло в грунт или грунтовые воды через контур;
Зимой это тепло извлекается из грунта или грунтовых вод через контур.

Для оценки потенциала геотермального тепла предлагаем взглянуть на график температур почвы на рис. 6

Рис. 5 – Реверсивный геотермальный тепловой насос без и с режимом free-chilling

Рис. 6 Средняя температура грунта по месяцам при различной глубине (данные для Ирландии за 2006-2015 г.г.)

2.2 Нереверсивные системы с рекуперацией тепла

Водяной чиллер с рекуперацией тепла

Тепловые насосы «вода–вода» обычно применяются для охлаждения; они подключаются к градирням или сухим охладителям для отвода тепла. Так как эти устройства, как правило, не предназначены для использования в качестве источника тепла, тепловые насосы «вода (градирня)–вода» обычно не используют в режиме обогрева и чаще всего называют водяными чиллерами.

Рекуперация тепла является привлекательной опцией для водяных чиллеров. Тепло может извлекаться с помощью теплообменника, установленного в контуре горячей воды или непосредственно в контуре хладагента. Таким образом, такого рода системы могут одновременно производить отопление и охлаждение (см. Рисунок 7).

Рис. 7 – Водяной чиллер с дополнительным теплообменником рекуперации тепла в водяном контуре

Поскольку тепловой насос может производить только горячую воду, при необходимости охлаждения также требуется котел для:

покрытия потребности в отоплении, когда нет нагрузки на охлаждение;
покрытия пикового спроса на отопление;
повышения температуры горячей воды, если устройства конечной подачи требуют температуры выше той, которую может обеспечить теплообменник рекуперации (обычно 35–40 °C).

Чиллер управляется в зависимости от потребности здания в охлаждении. Часть тепловой мощности конденсатора передаётся в теплообменник рекуперации в соответствии с потребностью в отоплении, а оставшаяся часть рассеивается через градирню.

Водяные чиллеры демонстрируют более высокую эффективность по сравнению с воздушными. Средние значения EER при номинальных условиях для сертифицированных по EUROVENT водяных чиллеров (без учёта CHF) находятся в диапазоне от 3,6 до 4,6 в зависимости от диапазона охлаждающей мощности.

Для водяных чиллеров EUROVENT также предложил сезонный коэффициент энергоэффективности охлаждения — ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio). Метод расчёта такой же, как и для воздушных чиллеров, за исключением определения тестовых температур.

Если вы не уверены, какой тип системы на базе чиллера или теплового насоса лучше всего соответствует вашим требованиям, наши специалисты помогут вам с выбором!

Выводы

На рынке доступно множество решений.

Геотермальные системы кажутся наиболее эффективными, но их нельзя применять везде. Кроме того, капитальные затраты на них высоки.

Выбор устройств конечной подачи имеет важное значение. Использование низких температур распределения для охлаждения и высоких для отопления значительно снижает эффективность теплового насоса.

Лучевое отопление является хорошим решением, однако его мощность ограничена.

Следует учитывать эффективность вспомогательных устройств (вентиляторов и насосов); их общее потребление может быть даже выше, чем у самого блока теплового насоса.

На Рис. 8 показана удельная стоимость инвестиций в зависимости от среднего перепада температур. Для технологий поставщиков, указавших стоимость, удельная инвестиционная стоимость (без учёта монтажа и интеграции) варьируется от 200 €/кВт до 1200 €/кВт, а средний перепад температур для различных технологий составляет от 20 °C до 190 °C.

На рисунке видно общую тенденцию: более высокий перепад температур соответствует большей стоимости. В пределах указанных диапазонов удельной стоимости, выделенных чёрными вертикальными линиями на рисунке, стоимость сильно зависит от размера и области применения теплового насоса для данной технологии.

Рис. 8 – Удельная инвестиционная стоимость в зависимости от среднего перепада температур [Danish Technological Institute August 2023. Report no. HPT-AN58-2]

Если у вас остались вопросы по подбору оборудования — обратитесь к специалистам Европром. Мы поможем выбрать подходящее решение и предложим надёжные чиллеры, представленные в нашем каталоге.

Что вы получаете с EVROPROM

Оптимальный подбор системы с тепловым насосом — учитываем доступные источники и поглотители тепла, климатические условия, профиль нагрузок и требования к отоплению и охлаждению.

Техническую экспертизу и консультации — объясняем преимущества и ограничения разных схем подключения, помогаем выбрать между реверсивными и нереверсивными системами, с или без рекуперации тепла.

Широкий выбор проверенного оборудования — широкий выбор чиллеров и тепловых насосов от надёжных мировых брендов, адаптированных под промышленные, коммерческие и административные объекты.

Снижение затрат на эксплуатацию — за счёт правильного проектирования и подбора оборудования повышаем энергоэффективность и минимизируем расходы на отопление и охлаждение.

Техническое сопровождение на всех этапах — от проектирования и поставки до пусконаладочных работ и дальнейшего обслуживания.