По поводу фантастических устройств для обогрева помещений с КПД гораздо выше 100% сказано уже не мало и, наверное каждый, кому надо решить, чем же будет эффективнее обогреть дом, производственное, административное или торговое помещение (получив при этом больше тепла за меньшие деньги), приходится сравнивать 2 основных источника тепла: газ и электричество. Как показывает практика, электричество есть у всех, а вот газ - далеко не у всех, и даже если он есть по близости и точка врезки будет совсем не далеко, все равно придется заплатить не одну тысячу рублей за подключение.

Твердое топливо можно рассматривать только в самых крайних случаях, так как оно самое не удобное в процессе эксплуатации (регулярность закладки, место для хранения запаса дров или пелет), а кроме того, твердотопливные котлы выбрасывают в воздух продукты сгорания, имеющие достаточно большую концентрацию твердых частиц, наносящих вред нашему здоровью.

Рассмотрим подробнее, как и из чего мы можем отопить дом (квартиру, офис). На сегодняшний день, нам доступны следующие средства получения тепловой энергии из различных видов энергоносителей: газ и электрическая энергия.

Газ

Это один из самых распространенных источников тепла для жилых, административных и промышленных помещений. Известно, что 1 м.куб. природного газа содержит в себе около 9,5 кВт энергии. Сжигая его с КПД 100%, мы получаем столько же тепловой энергии, сколько бы получили от 9,5 кВт электрической энергии. Для того что бы получить тепловую энергию из газа, используются газовые котлы, которые можно разделить на 2 типа:

Традиционные газовые котлы - в процессе сгорания газа высвобождаемая энергия согревает теплообменник, в котором нагревается теплоноситель. При этом, продукты сгорания сохраняют в себе значительную часть энергии (тепла) и выбрасываются в дымоход с температурой от 110°С до 250°С (в зависимости от модели котла), т.е. мы не только согреваемся сами, но еще и греем пингвинов в Антарктиде.

КПД традиционных котлов, как правило, находится в пределах 90-93%. Таким образом, если 1 м.куб. газа содержит 9,5 кВт энергии, то мы сможем получить в лучшем случае 8,8 кВт тепла, а остальное улетит в трубу. И это не лучшим образом отразиться на экологии планеты и нашем кошельке.

Конденсационные газовые котлы - позволяют частично отобрать энергию у выбрасываемых продуктов сгорания и повысить КПД котла до рекордных 108-109%. Повысить производительность на 17% (по сравнению с традиционными котлами) удалось благодаря использованию для нагрева теплоносителя не только энергии, высвобождающейся при сгорании газа, но еще и тепло дымовых газов, которое удалось выделить в процессе конденсации, происходящей из-за того, что дымовые газы, проходя теплообменник особой конструкции (из коррозийноустойчевых материалов) охлаждаются до точки росы (порядка 56°С) и частично превращаются в воду, отдавая нам часть своего тепла.


Электрическая энергия

В настоящий момент, объем использование электричества для отопления и горячего водоснабжения быстро растет, прежде всего, благодаря развитию технологий, которые позволяют используя тепловые насосы с рекордный КПД - свыше 500% (коэффициент энергоэффективности более 5 (А+++), для примера - тепловые насосы Mitstubishi Electric Zubadan). 

Электричество можно преобразовать в тепло при помощи следующего оборудования:

Электрические котлы. По своей конструкции схожи с традиционными газовыми котлами, только вместо теплообменника, который нагревается газом, стоит бак с ТЭНами, в котором и происходит нагрев теплоносителя. КПД таких котлов около 100%, т.е. потребляя 1кВт электроэнергии они согреют ваш дом так же на 1кВт, и если всего для отопления и ГВС требуется 15 кВт, то и заплатите вы за 15 кВт.

Электрические обогреватели, теплые полы и другие подобные приборы прямого нагрева (без промежуточного теплоносителя) для отопления, а для горячего водоснабжения - водонагреватели (бойлеры). В данном случае, можно получить экономию на капитальных затратах (не надо делать сложную систему для перемещения теплоносителя по водяным теплым полам и радиаторам), но за это придется поплатиться комфортом и безопасностью, так как в каждой комнате будет достаточно мощный пожиратель электрической энергии, который не только создает электромагнитные волны, но и, при неправильном обращении, может вас ударить, и не только по рукам.

Тепловые насосы. А вот здесь и начинается волшебство. Как писалось выше, современные тепловые насосы типа "воздух-воздух" могут иметь коэффициент сезонной энергоэффективности SEER (соотношение получаемой тепловой энергии и затрачиваемой электрической) до 9,1, а это значит, что в среднем за весь отопительный сезон, для того что бы получить 1 кВт тепла нам потребуется всего 0,11 кВт электроэнергии, или всего около 1,7 кВт для получения 15 кВт. Конечно, не все насосы могут быть столь эффективны, да и условия эксплуатации (от которых зависит эффективность) тоже у всех разные, но в любом случае, за сезон мы получим экономию более чем в 3 раза. Согласитесь, это совсем не мало!

