August 30 2025

Чиллер-тепловий насос: Огляд

Тепловий насос у системах опалення та охолодження: принципи роботи та вибір

Теплові насоси (ТН) і чиллери з реверсивним циклом сьогодні посідають важливе місце в системах клімат-контролю, забезпечуючи як опалення, так і охолодження будівель з високою енергоефективністю. Ці установки дають змогу використовувати поновлювані джерела енергії – повітря, воду або ґрунт – для перенесення тепла, що знижує експлуатаційні витрати і зменшує вуглецевий слід.

Правильний вибір типу теплового насоса і схеми його під’єднання безпосередньо впливає на ефективність роботи системи, термін служби обладнання та комфорт у приміщенні. У даній статті розглянуто основні джерела та поглиначі тепла, класифікацію систем з тепловим насосом, їхні принципи роботи, переваги та обмеження. Отримана інформація допоможе зробити обґрунтований вибір під час проєктування або модернізації інженерних систем будівлі.

Рис 1. – Тепловий насос із нашого каталогу: Сlivet WSAN-YMi 71 (холодильна потужність 12.9 кВт; теплова потужність 14,1 кВт)

Ознайомтеся з нашим каталогом чиллерів і теплових насосів –тільки перевірені моделі від надійних виробників, з повними технічними характеристиками та адаптацією під ваші умови.

1. Джерела та поглиначі тепла

Використання теплових насосів для обігріву та/або охолодження будівлі вимагає наявності джерел і поглиначів тепла. Джерело тепла – це середовище, з якого тепло витягується випарником теплового насоса. Поглинач тепла – це середовище, в яке тепло відводиться конденсатором теплового насоса.

Вибір джерела і поглинача тепла залежить від доступності джерел, кліматичних умов, витрат і способу розподілу тепла/холоду.

Класифікація поширених джерел і поглиначів тепла була запропонована ASHRAE. Цю класифікацію наведено нижче.

Повітря як джерело/поглинач тепла

Наразі розглядаються два варіанти використання повітря як джерела або поглинача тепла:

зовнішнє повітря;
витяжне вентиляційне повітря.

Вода як джерело/поглинач тепла

Вода, яка використовується як джерело або поглинач тепла, може надходити з різних джерел:

ґрунтові води;
озера, річки або океани;
замкнуті водяні контури;
стічні води;
конденсаційна вода.

Земля як джерело/поглинач тепла

Земля може використовуватися як джерело або поглинач тепла за допомогою трьох основних типів ґрунтових теплообмінників:

Вертикальні ґрунтові теплообмінники
- дуже стабільна температура джерела/поглинача тепла ( )
- потрібна невелика площа землі ( )
- висока вартість і можливі складнощі при бурінні (-)
Горизонтальні ґрунтові теплообмінники
- нижча вартість ( )
- значний вплив температури зовнішнього повітря на невеликій глибині (-)
- потрібна велика площа землі (-)
Закопані теплообмінники з прямим розширенням (DX)

Вертикальні ґрунтові теплообмінники – складаються з U-подібних труб, встановлених у вертикальних свердловинах глибиною до 100-120 метрів.
Горизонтальні ґрунтові теплообмінники – складаються з довгих одиночних або багаторазових змієподібних труб теплообмінника, закопаних на глибину 1-2 метри.

2. Класифікація систем

Класифікація систем ділитися на 2 групи, перша – де холодильний агент замкнутий в об’ємі агрегатованого теплового насоса (ТН) / чилера, друга – холодильний агент використовується в теплообміні з джерелом і/або поглиначем тепла

Агрегована система:

ТН “повітря-вода” (повітряне охолодження чилера)
ТН “вода-вода” (водяне охолодження чилера)
ТН “вода/повітря-вода” (чиллер із подвійним конденсатором)
ТН “вода-повітря”
ТН “повітря-повітря”
ТН “розсіл-вода”
ТН “розсіл-повітря”
Даховий блок (Roof-top unit)

Відкрита система з прямим розширенням (DX):

Спліт-системи
VRF-системи
ТН із прямим розширенням, що використовує ґрунт (Ground-coupled DX heat pump)

Агрегат називається реверсивним, якщо він оснащений пристроєм перемикання холодоагенту, здатним змінювати напрямок циклу (приклад див. Рис. 2).

Рис. 2 – Чотириходовий клапан, що відповідає за зміну напрямку руху холодильного агента.

Термін “чиллер” може використовуватися замість відповідного терміна “тепловий насос”, щоб підкреслити, що основне призначення агрегату – охолодження, наприклад, коли його розраховують виходячи з максимального охолоджувального навантаження.

