...а вертится она вокруг Солнца, — весь ее и его «планетарный» потенциал может быть направлен на пользу человечества. Возобновляемые источники энергии — наше неизбежное будущее, и потому ученые всего мира давно и активно работают над формами их использования. Одна из таких разработок — находящие все более широкое применение тепловые насосы, служащие для отопления жилищ
Тепловой насос — это устройство, обеспечивающее теплообмен с энергоаккумулирующими природными средами, такими как грунт, атмосферный воздух, подземные и наземные воды. Источником тепла для них могут служить также сточные воды, отработанный воздух из вентиляционных установок и систем охлаждения промышленного оборудования; дымовые газы; тепловыделения, сопровождающие различные производственные процессы. При этом не происходит истощения природных ресурсов, а перевод одного вида энергии в другой протекает без потерь.
Использование гелиоустановок, также аккумулирующих энергию солнца, оправданно далеко не всегда и не везде, так как их эффективность напрямую зависит от климатических особенностей местности, времени года, продолжительности светового дня. В отличие от них, система на основе теплового насоса функционирует непрерывно, без всякой привязки к погоде и «географии».
Как осуществляется передача тепла?
Тепловой насос подразумевает наличие трех контуров: наружного (коллектор для съема тепла), внутреннего (трубопровод системы отопления) и промежуточного, заполненного хладагентом, за счет которого происходит теплообмен между двумя основными контурами. Сам процесс выглядит так.
Теплоноситель наружного контура (30-процентный раствор этанола, пропилен- или этиленгликоля, называемый рассолом), циркулируя по коллектору, нагревается на 4–5°С и, протекая через испаритель, отдает собранное тепло. В результате воздействия этого тепла на хладагент он переходит из жидкого в газообразное состояние (давление среды низкое, температура составляет –3...–5°С) и по промежуточному контуру попадает в компрессор, где его давление и температура резко возрастают. Далее нагретый газ выталкивается в конденсатор, в котором тепло передается теплоносителю из контура системы отопления. Давление и температура хладагента снижаются, он опять превращается в жидкость, поступает в испаритель, и весь процесс повторяется.
В системе на основе теплового насоса теплоноситель нагревается не так сильно, как это происходит с традиционным отопительным оборудованием, благодаря чему воздух в помещениях не пересушивается и дышится в них легче
Типы тепловых насосов
Источники низкопотенциальной энергии, используемые тепловыми насосами, обуславливают их разделение на следующие типы: «грунт-вода» (где грунт — это поставщик тепла, а вода — теплоноситель), «вода-вода», «воздух-вода» и «воздух-воздух». Тепловые насосы c жидкими теплоносителями в наружном и внутреннем контурах, работающие в режимах зима/лето, по существу являются реверсивными чиллерами с водяным охлаждением.
Грунтовой теплообменник. Он представляет собой длинную (несколько сотен погонных метров) нитку трубы, уложенную кольцами или змейкой в траншеи либо погруженную в вертикальные скважины. Протяженность контура и глубину скважин подбирают, исходя из необходимой тепловой производительности, диаметра трубопровода и характера грунта на участке (его теплопроводности, теплоемкости и пр.). Срок службы геотермального теплообменника достигает 50–80 лет.
Трубы, обычно Ø 32 или 40 мм, могут быть изготовлены из сшитого полиэтилена PE-XAа либо из полиэтилена ПЭ 100 (обратите внимание: изделия из полипропилена в таких системах не используют). Стыковку отрезков трубопровода выполняют методом электрофузионной сварки, а также с помощью специальных элементов, обеспечивающих высокую надежность подземных соединений (применение в данных условиях обычных компрессионных фитингов чревато протечками, со всеми вытекающими отсюда последствиями).
Как и кондиционер, летом установка может работать на создание прохлады в помещениях. Так как температура под землей летом ниже, чем на воздухе, в режиме пассивного охлаждения компрессор не включают, что сохраняет до 85% электроэнергии. Холодная вода направляется либо в рекуператор, либо в отопительные контуры пола, стен или потолка (так называемый «холодный потолок»).
Один из вариантов устройства грунтового теплообменника — вертикальные зонды, которые погружают в несколько скважин, пробуренных на 60–100 м и впоследствии уплотняемых заполнителем с высокой теплопроводностью, который обеспечит зонду хороший теплосъем с грунта. Бетонит для этих целей не годится, так как создаст, наоборот, теплоизолирующий эффект; щебень также неприемлем из-за опасности механического повреждения трубы. Оптимальным вариантом будет смесь песка с добавлением небольшого количества бентонита и цемента.
