Обогрев холодом

Наши правнуки увидят отопительные котлы только в музее, а не у себя дома. Вместо них будут работать тепловые насосы. Но что это такое, пока у нас не знает даже большинство строителей, не говоря уж о населении.

Халява, сэр!

По прогнозам Мирового Энергетического комитета (МИРЭК), к 2020г. в развитых странах мира теплоснабжение будет осуществляться с помощью тепловых насосов (ТН). Эти устройства уже более четверти века успешно действуют в быту и промышленности как в Америке, так и в Европе, их количество исчисляется десятками миллионов. Причем во многих городах работают сотни крупных сооружений, обладающих мощностью, как у средней величины ТЭЦ. Но в данном случае мы будем говорить о приборах бытового назначения.

Унас эти агрегаты только-только начинают входить в практику. Оних мало известно даже в среде строителей, а потребители довольствуются лишь всевозможными слухами. Самых распространенных два: что это игрушка для зажравшихся богачей и что так попросту не бывает, потому что все очень уж хорошо.

Меж тем за рубежом ТН применяют, чтобы отапливать дома, готовить горячую воду, охлаждать или осушать воздух в комнатах, вентилировать помещения. "Да зачем же ломиться в открытую дверь?- спросите вы.- Есть отлично действующие котлы, бойлеры, кондиционеры, осушители, которые и выполняют эту работу!". Да, есть. Но таких приборов нужен целый комплект, а здесь одна установка может сделать все или почти все то же самое, но дешевле. Тепловой насос использует тепло, рассеянное в окружающей среде: в земле, воде, воздухе. (Его специалисты называют низкопотенциальным теплом.) Недаром в США, Японии, Германии, Швеции, Швейцарии, Австрии, Финляндии такие установки внедряются просто скоростными темпами. Аведь жители этих небедных стран денежки считать умеют и зря ими не разбрасываются.

Затратив 1 кВт электроэнергии в приводе насоса, можно получить 3, 4, а часто и 5-6кВт тепловой энергии. Ихотя это выглядит чудом, с ним, как оказывается, мы знакомы давно.

По сути, ТН- это слегка преобразованный холодильник. Даже внешне, по размерам и форме, ТН поразительно похож на своего сородича. Только в холодильнике почти не ощущаемое тепло продуктов в конечном итоге выделяется в виде довольно горячего потока воздуха, отходящего от трубчатой панели конденсатора ("радиатор" на задней стенке). Поэтому, если из нашего кухонного помощника вытащить испарительную камеру (с трубами) и закопать в землю, мы и получим тепловой насос, который будет обогревать комнату теплым воздухом. Аесли конденсатор холодильника омывать водой, то ее, нагретую, можно использовать в радиаторах отопления или в ванной.

ТН исправно приносят пользу уже с 1830г.Но первый бум их популярности пришелся только на годы разрухи после Второй мировой войны, когда топлива в странах Европы катастрофически не хватало. Внаши дни истощение мировых нефтяных запасов дало толчок новому всплеску интереса к этим устройствам. Инеспроста. Такие машины завоевывают популярность благодаря многим достоинствам.

Экономичность. ТН использует введенную в него энергию на голову эффективнее любых котлов, сжигающих топливо. Величина КПД у него много больше единицы. Чтобы избежать "смятения умов", экономичность работы разных моделей ТН специалисты сравнивают по особой величине- коэффициенту преобразования тепла (), среди других его названий в буклетах встречаются коэффициенты трансформации тепла, мощности, преобразования температур. Он показывает отношение получаемого тепла к затраченной энергии. Кпримеру, =3,5 означает, что, подведя к машине 1кВт, на выходе мы получим 3,5кВт тепловой мощности, то есть 2,5кВт природа предлагает нам безвозмездно.

Всреднем 60-75% потребностей теплоснабжения дома ТН обеспечивает бесплатно. Цифры настолько завораживающие, что невольно приходит на ум поговорка о бесплатном сыре. Действительно, первоначальные затраты на насос и монтаж системы сбора тепла довольно ощутимы и составляют $300-1200 на 1кВт потребной мощности отопления. Но капиталовложения окупятся за 4-9 лет только за счет сберегаемого топлива и электричества. При сложившемся уровне цен на энергоносители ТН по экономичности уступают пока только газовым котлам, но заметно выигрывают у жидкотопливных и электрических. Служат они по 15-20 лет до капремонта. Вперспективе, в связи с ростом цен на все виды топлива, их лидерство обеспечено.

