Тепловые насосы

Испаритель теплового насоса:
вода-вода, грунт-вода, воздух-вода

Чем испаритель ТН отличается от холодильного, какие типы применяют, рабочие температуры, антифриз, расчёт COP и формула подбора площади

Март 2026 14 мин чтения Для инженеров ОВК

Содержание

Отличие от холодильного Типы тепловых насосов Схема вода-вода Схема грунт-вода Антифриз в рассольных системах Рабочие температуры COP и T_кип Расчёт испарителя ТН Материалы: нержавейка 316L Типоразмеры ИНВ/ИКВ FAQ

Чем испаритель ТН отличается от холодильного

Ключевое отличие

В испарителе холодильной машины источник тепла — охлаждаемый продукт с температурой +5...+20°C. В испарителе теплового насоса источник тепла — низкопотенциальная среда: вода +5...+15°C, рассол (гликоль) −5...+10°C, грунт 0...+12°C. Температура кипения хладагента соответственно ниже: −10...0°C против +2...+8°C у чиллера.

Этот сдвиг температур определяет более высокое термодинамическое напряжение цикла теплового насоса. При одном и том же конденсаторном давлении (T_конд = +50°C для отопления) разница T_конд − T_кип у ТН больше, чем у чиллера. Отсюда — более строгие требования к площади теплопередачи испарителя, чтобы не потерять COP.

−10…0°C

T_кип в ТН

2–2,5%

Падение COP на 1°C потери T_кип

316L

Материал для гликоля

3–5

COP современного ТН

Типы тепловых насосов и их испарители

Вода-вода

Испаритель вода-вода

Источник тепла — скважинная или речная вода (+5...+15°C). Вода проходит через испаритель, охлаждается на 4–6 К, тепло передаётся хладагенту.

T_кип хладагента: 0...+5°C

Тип аппарата: ИНВ или ИКВ, нержавейка 316L

Особенность: необходима водоподготовка при жёсткой воде

Грунт-вода

Рассольный испаритель

Источник тепла — рассол (гликоль), циркулирующий через горизонтальные коллекторы или вертикальные зонды в грунте. Температура рассола: 0...+5°C.

T_кип хладагента: −8...−5°C

Тип аппарата: ИНВ/ИКВ с антикоррозионной защитой

Особенность: гликоль меняет реологию (вязкость растёт при низких T)

Воздух-вода

Воздушный испаритель

Хладагент испаряется в наружном воздухоохладителе с оребрёнными трубками. Кожухотрубный испаритель в этой схеме — на стороне потребителя (нагрев воды).

T_кип хладагента: −15...+5°C (зависит от T наружного воздуха)

Тип аппарата: не кожухотрубный (ламельный теплообменник)

Особенность: эффективность резко падает при T ниже −15°C

Схема вода-вода: городская и скважинная вода

Тепловой насос типа вода-вода — наиболее эффективная схема при наличии водного источника с постоянной температурой +5...+15°C (подземные воды, речная вода, озеро). Испаритель работает в следующем режиме:

Параметр	Значение	Примечание
T воды на входе в испаритель	+8...+12°C	Типично для скважинной воды
T воды на выходе из испарителя	+3...+6°C	Охлаждение на 4–6 К
T кипения хладагента T_кип	0...+5°C	На 3–5 К ниже T воды выход
Хладагенты	R134a, R410A, R32, R290	Зависит от конструкции ТН
Тип испарителя	ИНВ или ИКВ, вертикальный	Хладагент в межтрубном пространстве
Материал трубок	316L или Ti Grade 2	При солёной/агрессивной воде — Ti

При использовании городской водопроводной воды: обязательно предусмотреть промежуточный теплообменник вода/рассол — контакт хладагентной системы с питьевой водой нормативно не разрешён.

Схема грунт-вода: рассольный испаритель

В системе грунт-вода теплоносителем первичного контура является рассол — водный раствор этиленгликоля или пропиленгликоля. Рассол циркулирует через закопанные в грунт коллекторы (горизонтальные поля или вертикальные зонды глубиной 50–150 м) и отдаёт тепло грунта в испаритель теплового насоса.

Тепловой баланс рассольного контура

T рассола на выходе из грунта (вход в испаритель): 0...+5°C
T рассола на входе в грунт (выход из испарителя): −3...−1°C
Охлаждение рассола в испарителе: 3–6 К
T кипения хладагента в испарителе: −8...−5°C (на 3–5 К ниже T_рассол_выход)
Расход рассола: 0,2–0,3 л/мин на 1 кВт Q_исп

Скорость рассола в трубках испарителя должна быть не менее 0,5 м/с для предотвращения расслоения гликолевого раствора и обеспечения турбулентного теплообмена. При вязком рассоле (концентрация ПГ более 40%) скорость нужно увеличить до 0,8–1,0 м/с.