Огляд систем із тепловим насосом

Системи складаються з одного або декількох агрегатів (блоків) та інших компонентів. Їх можна розділити на три основні категорії:

Реверсивні системи без рекуперації тепла: почергове вироблення тепла і холоду;
Нереверсивні системи з рекуперацією тепла: здебільшого призначені для охолодження, водночас можуть витягувати тепло на боці конденсатора під час виробництва холоду на боці випарника;
Реверсивні системи з рекуперацією тепла: почергове або одночасне вироблення тепла і холоду.

Цікавитеся, яка система з тепловим насосом підійде саме для вашого об’єкта? Зверніться до інженерів EVROPROM – ми підберемо оптимальне рішення з урахуванням кліматичних умов, доступних джерел тепла та особливостей експлуатації.

2.1 Реверсивні системи без рекуперації тепла

Реверсивний тепловий насос “повітря-вода”

Повітряне охолодження чилера є найпоширенішою технологією на європейському ринку кондиціонування повітря, займаючи 85 % продажів чилерів у комерційному секторі [EECCAC, 2003].

Систему можна реверсувати за допомогою перемикача холодоагенту (див. Рис. 3), який змінює напрямок потоку через два теплообмінники:

У режимі охолодження повітряний теплообмінник працює як конденсатор, відводячи тепло в зовнішнє повітря, а водяний теплообмінник працює як випарник, передаючи холод у систему розподілу.
У режимі обігріву повітряний теплообмінник працює як випарник, витягуючи тепло із зовнішнього повітря, а водяний теплообмінник працює як конденсатор, передаючи тепло в систему розподілу.

Рис. 3 – Повітряне охолодження чилера з перемикачем холодоагенту

Реверсивні блоки можуть бути підключені до:

Двотрубної системи водяного розподілу, паралельно з резервним котлом, якщо не очікується одночасна наявність навантажень на опалення та охолодження (див. Рис. 4а);

Малюнок 4а: Реверсивний тепловий насос “повітря-вода”, підключений до двотрубної системи розподілу в серії з котлом

Рисунок 4б: Реверсивний тепловий насос “повітря-вода”, під’єднаний до чотиритрубної системи розподілу через розподіл гарячої води

Чотиритрубна система водяного розподілу для будівель з одночасними навантаженнями на опалення та охолодження. Чилер під’єднується як до труб холодної води, так і до труб гарячої води (див. Рис. 4б). У цьому разі пристрої кінцевого подавання тепла мають бути сумісними з низькими температурами води, характерними для реверсивного блока, що працює в режимі обігріву без участі котла.

Реверсивний геотермальний (ґрунтовий, ґрунтові води) / гідротермальний (поверхневі води) тепловий насос (без рекуперації тепла)

Реверсивний геотермальний тепловий насос (GHP) складається з реверсивного блоку “вода-вода”, який з одного боку під’єднаний до системи розподілу будівлі, а з іншого – до контуру розсолу або води, пов’язаного з геотермальним джерелом/поглиначем тепла.

Система реверсується за допомогою перемикача холодоагенту в блоці теплового насоса, який змінює напрямок потоку через два теплообмінники (див. Рис. 5):

У режимі охолодження теплообмінник з боку геотермального джерела працює як конденсатор, відводячи надлишкове тепло в ґрунт або поверхневу воду через водяний (або гліколь-вода) контур, у той час як водяний теплообмінник працює як випарник, передаючи холод у систему розподілу.
У режимі обігріву теплообмінник з боку геотермального джерела працює як випарник, поглинаючи тепло з геотермального джерела через водяний контур, а водяний теплообмінник працює як конденсатор, передаючи тепло в систему розподілу.

Крім того, якщо температура геотермального джерела перебуває в діапазоні температури системи розподілу будівлі, систему можна спроектувати для роботи в режимі free-chilling (іноді ще називають free-cooling): контур води обходить повз блок теплового насоса і через додатковий теплообмінник підключається до системи розподілу будівлі. Розмір теплообмінника і стратегія управління переходом з режиму охолодження в режим free-chilling і назад мають бути ретельно спроектовані залежно від температури геотермального джерела і профілю навантаження на охолодження будівлі.

Глибокий геотермальний замкнутий контур функціонує як система сезонного накопичення тепла:

Влітку тепловий насос працює в режимі охолодження і відводить тепло в ґрунт або ґрунтові води через контур;
Взимку це тепло витягується з ґрунту або ґрунтових вод через контур.

Для оцінки потенціалу геотермального тепла пропонуємо поглянути на графік температур ґрунту на рис. 6

Рис. 5 – Реверсивний геотермальний тепловий насос без і з режимом free-chilling

Рис. 6 Середня температура ґрунту по місяцях при різній глибині (дані для Ірландії за 2006-2015 р.р.)