Годовые затраты на отопление 1м² площади дома разными системами

Повсеместность применения. Источник рассеянного тепла можно обнаружить в любом уголке планеты. Земля и воздух найдутся и на самом заброшенном участке, вдали от газовых магистралей и линий электропередач- везде этот агрегат раздобудет для себя "пищу", чтобы бесперебойно отапливать ваш дом, не завися от капризов погоды, поставщиков дизельного топлива или падения давления газа в сети. Даже отсутствие нужных 2-3кВт электрической мощности не помеха. Для привода компрессора в некоторых моделях используют дизельные или бензиновые движки. Вроссийских условиях, когда уже в 100км от Москвы не всегда можно подключиться к газовой сети, такие возможности трудно переоценить.

Экологичность. ТН не только сэкономит деньги, но и сбережет здоровье обитателям дома и их наследникам. Агрегат не сжигает топливо, значит, не образуются вредные окислы типа CO, СO₂, NO_х, SO₂ , PbO₂. Потому вокруг дома на почве нет следов серной, азотистой, фосфорной кислот и бензольных соединений. Да и для планеты применение ТН- благо. Ведь по большому счету на ТЭЦ сокращается расход топлива на производство электричества. Применяемые же в ТН фреоны не содержат хлоруглеродов и озонобезопасны.

Универсальность. ТН обладает свойством обратимости (реверсивности). Он «умеет» отбирать тепло из воздуха дома, охлаждая его. Летом избыточную энергию иногда отводят «на хранение» обратно в грунт, откуда вновь возьмут зимой. Или этим теплом можно подогревать бассейн. Но такие операции под силу только специально приспособленным моделям (например, IVT-Twin от IVT, Швеция).

Безопасность. Эти агрегаты практически взрыво- и пожаробезопасны. Нет топлива, нет открытого огня, опасных газов или смесей. Взрываться здесь просто нечему, нельзя также угореть или отравиться. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей. Всущности, ТН опасен не более, чем холодильник.

На два фронта

Успех применения ТН в первую очередь зависит от того, откуда вы решите черпать низкотемпературное тепло, во вторую- от способа обогрева вашего дома (водой или воздухом). Дело в том, что агрегат работает как перевалочная база между двумя тепловыми контурами: одним, нагревающим, на входе (на стороне испарителя) и другим, отопительным, на выходе (конденсатор). По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт-вода», «вода-вода», «воздух-вода», «грунт-воздух», «вода-воздух», «воздух-воздух».

Вотечественных условиях пока применяют только первые три и последний. Воздушное отопление у нас приживается плохо, хотя имеет свои достоинства и, например, в США является наиболее распространенным. Но для всех типов характерен ряд особенностей, о которых полезно помнить при выборе модели. Во-первых, тепловой насос оправдывает себя только в хорошо утепленном здании, то есть с теплопотерями не более 60Вт/м². Чем теплее дом, тем больше выгода. Как вы понимаете, отапливать улицу, собирая на ней же крохи тепла,- занятие глупое. Во-вторых, чем больше разница температур теплоносителей во входном и выходном контурах, тем меньше коэффициент преобразования тепла (), то есть меньше экономия электроэнергии. Так уж работают эти устройства, независимо от их типа. Поэтому более выгодно подключение агрегата к низкотемпературным системам отопления. Прежде всего, имеется в виду обогрев от водяных полов или теплым воздухом, так как в этих случаях теплоноситель по медицинским требованиям не должен быть горячее 35С. Авот чем более горячую воду машина готовит для выходного контура (для радиаторов или душа), тем меньшую мощность (до 15%) она развивает и тем больше расходует электричества (до 12%). В-третьих, для достижения большей выгоды практикуется эксплуатация ТН в паре с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления).

Вдоме с большими теплопотерями ставить насос большой мощности (более 30кВт) невыгодно. Он громоздок, а будет работать в полную силу всего лишь околомесяца. Ведь количество действительно холодных дней не превышает 10-15% от длительности отопительного сезона. Поэтому часто мощность ТН назначают равной 70-80% от расчетной отопительной. Она будет покрывать все потребности дома в тепле до тех пор, пока уличная температура не опустится ниже определенного расчетного уровня (температуры бивалентности), например минус 5-10С. Сэтого момента в работу включается второй генератор тепла. Есть разные варианты его использования. Чаще всего таким помощником служит небольшой электронагреватель, но можно поставить и жидкотопливный котел. Выбор наилучшего варианта- задача специалиста.