Принцип работы теплового насоса

В соответствии со вторым законом термодинамики: "Теплота самопроизвольно переходит от тел более нагретых к телам менее нагретым". А можем ли мы заставить тепло двигаться в обратном направлении, чтобы забрать его у более холодной окружающей среды и перенести в обогреваемое помещение? Да, это возможно, но не просто так, придется проделать дополнительную работу - т.е. затратить энергию, так как холодный уличный воздух чрезвычайно жадный и не охотно делиться своим теплом. Системы, которые занимаются этой логистикой (переносом энергии в нужном нам направлении) и называются "тепловыми насосами".

Тепловой насос может представлять собой парокомпрессионную холодильную установку, работающую наоборот, которая состоит из следующих основных компонентов: компрессор, конденсатор, расширительный вентиль и испаритель. Газообразный хладагент поступает на вход компрессора. Компрессор сжимает газ, при этом его давление и температура увеличиваются (универсальный газовый закон Менделеева-Клапейрона). Горячий газ подается в теплообменник, называемый конденсатором, в котором он охлаждается, отдавая свое тепло воздуху или воде и конденсируется - переходит из газообразного состояния в жидкое. Далее, на пути хладагента в жидком состоянии и высоким давлением установлен расширительный вентиль, понижающий давление хладагента. Компрессор и расширительный вентиль делят замкнутый гидравлический контур на две части: сторону высокого давления и сторону низкого давления. Проходя через расширительный вентиль, часть жидкости испаряется, и температура потока понижается. Далее этот поток поступает в теплообменник (испаритель), связанный с окружающей средой (например, воздушный теплообменник на улице). При низком давлении, жидкость испаряется (превращается в газ) при температуре ниже, чем температура наружного воздуха или грунта. В результате часть тепла наружного воздуха или грунта переходит во внутреннюю энергию хладагента. Газообразный хладагент вновь поступает в компрессор - контур замыкается. 

Можно сказать, что работа компрессора идет не столько на "производство" теплоты, сколько на ее перемещение. Поэтому, затрачивая всего 1 кВт электрической мощности на привод компрессора, можно получить теплопроизводительность теплового насоса около 5 кВт. Кроме того, тепловой насос несложно заставить работать в обратном направлении, то есть использовать его для охлаждения воздуха в помещении летом.


Расчет затрат

Перед тем как сделать окончательный выбор, предлагаю рассмотреть реальные (а не гипотетические) затраты на отопление и горячее водоснабжение существующего 2х этажного жилого дома, площадью 225 м.кв. Материал стен - газосиликатные блоки толщиной 300 мм + минвата 100 мм. Над вторым этажом деревянное перекрытие с утеплением минватой 300 мм и холодный чердак.

Для приготовления пищи газ не используется, в доме установлена электрическая плита и электрический духовой шкаф. Нагрев воды для ГВС осуществляется в бойлере косвенного нагрева на 150 литров (Thermex ER 150 V (combi)).

Возьмем реальные данные по расходу энергии для отопления и горячего водоснабжения за отопительный период сентябрь 2019 по апрель 2020 года (включительно).


Исходные данные

  • Столбец D. Газовый конденсационный котел Viessmann, его максимальный КПД до 108% (при температуре обрати ниже 50°С), поэтому берем некий средний КПД (не претендуя на 100% точность).
  • Столбец E. Фактически затраченный газ мы преобразуем в кВт энергии исходя из того, что 1 м.куб. газа содержит 9,5 кВт энергии, далее мы ее корректируем на КПД котла.
  • Столбец G. Цена за газ актуальна по состоянию на середину 2020 года. Так же учтена повышенная цена на газ не во время отопительного периода.
  • Столбец I. Цену на электричество берем исходя из нового тарифа для физических лиц = 0,0374 BYN (для отопления и горячего водоснабжения в домах, не подключенных к газу, при наличии отдельного (дополнительного) прибора индивидуального учета расхода электрической энергии для нужд отопления и горячего водоснабжения).

Итоговые результаты по затратам на отопление в течении расчетного периода с разбивкой по месяцам отражены в следующих столбцах:

  • Столбец H - при отоплении газовым котлом;
  • Столбец  J – при отоплении электрическим котлом;
  • Столбец L – при отоплении тепловым насосом.

Результаты

  • Наиболее выгодным способом отопления и горячего водоснабжения является тепловой насос "воздух-вода", затраты за год всего 332 BYN.
  • Наименее экономичным является электрический котел, затраты за год 1046 BYN.
  • Использование природного газа (когда-то самого выгодного энергоносителя), в связке даже с высокоэффективным конденсационным котлом, потребует 565 BYN.

Что будет дальше с ценами на электричество и газ сложно предсказать, но то, что последний, дешеветь не будет - это точно, а вот низкая цена на электричество может и сохраниться, так как после ввода в эксплуатацию атомной электростанции надо будет куда-то сбрасывать излишки энергии (особенно в вечерне-ночное время) и в этом могут помочь домашние хозяйства - если им предложить низкие тарифы.