Источник: журнал «Все для стройки и ремонта» серии «Потребитель». Сайт: www.master-forum.ru
Строительство дома — всегда событие. Как только у человека возникла эта идея, перед его мысленным взором начинают появляться его образы — просторный, светлый, современный, уютный, тёплый. Ещё нет проекта, сметы, иногда нет даже участка, нет ещё ненужного знания, сколько стоит килограмм гвоздей или рулон рубероида — а образы есть! Позже они трансформируются
в вопросы — кто будет строить, как строить, чем отапливать? На какие-то вопросы удаётся получить ответы, а какие-то остаются без них и «уходят в вечность»: зачем я всё это начал, когда это всё это закончится? Увы, и мы не сможем дать на них ответ, а вот рассказать о тепловых насосах — расскажем. Возможно, образ будущего дома после статьи-ликбеза об этом оборудовании приобретёт более чёткие очертания.
Тепловые насосы — это будущее?
В России за последние десять лет тема тепловых насосов стала весьма актуальной. Этому способствует тот факт, что многие
наши сограждане побывали в странах, где газ стоит невероятно дорого, а использование тепловых насосов для отопления и приготовления горячей воды увеличивается в геометрической прогрессии, поскольку из-за высокой стоимости энергоресурсов
там это действительно выгодно. В России тарифы на газ пока гораздо гуманнее. Тем не менее и у нас есть ряд факторов, способствующих популяризации тепловых насосов. Во‑первых, постоянно усложняющаяся процедура подключения к существующим газовым сетям. Десятки «фирм-прилипал», делающих свой бизнес при монополии газовых хозяйств, согласования, комиссии, проверки, жалобы соседей на некрасивую трубу, идущую якобы по их земле, суды — всё это растягивает процедуру подключения порой на годы, влетает «в копеечку» и жутко выматывает нервы всем участникам процесса. Во‑вторых, это рост тарифов: за 15 лет цена на газ для населения увеличилась, по разным источникам, на 500–600 %, при том, что инфляция составила всего 130–150 %. И тенденции к снижению стоимости не предвидится. По прогнозам Минэкономразвития, к 2030 году стоимость природного газа достигнет 7,5 руб./м³. Поэтому тому, кто строит дом сейчас, уже пора посчитать, во сколько ему обойдётся отопление жилища. В‑третьих, рост числа профессиональных компаний, оказывающих весь спектр услуг по проектированию, монтажу и сервисному обслуживанию тепловых насосов, которое, как и большинство оборудования, имеет свои
особенности. Будущему владельцу дома всегда проще решиться доверить свои деньги фирме с успешным опытом реализации подобных проектов. В‑четвёртых, это модно. Да, в нашей стране всё хорошее и красивое перенимают очень быстро. И если вернутся к образу дома из мечты, то это не всегда избушка на опушке — это может быть футуристическая конструкция из стекла и бетона, оснащённая самыми модными и передовыми устройствами и технологиями. Чему тепловой насос с его
популярностью в «продвинутом мире» более чем соответствует.
Как берём тепло?
Напомним, что тепловой насос — это отдельный класс холодильных машин, использующих в своей работе физическое свойство вещества поглощать или отдавать тепло при переходе из одного агрегатного состояния в другое. В нашем случае энергия окружающей среды при помощи насоса преобразуется в тепловую энергию, необходимую для отопления и ГВС. Процесс отбора энергии можно описать следующим образом. Охлаждённый жидкий хладагент подаётся в теплообменник теплового насоса, так называемый испаритель. При подаче на испаритель более тёплого наружного воздуха, солевого раствора или воды, циркулирующий в нём хладагент забирает у них необходимую энергию для испарения и переходит из жидкого состояния в газообразное. Компрессор всасывает газообразный хладагент и сжимает его (для этого требуется электроэнергия).
При увеличении давления увеличивается температура. Далее хладагент направляется в расположенный за компрессором
конденсатор и отдаёт полученное ранее тепло в замкнутый контур системы водяного отопления дома, переходя при этом в жидкое состояние, то есть конденсируясь. Затем с помощью расширительного клапана имеющееся остаточное давление
снижается, и цикл начинается заново. Эта базовая схема применяется и в кондиционерах, и в обычных холодильниках.
Где берём тепло?
Тепловые насосы классифицируют по конструкции первого контура теплообменника на грунтовые, водяные и воздушные.