Возможности в полной мере использовать достоинства теплонасосов у нас сегодня имеются. Ихотя едва ли треть мировых производителей ТН поставляют к нам свои изделия, их дилеры готовы смонтировать оборудование в любой точке страны. Дело за малым- за желанием россиян нагнуться и взять тепло из-под ног.

На рынке можно встретить тепловые насосы фирм IVT, MECMASTER, THERMIA (все- Швеция), OCHSNER (Австрия), VAILLANT, VIESSMANN, STIEBEL ELTRON (все- Германия), CLIMAVENETA (Италия), CARRIER, AERTEC (обе- США), PZP KOMPLET, G-MAR (обе- Чехия). Кроме того, в межсезонье у нас давно используются кондиционеры и чиллеры с режимом "отопление" от таких известных производителей холодильной техники, как HITACHI, DAIKIN (обе- Япония), CARRIER, YORK (обе - США), CLIVET (Италия) идр. Отечественных производителей бытовых ТН пока мало (сказывается смена владельцев и профиля предприятий). Среди них- "ЭКИП", "НПФ ТРИТОН", РЗП, "ЭНЕРГИЯ". Продукция простовата по дизайну, но надежна и дешевле импортной. Ктому же разработчики ищут решения, более пригодные для российских условий. Так, модель АВТН-28г ("НПФ ТРИТОН") нагревает воду в системе отопления до 70С, и это при хорошей экономичности (=3,3). Таких результатов импортные установки не дают. Фирма "ЭКИП" создала насос ТНСО2-20, работающий на диоксиде углерода (СО₂)- экологически безвредном хладагенте, который позволяет нагревать воду до рекордной отметки 85С при =3,28.

Широкий ряд моделей ТН с мощностью от 2 до 130кВт способен удовлетворить любые запросы обитателей как маленьких дач, так и больших особняков. Надо только не ошибиться с выбором типа установки.

Установки «грунт-вода»

Грунт- это, пожалуй, наиболее универсальный источник рассеянного тепла. Он аккумулирует солнечную энергию и круглый год подогревается от земного ядра. При этом он всегда "под ногами" и способен отдавать тепло вне зависимости от погоды. Ведь на глубине уже 5-7м температура практически постоянна в течение всего года. Для средней полосы России она составляет 5-8С. Это очень подходящие условия для работы ТН. Более того, в верхних слоях земли минимум температуры достигается на парумесяцев позже пика морозов- нужда в интенсивном обогреве к этому времени уменьшается. Вцелом же грунт довольно надежно поставляет калории. Необходимая энергия собирается теплообменником, заглубленным в землю, и аккумулируется в носителе, который затем насосом подается в испаритель ТН и возвращается обратно за новой порцией тепла. Вкачестве такого переносчика энергии используют незамерзающую экологически безвредную жидкость (ее называют также «рассолом» или антифризом). Это может быть тридцатипроцентный водный раствор этиленгликоля или пропиленгликоля.

Есть и другая схема сбора тепла, когда вместо "рассола" в контуре циркулирует фреон, который превращается в пар прямо в трубах теплосборника. Так может работать, например, насос АТНУ-10 (РЗП) или Golf-GMDW (OCHSNER). Но хотя эта схема повышает КПД, ее эксплуатация сложна. Сегодня наиболее популярны системы с "рассолом". Вних используются два вида теплообменников: грунтовый коллектор и грунтовый зонд. Оба выполняются из полиэтиленовых труб диаметром 25, 32 или 40мм (чем больше- тем лучше отбор тепла, но и дороже система).

Грунтовый коллектор (горизонтальный) представляет собой длинную трубу, горизонтально уложенную под слоем грунта. Главное достоинство- универсальность и простота монтажа. Нашел свободную площадку- рой канавки и укладывай. Недостаток- большая потребная площадь под коллектор- 25-50м² на 1 кВт мощности (причем площадку можно использовать только под газон или однолетние цветы). Есть разные схемы раскладки трубы: петля, змейка, зигзаг, плоские и винтовые спирали разных форм ит.п. Выбор определяется теплопроводностью грунта и геометрией участка. Производительность теплосбора больше на увлажненных суглинках и меньше на сухих песчаных участках. Всреднем 1м² поверхности грунта может обеспечить "поставку" 10-35Вт мощности. Длину трубы в одной петле, причем цельной, без разъемов, стремятся ограничить (не более 600м), иначе заметно увеличивается расход энергии на циркуляционном насосе. Если нужна большая мощность, петель делают несколько.