Средняя теплоотдача грунта равна 50–60 Вт/пог. м, и в сумме скважины должны обеспечивать установленную расчетами величину теплосъема. К примеру, в случае теплового насоса на 10 кВт общая глубина скважин должна составить порядка 200 м.
Поскольку на глубине ниже 15 м грунт имеет постоянную температуру (≈ 8°С), такие установки функционируют стабильно и эффективно. Кроме того, они не занимают большой площади на участке, однако, чтобы исключить снижение производительности системы или замораживание трубопровода из-за взаимовлияния теплообменников, расстояние между стволами скважин (как правило, не меньше 10 м) должно быть выдержано строго согласно проекту.
Основное условие эффективности и экономичности теплового насоса — качественно утепленный дом пассивного типа (с теплопотерями не более 60–80 Вт/м²), в котором температура теплоносителя в системе обогрева не превышает 45°С
Второй вариант грунтового теплообменника — горизонтальный коллектор. Его закапывают в землю на площади 6 и более соток на глубину, определяемую теплотехническим расчетом (в среднем 0,8–1,4 м). Она должна быть такой, чтобы грунт на этом уровне хорошо прогревался солнцем и находился по возможности поближе к верховодке — первому водяному горизонту (у влажного грунта лучше теплосъем). Промежуток между петлями коллектора составляет не менее 0,6–1,0 м и также вычисляется при проектировании системы. Неправильно подобранная глубина закладки контура и недостаточное расстояние между его нитками чреваты промораживанием трубопровода, а следовательно, некорректной работой и даже выходом системы из строя. Учитывая же ее неприспособленность для ремонта (придется перекапывать немалую площадь участка и по новой укладывать сотни метров труб), любая ошибка в расчетах оборачивается серьезными проблемами.
Теплоотдача грунта в данном случае равна 20–30 Вт/м², то есть трубопровод для теплового насоса на 10 кВт должен иметь длину около 500 м.
Если почва на участке каменистая, контур укладывают на песчаную подстилку, а чтобы избежать повреждения трубы засыпку делают мягким грунтом. Ставить над коллектором какие-либо постройки, бетонировать дорожки или высаживать деревья с мощной корневой системой и обширной кроной нельзя. Во-первых, это риск возникновения в коллекторе течей и поломок, а во-вторых, — затенение и, как следствие, недостаточный прогрев площади теплосбора. Допустимый вариант — разбить здесь лужайку с насыпными дорожками или устроить небольшие цветники.
Тип наружного коллектора для теплового насоса выбирают, исходя из природных условий местности, наличия свободной площади на участке, а также требуемой производительности оборудования
Системы типа «вода-вода». Из всех низкопотенциальных источников тепла подземные воды, на протяжении года имеющие стабильную температуру 5–8°C, дают наибольшую теплоотдачу. Для организации системы требуются две скважины: из одной посредством погружного насоса вода подается в установку, а в другую отводится уже отработанная жидкость, которая далее уходит обратно в грунт. Расстояние между скважинами — не менее 5 м. При этом первая из них должна обладать необходимым дебетом и располагаться выше по течению подземного потока.
Следует иметь в виду, что при поднятии воды с глубины свыше 15 м, а также в случае установки мощностью более 30 кВт существенно возрастает расход электроэнергии. Кроме того, из-за загрязненности воды будет страдать испаритель теплонасоса. Ну и наконец, дебит подающей скважины со временем может пойти на убыль.
Хорошо аккумулирующей тепло средой является открытый водоем. Чтобы питать теплонасос, он должен быть проточным, с достаточным массивом воды и не промерзать в морозы на всю глубину. Трубы протягивают по дну (температура там относительно стабильна), нагружая их из расчета 5 кг/пог. м для предотвращения всплытия. При теплоотдаче порядка 35 Вт/пог. м для установки производительностью 10 кВт понадобится трубопровод протяженностью около 300 м.