Антифриз в рассольных системах ТН

Антифриз	Концентрация	T замерзания	Применение	Примечание
Этиленгликоль (ЭГ)	28%	−15°C	Промышленные ТН	Токсичен, не для жилья вблизи водозаборов
Этиленгликоль (ЭГ)	37%	−20°C	Северные регионы	Вязкость растёт: снижает эффективность насоса
Пропиленгликоль (ПГ)	33%	−15°C	Жилой сектор	Пищевой класс, безопасен для грунтовых вод
Пропиленгликоль (ПГ)	43%	−20°C	Северные регионы	Высокая вязкость — подбирать насос с запасом
Бетаин (Хладол)	22%	−15°C	Скандинавия, РФ	Биоразлагаем, низкая коррозионность
Этанол (этиловый спирт)	23%	−15°C	Частные дома, Европа	Низкая вязкость, пожароопасен при заполнении

Требования к рассолу для испарителя 316L

pH: 7,5–9,0 (ниже — коррозия нержавейки; выше — выпадение осадка)
Содержание Cl⁻: не более 200 мг/л (иначе питтинговая коррозия 316L)
Ингибиторы коррозии: молибдаты, бензотриазол для смешанных контуров (Fe + нержавейка + медь)
Проверка концентрации: рефрактометр или денсиметр — раз в 2–3 года

Рабочие температуры испарителя ТН

Рабочие температуры определяют термодинамику цикла и, в конечном счёте, COP теплового насоса. Грамотный инженер стремится максимизировать температуру кипения, подбирая испаритель с достаточной площадью теплопередачи.

Схема ТН	T источника, вход	T источника, выход	T_кип хладагента
Вода-вода (скважинная вода +12°C)	+12°C	+6°C	+2...+4°C
Вода-вода (водоём +8°C)	+8°C	+3°C	−1...+1°C
Грунт-вода (горизонт. коллектор)	+3...+5°C	−1...0°C	−6...−4°C
Грунт-вода (вертикальные зонды)	+4...+8°C	0...+2°C	−5...−3°C
Воздух-вода (наружный воздух +5°C)	+5°C (воздух)	+1°C (воздух)	−5...−2°C
Воздух-вода (наружный воздух −15°C)	−15°C (воздух)	—	−20...−18°C

COP теплового насоса и температура кипения

Идеальный COP по Карно:

COP_Карно = T_конд / (T_конд − T_кип)

Температуры в Кельвинах. Реальный COP ≈ 50–60% от COP_Карно

Пример: T_конд = 323 К (+50°C), T_кип = 268 К (−5°C)

COP_Карно = 323 / (323 − 268) = 323 / 55 ≈ 5,87

Реальный COP ≈ 5,87 × 0,55 ≈ 3,2

Каждые 1°C роста T_кип → +2,5% COP. Увеличение площади испарителя на 20% может дать +0,3–0,5 COP.

Влияние загрязнения испарителя на COP

Накипь или биообрастание на трубках испарителя снижает K на 10–30%. Это приводит к росту температурного напора — испаритель «не тянет» тепло, T_кип падает, компрессор работает тяжелее. При снижении K на 20% COP снижается на 5–10%.

Рост ΔP водяного тракта на 15% — сигнал к чистке
Рост ΔT (T_вода_выход − T_кип) выше проектного на 2 К — признак загрязнения
Ежегодный мониторинг — ключ к сохранению COP

Расчёт и подбор испарителя ТН

Формула тепловой нагрузки испарителя

Мощность испарителя из баланса ТН:

Q_исп = Q_ТН × (COP − 1) / COP

Пример: Q_ТН = 120 кВт, COP = 4,0

Q_исп = 120 × 3 / 4 = 90 кВт

Испаритель берёт 90 кВт из грунта/воды; 30 кВт — от компрессора

Подбор площади теплопередачи

Расчёт F по LMTD

Q = K × F × ΔT_ср_лог
K для рассольного испарителя (затопленный, нержавейка): 700–1000 Вт/м²·К
K для водяного испарителя (затопленный, нержавейка): 900–1200 Вт/м²·К
ΔT_ср_лог рассчитывается по температурам рассола (вход/выход) и T_кип
Запас площади: 15–20% к расчётному

Пример расчёта

Q_исп = 90 кВт; рассол ПГ 33%: вход +4°C, выход 0°C; T_кип = −5°C

LMTD = ((4−(−5)) − (0−(−5))) / ln(9/5) = (9−5) / ln(1,8) = 4 / 0,588 ≈ 6,8 К

K = 800 Вт/м²·К (рассол с гликолем снижает K из-за вязкости)

F = 90 000 / (800 × 6,8) ≈ 16,5 м². С запасом 20%: F_расч ≈ 20 м²

Типоразмер: ИКВ 325/4500 (F ≈ 22 м²) или ИНВ 400/3000

Материалы: нержавейка 316L для испарителей ТН

Гликолевые рассолы и грунтовые воды содержат кислород, CO₂ и хлориды — агрессивные для углеродистой стали. Нержавейка 316L (08Х17Н13М2Т по ГОСТ) — стандарт для рассольных испарителей ТН.

