Чиллер и тепловой насос: реверсивный чиллер для отопления

Чиллер и тепловой насос — одна и та же холодильная машина: обе переносят тепло от холодной среды к тёплой. Чиллер использует холодную сторону и охлаждает воду в испарителе, тепловой насос — горячую и нагревает воду в конденсаторе. Реверсивный чиллер умеет и то и другое: летом даёт холодную воду, зимой — тёплую для отопления, а режимы переключает четырёхходовой клапан.

Как работает реверсивный чиллер

В режиме охлаждения хладагент кипит в пластинчатом теплообменнике и забирает тепло у воды, а конденсируется в воздушном теплообменнике и отдаёт тепло наружному воздуху. Четырёхходовой клапан на нагнетании компрессора меняет направление хладагента: горячий газ идёт в пластинчатый теплообменник и нагревает воду, а в воздушном теплообменнике хладагент кипит и забирает тепло у наружного воздуха. Компрессор работает как прежде, меняются ролями только теплообменники. Как устроен сам холодильный цикл, описано в справочнике «Что такое чиллер».

Тепло и коэффициент преобразования

В режиме нагрева вода получает тепло, взятое у наружного воздуха, и вдобавок всю энергию, которую потребил компрессор:

Q_н = Q_в + N

COP = Q_н / N

Q_н — тепло, которое получает вода, кВт; Q_в — тепло, взятое у наружного воздуха, кВт; N — мощность, которую потребляет компрессор, кВт; COP — коэффициент преобразования, безразмерный. В режиме охлаждения так же определяют холодильный коэффициент EER — отношение холодопроизводительности к N. Для одного и того же цикла COP = EER + 1.

COP показывает, во сколько раз тепла больше, чем потрачено электроэнергии: при COP 3 киловатт электроэнергии даёт 3 кВт тепла, а в электрокотле — 1 кВт. Тепло и COP падают, когда воздух холоднее, а вода горячее: компрессору приходится поднимать температуру хладагента на большую разницу.

Ниже — расчёт идеального цикла R410A, как в справочнике о чиллере в жару: кипение на 8 °C ниже температуры воздуха, конденсация на 5 °C выше температуры воды. Тепло дано для воды 45 °C в процентах к режиму при воздухе +7 °C; при воде 35 °C оно почти такое же. Цифры ориентировочные: реальный чиллер теряет ещё на оттаивании и вентиляторах, его COP ниже.

При −15 °C чиллер даёт примерно вдвое меньше тепла, чем при +7 °C. Вода 35 °C для тёплого пола выгоднее воды 45 °C для фанкойлов: COP выше. Радиаторы, рассчитанные на 70–90 °C, при 45 °C отдают заметно меньше тепла, поэтому такую систему отопления на тепловой насос без пересчёта не переводят.

Оттаивание и мороз

При температуре воздуха около нуля и высокой влажности воздушный теплообменник быстро покрывается инеем: его рёбра холоднее 0 °C, и влага из воздуха оседает на них. Иней перекрывает проход воздуха, тепла становится меньше. Поэтому чиллер периодически оттаивает теплообменник: на несколько минут переключается в режим охлаждения, забирает тепло у воды и отдаёт его рёбрам. Вода в это время остывает, и в контуре нужен достаточный объём воды — его считают в расчёте объёма бака-аккумулятора.

Чем холоднее воздух, тем выше степень сжатия и температура нагнетания, и ниже определённой температуры чиллер в режиме нагрева не работает. Эта граница у каждой модели своя и указана в её характеристиках. Поэтому в средней полосе реверсивный чиллер редко бывает единственным источником тепла: на морозы оставляют котёл, электрокотёл или тепловую сеть.

Моноблок на улице во время работы греет воду, но при остановке в мороз вода в теплообменнике замёрзнет. Контур заполняют гликолем или защищают от замерзания иначе; долю гликоля считают в расчёте концентрации гликоля.

Пример: отопление офиса

Офисное здание с фанкойлами: летом нужно 50 кВт холода, теплопотери при расчётной зимней температуре −25 °C — 60 кВт, внутри 20 °C. Реверсивный чиллер подобран по холоду. По его характеристикам при воде 45 °C он даёт 38 кВт тепла при −7 °C и 30 кВт при −15 °C, а ниже −15 °C в режиме нагрева не работает.

1. Теплопотери пропорциональны разнице температур внутри и снаружи: Q = 60 × (20 − t) / 45, где t — температура наружного воздуха, °C. При −7 °C: 60 × 27 / 45 = 36,0 кВт.
2. Чиллер при −7 °C даёт 38 кВт — больше теплопотерь, здание отапливается только им.
3. При −15 °C теплопотери 60 × 35 / 45 = 46,7 кВт, чиллер даёт 30 кВт, не хватает 46,7 − 30 = 16,7 кВт. Их добирает второй источник.
4. Между −7 и −15 °C тепло чиллера и теплопотери сравниваются около −8 °C, примерно на 37 кВт. Выше этой температуры чиллер справляется сам.
5. Ниже −15 °C чиллер выключается, и второй источник берёт на себя все теплопотери: при −25 °C это 60 кВт. На эту мощность его и подбирают.

Тепло конденсатора в дело

Чиллер, который круглый год охлаждает процесс, и так выбрасывает тепло: конденсатор отводит холодопроизводительность плюс мощность компрессоров. У чиллера 50 кВт с компрессорами 15 кВт это 65 кВт. Утилизация тепла забирает часть его в водяной контур, вместо того чтобы отдать воздуху.

• Пароохладитель — небольшой теплообменник на нагнетании компрессора. Он снимает только тепло перегретого газа, меньшую часть тепла конденсатора, зато нагревает воду до более высокой температуры — для горячего водоснабжения и мойки.
• Полная утилизация — водяной конденсатор вместо воздушного или вместе с ним. Вода получает всё тепло конденсатора, но с температурой ориентировочно 35–45 °C: для подогрева приточного воздуха, тёплого пола, обратки котельной.
• Чиллер с водяным конденсатором по сути тепловой насос «вода — вода»: холодная вода идёт на процесс, тёплая — на отопление. Когда тепло не нужно, его сбрасывают в драйкулер, как описано в справочнике о воздушном и водяном охлаждении конденсатора.

Чем горячее нужна вода, тем выше давление конденсации и тем меньше холода даёт чиллер, поэтому температуру утилизации выбирают не выше той, что действительно нужна потребителю тепла.

Что из этого следует для подбора

• Реверсивный чиллер подбирают по холоду — по летней нагрузке с запасом 10–20 %, а режим нагрева проверяют отдельно: хватит ли тепла при расчётной зимней температуре и до какой температуры чиллер работает. Холод для помещений считают в задаче о фанкойлах, устройство системы — в справочнике о системе чиллер — фанкойл.
• Для режима нагрева задают теплопотери здания, температуру воды на отопление и наименьшую температуру воздуха, при которой чиллер должен греть. Вода 35–45 °C подходит фанкойлам и тёплому полу, радиаторам на высокую температуру — нет.
• Второй источник тепла подбирают на полные теплопотери, если в расчётный мороз чиллер не работает.
• Реверсивное исполнение, утилизацию тепла и гликоль подбирают индивидуально: в общем подборе задаётся только режим охлаждения с водой 5–15 °C.