Воздушные системы. Современные кондиционеры, переключенные в режим нагрева, по сути, работают по принципу теплонасоса типа «воздух-воздух». Они отбирают тепло у согретого солнцем наружного воздуха и направляют его в дом. Однако такое отопление будет функционировать только в случае, когда столбик термометра не опускается за 0°С. До последнего времени воздушные тепловые насосы также были эффективны лишь в ограниченном диапазоне температур, нижний порог которого находился на отметке –10°С, при этом экономия электроэнергии составляла до 75%. При дальнейшем похолодании установка уже подключала ТЭНы, и ее энергоэффективность снижалась, а когда температура переваливала за –20°С, отопление обеспечивалось одним электричеством.
Теплонасосные системы, черпающие энергию из воздуха, в последние годы интенсивно совершенствовались. Диапазон их рабочих температур расширен до –25°С, коэффициент преобразования тепла составляет 3 и более (для сравнения: у грунтовых теплообменников он равен минимум 4) — это означает, что установка генерирует в три раза больше энергии, чем потребляет. Системы поставляются полностью автоматизированными, по желанию заказчика — в комплектации с бойлером и солнечным коллектором. Безусловное преимущество такого оборудования — небольшие первоначальные затраты, что является значимым критерием выбора.
Зачастую застройщики сталкиваются с проблемой негазифицированности районов проживания или нехватки выделенной электрической мощности. Иногда газификация частного дома обходится в баснословную сумму или стоимость 1 кВт·ч электроэнергии зашкаливает. В этих случаях ищут альтернативные варианты отопления коттеджа, стремясь к полной независимости от поставщика энергоносителей, даже при относительно высокой стоимости оборудования. Монтаж теплового насоса в первую очередь актуален при отсутствии газа, поскольку этот источник тепла пока что остается самым дешевым в нашей стране. При выборе установки стоит обратить внимание на ее комплектацию и ограничения в эксплуатации.
Комплектация и монтаж установки
В комплекс оборудования тепловой установки входят: циркуляционный насос наружного контура с реле давления, конденсатор, испаритель, компрессор, дроссельный клапан, насос системы отопления, контроллер. К этому может быть добавлен встроенный водонагреватель на 150–180 л и/или контур пассивного охлаждения, а также электронагреватель. Наличие последнего позволяет ощутимо сократить стартовые затраты на устройство геотермальных и водных теплообменников и ускорить окупаемость установки в целом. Каким образом?
Мощность теплового насоса определяют из расчета пиковой нагрузки в период самых низких зимних температур. Но поскольку держатся они в общей сложности не дольше двух-трех недель, «завышать» производительность установки экономически нецелесообразно. В данном случае оправданной будет организация системы по бивалентной схеме, то есть на базе двух источников — теплового насоса с мощностью ниже расчетной, на долю которого приходится порядка 85–90% вырабатываемой за год энергии, и электронагревателя, покрывающего оставшиеся 10–15%. При вычислении данного соотношения учитывают не только характеристики оборудования, но и стоимость тепла, получаемого от того и от другого источника. Второй теплогенератор включается в процесс обогрева на период пиковых нагрузок, «выравнивая» таким образом энергоэффективность теплового насоса в течение года.
Дополнительным источником тепла в бивалентной схеме может служить не только ТЭН, но и газовый, жидко- или твердотопливный котел, солнечные коллекторы. В любом случае аккумуляция тепла происходит в буферном накопителе воды или комбинированном накопителе-водонагревателе. Применение водонакопителя гарантирует стабильность работы системы отопления, а также повышает ее экономичность за счет возможности запасаться теплом в ночное время, когда действует низкий тариф на электроэнергию.
Теплотехнический расчет термальных установок должен проводиться на основании показателей, реально отражающих климатические условия конкретного региона. Нормы, справедливые для стран с более мягким климатом, на большей части территории России не «работают»
В отличие от трудоемкой прокладки наружных коллекторов, монтаж агрегатной части установки несложен, тем более что ряд производителей предлагают теплонасосы в виде уже готовых моноблоков со всеми комплектующими. К оборудованию подводят электричество и подключают контур теплосъема, трубы низкотемпературной системы отопления (теплый пол, климатические стеновые панели и др.) и при необходимости — контур ГВС.
Приобретение теплового насоса и монтаж оборудования (без прокладки коллектора) обойдутся в сумму от 12 до 50 тыс. руб./кВт. Окупается установка примерно за 5–9 лет. По экономичности эксплуатации она стоит на втором месте после газового котла и в четыре раза превосходит электрические системы.