Материал	Применение в ТН	Стойкость к рассолу	Стоимость, %
Сталь 20	Только при качественном рассоле pH 8–9	Умеренная	100%
AISI 304 (12Х18Н10Т)	Гликоль без хлоридов	Хорошая	130%
AISI 316L (08Х17Н13М2Т)	Рассол, хлориды до 200 мг/л	Отличная	155%
Duplex 2205	Морская вода, хлориды до 2000 мг/л	Превосходная	220%
Ti Grade 2	Морская/солёная вода, pH < 6	Максимальная	350%

Типоразмеры испарителей ТН: ИНВ и ИКВ

Тип	Диаметр кожуха, мм	Длина труб, мм	Площадь F, м²	Q_ТН, кВт (COP=4)
ИНВ 219/2000	219	2000	3,5–5	25–35 кВт
ИНВ 273/3000	273	3000	7–10	50–75 кВт
ИКВ 325/3000	325	3000	12–16	85–115 кВт
ИКВ 325/4500	325	4500	18–24	130–170 кВт
ИКВ 400/4500	400	4500	28–36	200–260 кВт
ИКВ 500/4500	500	4500	45–60	325–430 кВт
ИКВ 600/6000	600	6000	70–90	500–650 кВт

Мощность Q_ТН приведена для COP = 4 (то есть Q_исп = Q_ТН × 0,75). Фактические параметры рассчитываются индивидуально под конкретный хладагент, тип ТН и режим работы.

Часто задаваемые вопросы

Принципиально — ничем: в обоих хладагент кипит, поглощая тепло. Разница в источнике тепла: у холодильной машины — охлаждаемый продукт (часто воздух или вода 7–12°C), у теплового насоса — низкопотенциальный источник (вода 5–15°C, рассол −5...+10°C, грунт 0–12°C). Температура кипения хладагента ТН ниже: 0...−10°C против +2...+8°C у чиллера.

Для схемы вода-вода при входной температуре воды +10°C температура кипения хладагента обычно составляет +2...+5°C (разница 5–8 К для хорошего теплопереноса). При входной температуре воды +5°C — T_кип ≈ −2...0°C. Понижение T_кип на 1°C снижает COP на ~2,5%.

Рассольный испаритель (brine evaporator) — испаритель, работающий с незамерзающим теплоносителем (рассолом): водным раствором этиленгликоля или пропиленгликоля 25–35%. Рассол циркулирует через грунтовые коллекторы (температура 0...+5°C на входе), охлаждается до −3...−5°C и возвращается в грунт. Хладагент кипит при −8...−5°C.

Этиленгликоль: дешевле, лучше теплопроводность, но токсичен — не применяется вблизи питьевых водоносных горизонтов. Пропиленгликоль: пищевого класса, безопасен, разрешён повсеместно. Для T_замерзания −15°C: ЭГ 28%, ПГ 33%. Для −20°C: ЭГ 37%, ПГ 43%. Также применяют бетаин (Хладол) и этанол.

COP = T_конд / (T_конд − T_кип) по Карно (в Кельвинах). На практике каждые 1°C снижения T_кип снижают COP на ~2–2,5%. Поэтому важно минимизировать температурный напор в испарителе: правильно подобрать площадь, обеспечить достаточный расход рассола, своевременно чистить аппарат.

Нержавейка 316L — оптимальный выбор: устойчива к гликолевым рассолам, кислороду, хлоридам до 200 мг/л. Сталь 20 допустима при pH рассола 8–9 и контроле кислорода. Медь не рекомендуется при pH ниже 7 и высоком CO₂. Для морской воды — Ti Grade 2.

Q_исп = Q_ТН × (COP − 1) / COP. Например: Q_ТН = 100 кВт, COP = 4. Q_исп = 100 × 3/4 = 75 кВт. Остальные 25 кВт берёт электродвигатель компрессора. Для получения 100 кВт тепла нужно 75 кВт из грунта/воды и 25 кВт электричества.

Технически возможно, но экономически нецелесообразно и часто запрещено санитарными нормами. Нельзя сливать охлаждённую воду в канализацию без разрешения. Для закрытого контура применяют скважинную воду с возвратом в водоносный горизонт (дублетная скважина). Требуется разрешение на водопользование.

Для ТН применяют ИНВ и ИКВ диаметрами 219–600 мм, длиной 2000–6000 мм. Тепловая мощность Q_ТН: от 25 кВт (ИНВ 219/2000) до 650+ кВт (ИКВ 600/6000). Для крупных ТН МВт-класса применяют нестандартные аппараты или параллельное включение нескольких испарителей.

Рассольный контур: раз в 2–3 года — анализ рассола (pH, концентрация гликоля, ингибиторы). Водяной контур (вода-вода): раз в год — контроль ΔP, при необходимости CIP-промывка. Визуальный осмотр фланцев и арматуры — ежегодно. Хладагентный контур — раз в 2 года у лицензированного специалиста.

Нужен испаритель для теплового насоса?

Рассчитаем площадь и подберём типоразмер ИНВ/ИКВ под параметры вашего ТН: хладагент, COP, T_кип, рассол

Запросить расчёт

Оставить заявку

Испаритель теплового насоса:вода-вода, грунт-вода, воздух-вода