2.2 Нереверсивні системи з рекуперацією тепла

Водяний чиллер із рекуперацією тепла

Теплові насоси “вода-вода” зазвичай застосовуються для охолодження; вони підключаються до градирень або сухих охолоджувачів для відведення тепла. Оскільки ці пристрої, як правило, не призначені для використання як джерело тепла, теплові насоси “вода (градирня)-вода” зазвичай не використовують у режимі обігріву і найчастіше називають водяними чиллерами.

Рекуперація тепла є привабливою опцією для водяних чилерів. Тепло може витягуватися за допомогою теплообмінника, встановленого в контурі гарячої води або безпосередньо в контурі холодоагенту. Таким чином, такого роду системи можуть одночасно виробляти опалення та охолодження (див. Рисунок 7).

Мал. 7 – Водяний чилер із додатковим теплообмінником рекуперації тепла у водяному контурі

Оскільки тепловий насос може виробляти тільки гарячу воду, за потреби охолодження також потрібен котел для:

покриття потреби в опаленні, коли немає навантаження на охолодження;
покриття пікового попиту на опалення;
підвищення температури гарячої води, якщо пристрої кінцевої подачі вимагають температури вище тієї, яку може забезпечити теплообмінник рекуперації (зазвичай 35-40 °C).

Чилер керується залежно від потреби будівлі в охолодженні. Частина теплової потужності конденсатора передається в теплообмінник рекуперації відповідно до потреби в опаленні, а частина, що залишилася, розсіюється через градирню.

Водяні чилери демонструють вищу ефективність порівняно з повітряними. Середні значення EER за номінальних умов для сертифікованих за EUROVENT водяних чилерів (без урахування CHF) перебувають у діапазоні від 3,6 до 4,6 залежно від діапазону охолоджувальної потужності.

Для водяних чилерів EUROVENT також запропонував сезонний коефіцієнт енергоефективності охолодження – ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio). Метод розрахунку такий самий, як і для повітряних чилерів, за винятком визначення тестових температур.

Якщо ви не впевнені, який тип системи на базі чилера або теплового насоса найкраще відповідає вашим вимогам, наші фахівці допоможуть вам із вибором!

Висновки

На ринку є безліч рішень.

Геотермальні системи здаються найбільш ефективними, але їх не можна застосовувати скрізь. Крім того, капітальні витрати на них високі.

Вибір пристроїв кінцевої подачі має важливе значення. Використання низьких температур розподілу для охолодження і високих для опалення значно знижує ефективність теплового насоса.

Променеве опалення є хорошим рішенням, проте його потужність обмежена.

Слід враховувати ефективність допоміжних пристроїв (вентиляторів і насосів); їхнє загальне споживання може бути навіть вищим, ніж у самого блоку теплового насоса.

На Рис. 8 показано питому вартість інвестицій залежно від середнього перепаду температур. Для технологій постачальників, які вказали вартість, питома інвестиційна вартість (без урахування монтажу та інтеграції) варіюється від 200 €/кВт до 1200 €/кВт, а середній перепад температур для різних технологій становить від 20 °C до 190 °C.

На малюнку видно загальну тенденцію: вищий перепад температур відповідає більшій вартості. У межах зазначених діапазонів питомої вартості, виділених чорними вертикальними лініями на малюнку, вартість сильно залежить від розміру і сфери застосування теплового насоса для даної технології.

Рис. 8 – Питома інвестиційна вартість залежно від середнього перепаду температур [Danish Technological Institute August 2023. Report no. HPT-AN58-2]

Якщо у вас залишилися питання щодо підбору обладнання – зверніться до фахівців Європром. Ми допоможемо вибрати відповідне рішення і запропонуємо надійні чиллери, представлені в нашому каталозі.

Що ви отримуєте з EVROPROM

Оптимальний підбір системи з тепловим насосом – враховуємо доступні джерела і поглиначі тепла, кліматичні умови, профіль навантажень і вимоги до опалення та охолодження.

Технічну експертизу та консультації – пояснюємо переваги та обмеження різних схем підключення, допомагаємо обрати між реверсивними та нереверсивними системами, з або без рекуперації тепла.

Широкий вибір перевіреного обладнання – широкий вибір чиллерів і теплових насосів від надійних світових брендів, адаптованих під промислові, комерційні та адміністративні об’єкти.

Зниження витрат на експлуатацію – завдяки правильному проєктуванню та підбору обладнання підвищуємо енергоефективність і мінімізуємо витрати на опалення та охолодження.

Технічний супровід на всіх етапах – від проєктування і постачання до пусконалагоджувальних робіт і подальшого обслуговування.