Уколлекторов есть особенность, доставляющая массу хлопот строителям. Оказывается, температура слоя грунта вокруг труб постепенно снижается, и тем сильнее, чем выше производительность ТН. Она может опускаться ниже нуля, а массив даже промерзать. Поэтому главная забота строителей теплосборника- сделать его за разумные деньги таким, чтобы грунт успевал за лето набрать "тепловой жирок" и при этом продолжал поставлять энергию для подготовки горячей воды. Единых норм здесь нет, ведь грунты и климатические условия районированы. Так, в Подмосковье компания "ТН-СЕРВИС" уже несколько лет с успехом практикует укладку труб чуть ниже глубины промерзания (1,5м) с шагом, рассчитанным из условия 2 пог. м трубы на 1м² отапливаемой площади дома. Авот под Санкт-Петербургом специалисты фирмы "ТЕПЛОСЕРВИС" заглубляют трубы всего на 1,2м, что выше глубины промерзания, и с шагом 1м. Весной, когда запасы тепла иссякают, верхний слой земли быстрее прогревается энергией солнца и талых вод. Ижевская фирма "ЭКОСЕРВИС" использует шаг 0,6м и глубину 1,5м. Напротив, специалисты из белгородской организации "НАЗЕМНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО" отказались от грунтовых коллекторов из-за их меньшей эффективности по сравнению с грунтовыми зондами или насосами "воздух- вода».

Грунтовые зонды (вертикальные коллекторы)- это система длинных труб, опускаемых в глубокую скважину (50-150м). Здесь нужен всего пятачок земли, зато требуются дорогостоящие бурильные работы (от $20 за 1 пог. м). На глубине всегда одинаковая температура- около 10С, поэтому зонды мощнее горизонтальных коллекторов. Метр их длины поставляет от 30 до 100Вт тепловой мощности, в зависимости от грунта.

Известен с десяток разных конструкций зондов, порой весьма необычных (например, в виде труб, замурованных в сваи фундамента дома). Но наиболее применимыми являются две: труба в трубе и U-образная. По одной линии "рассол" подается циркуляционным насосом вниз, по другой им же поднимается вверх, к испарителю. Вглубоких скважинах сборку всегда защищают обсадной трубой, в мелких не всегда.

Для улучшения теплопередачи и повышения прочности зонда зазор между землей или обсадной трубой и рабочими трубами заполняется бетонитом или бетоном. Если нужно получить большую мощность, таких теплосборников делают несколько. Расстояния между ними- 5-7м.

Увертикальных коллекторов, помимо дороговизны, есть еще одно слабое место, о котором ничего не говорится в фирменных буклетах. Как показали исследования, проведенные одним из пионеров внедрения ТН- фирмой "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ", равновесие процессов отбора тепла и восстановления "питающей" способности грунта (вокруг зонда земля захолаживается) наступает лишь через 4-5 лет эксплуатации. Поэтому насос в проект надо закладывать помощнее. Насколько- способны сказать только специалисты.

Авот что действительно может доставить массу хлопот, так это получение от службы воднадзора разрешения на бурение глубокой скважины под зонд. Ибо вероятное обмерзание грунта способно нарушить поведение водоносных слоев. Поэтому для небольших коттеджей специалисты из "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" советуют закладывать вместо одной глубокой несколько более мелких (25-35м) скважин, поскольку на них одобрения чиновника не требуется. Идея проверена. Спомощью восьми укороченных зондов и тепла отточного воздуха была собрана установка для снабжения горячей водой семнадцатиэтажного здания в Москве, жителям которого она обходится на 45% дешевле, чем в соседних домах.

Установки «вода-вода»

Источником тепла могут быть поверхностные (реки, озера) или почвенные воды (скважины), а также сбросовая вода технологических установок. Сами насосы почти не отличаются от тех, которые работают с «рассолом». Но благодаря более высокой температуре теплоносителя зимой годовая эффективность применения устройств типа «вода-вода» оказывается наивысшей. Жаль, что эта техника хороша в основном лишь для промышленного применения. Слишком редко возникают подходящие условия для частника. Но если рядом течет незамерзающая речка, вы можете уложить петлю трубы с антифризом на дно (притопив грузами) и обогреваться практически даром. Конечно, если водоохранная служба даст добро.

Со скважиной сложнее. Воду из нее (из расчета около 0,25м³/ч на 1кВт тепловой мощности) скважинным насосом подают прямо в испаритель, а сливают... во вторую скважину, удаленную от первой вниз по течению воды в подземном слое на 15-20м. При этом водоносный слой должен принять и отвести слитую воду, иначе маленькое наводнение вам обеспечено. Ясно, что такие пласты на малой глубине встречаются не везде, а для артезианских скважин получить разрешение у нас непросто. Иеще надо защитить испаритель от загрязнения и коррозии. Фильтрование и анализ воды обязательны. Если в ней слишком много солей, придется обустроить промежуточный теплообменник, между ним и ТН будет циркулировать деаэрированная чистая вода.

Установки «воздух-вода»

По универсальности применения в российских условиях этот тип насосов занимает пока второе место. Исами насосы дешевле, и труб (с неизменными земляными работами) не требуется. Недостаток один, но существенный: из морозного воздуха много тепла не отберешь. Устойчиво, хотя и с уменьшенной мощностью, эти устройства работают до -15 С, а затем надо включать другой котел. Внекоторых моделях, например Greenline (IVT), TCLM-Komplet (PZP KOMPLET) и Duo (THERMIA), в конструкцию уже встроены ТЭНы мощностью от 3 до 12 кВт. Кроме того, фирмы упорно работают, чтобы еще более снизить рабочую температуру. Скажем, насосы серии WPL от STIEBEL ELTRON работают до -20С, а модель HP-40 от G-MAR и при -25С.

Когда речь идет о выборе "воздушных" агрегатов, полезно учитывать два важных обстоятельства, обычно умалчиваемых в статьях. Во-первых, приводимое в паспорте значение номинальной мощности относится к определенной температуре уличного воздуха. Укаждой фирмы она своя. Это может быть и 0, и 2, и 10, и даже 25С. Значит, по эффективности все машины надо сравнивать при одинаковой температуре наружного воздуха. Во-вторых, с усилением холодов ТН развивает заметно меньшую (иногда втрое) мощность, поэтому дополнительный обогреватель нужен обязательно.

Конструктивно устройства типа "воздух-вода" выполняются по двум компоновочным схемам: сплит и моно. Впервом случае установка состоит из двух блоков, соединенных коммуникациями. Один, наружный, включает мощный вентилятор и испаритель (монтируется на участке недалеко от дома). Второй, внутренний, содержит конденсатор и автоматику и устанавливается в помещении. Компрессор может располагаться или снаружи, чтобы не шумел в доме, как, например, в модели HP-40 (G-MAR), или во внутреннем модуле, как в TCLM (PZP). Вмоноблоках все элементы собираются в общем корпусе и монтируются в доме, а с улицей соединяются гибким воздуховодом. Они поставляются большинством фирм, но обладают ограниченной мощностью- обычно 3-16кВт. Есть моноблоки, допускающие как наружный, так и внутренний монтаж, например WPL (STIEBEL ELTRON). Новую разработку, моноблок для наружной установки с рекордно низкой рабочей температурой (-25С), предлагает потребителям фирма G-MAR.

Впоследние годы, в связи с ухудшением вентиляции жилья из-за широкого применения новых герметичных окон со стеклопакетами, ТН "воздух-вода" получили дополнительное развитие. Помимо отопления и подготовки горячей воды, некоторые модели "научились" не только работать в системах вентиляции, но еще использовать тепло отработанного (отточного) воздуха помещений. Это, например, Europa и Combi от OCHSNER, IVT490 и 495 от IVT, ComfortZone от MECMASTER, Solvik от THERMIA.

Осогласовании работы насоса с подсоединяемыми контурами (например, отопительными) и об особенностях этих контуров мы расскажем в отдельной статье.

Характеристики тепловых насосов для домов площадью до 200м²

Редакция благодарит фирмы «ТН-СЕРВИС», «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ», «ТЕПЛОСЕРВИС», «ТЕРМОТЕХ РУС», «ЭЛЕВАТОР-СПЕЦСТРОЙ», «НАЗЕМНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО», «ЭКОСЕРВИС», «ЭКИП», TERMOSFERA и представительства компаний VIESSMANN, STIEBEL ELTRON за помощь в подготовке материала.

• Источник: Журнал «Идеи вашего дома»№85