Для получения тепла от грунта, температура которого почти не подвержена сезонным колебаниям, используют грунтовые тепловые насосы, или иначе системы «солевой раствор–вода». Тепловую энергию грунта отбирает солевой раствор, который циркулирует по горизонтальному грунтовому теплообменнику первого контура (или системе вертикальных зондов) и прокачивается через испаритель теплового насоса, отдавая эту энергию хладагенту. «Солевой раствор» — это не содержащая соли незамерзающая жидкость на основе пропиленгликоля. Грунтовый тепловой насос — достаточно универсальная система, которую можно использовать практически повсеместно. Существует две разновидности грунтовых теплообменников: горизонтальный коллектор и геотермальный зонд. Первый занимает сравнительно большую площадь. Так, для обеспечения теплом коттеджа площадью 200 м² потребуется коллектор площадью 4–6 соток, состоящий из труб, уложенных на глубине 1,5–2 м. Трубы размещают в специально
вырытых траншеях при начальном строительстве дома либо укладывают потом в процессе глобальных ландшафтных работ. На территории, занятой коллектором, существует ограничения на посадку кустов и деревьев и никакая застройка на этой площади не допускается. Основная причина заключается в том, что естественное нагревание грунта, остывшего за зиму, происходит во многом за счёт дождевых осадков, выпадающих в летний период. Наличие любых построек ограничивает поступление их в почву, что приводит к недополучению грунтом тепловой энергии.
Геотермальные зонды — это тот же самый теплообменник, трубы которого расположены не горизонтально, а вертикально. В зависимости от потребной мощности количество зондов может варьироваться. Например, для коттеджа площадью 200 м² нужно пробурить три скважины глубиной около 80 м на расстоянии 5-6 м
друг от друга. Таким образом, грунтовый теплообменник можно разместить рядом с домом, забором или в любом другом
удобном месте. Несмотря на высокую стоимость работ по бурению, сопоставимых со стоимостью оборудования, в России подавляющее большинство реализованных проектов приходится именно на системы с вертикальными коллекторами. Это вариант дороже, но он работает всегда и везде и обладает чуть большей эффективностью, чем горизонтальный коллектор. Водяной тепловой насос использует энергию грунтовых вод, которые прокачиваются (или проливаются) через испаритель теплового насоса. Грунтовые воды имеют постоянную температуру и обладают высокой теплоотдачей, что и обеспечивает повышенную эффективность и стабильность системы «вода–вода». С точки зрения эффективности наиболее предпочтительным является тепловой насос «вода–вода». Но для использования установки такого типа необходимо наличие под участком достаточного количества грунтовых вод (для стандартного коттеджа площадью
200–300 м² объёмный расход воды должен составлять примерно 2–3 м³/ч, причём крайне желательно, чтобы водоносные
слои находились сравнительно неглубоко (30–40 м). Совпадение этих двух параметров случается нечасто. Обычно водоносные слои требуемой производительности располагаются достаточно глубоко, а слои мелкого залегания (10–20 м), как правило, не способны обеспечить требуемый дебит. Ещё одно условие, ограничивающее возможность использования энергии грунтовых вод, — это качество воды. Высокое содержание примесей или железа приводит к тому, что теплообменники будут быстро
забиваться, и техника выйдет из строя. Впрочем, вопрос качества воды не является определяющим. В частности, возможно применение не пластинчатых, а трубчатых теплообменников, отличающихся большими проходными сечениями, а потому не столь чувствительных к составу воды. Тем не менее на долю водяных тепловых
насосов приходится всего 5–6 % всех реализованных в России проектов.
Использование окружающего воздуха в качестве источника тепловой энергии не требует устройства дополнительного
контура для сбора низкопотенциального тепла, поэтому первоначальные затраты на установку теплового насоса «воздух–
вода» гораздо ниже, чем для других типов тепловых насосов. Однако низкая температура воздуха в зимний период значительно
снижает эффективность воздушного теплового насоса в сравнении с тепловыми насосами другой конструкции. Действительно, насосы этого типа отличаются простотой установки — не нужно бурить скважины, нет необходимости в масштабных грунтовых работах, а подключение ничем не отличается от подключения обычного газового котла. В отсутствие затрат на дополнительные работы воздушный тепловой насос получается дешевле (суммарно
по объекту), но у него есть один существенный недостаток: обычный тепловой насос «воздух–вода» эффективно работает
до температуры –20 ºС. При дальнейшем понижении температуры коэффициент эффективности воздушного насоса снижается.
Коэффициент эффективности
Коэффициент эффективности, или коэффициент мощности — это основной критерий оценки тепловых насосов, указывающий отношение полученной тепловой энергии к потреблённой электрической. Для приборов «вода–вода» величина данного коэффициента в любое время года составляет около 5. Это означает, что при потреблении 1 кВт/ч электрической энергии установка производит 5 кВт/ч тепловой энергии. Для грунтовых тепловых насосов (в любое время года) эта величина лежит в диапазоне от 4 до 4,5. Коэффициент эффективности воздушных тепловых насосов снижается с понижением температуры на улице, и если при температуре воздуха 0 °С эффективность системы «воз
дух–вода» примерно такая же, как у грунтовых систем (около 4), то при –20 °С значение этого коэффициента не превысит 1,5. Проще говоря, в этом режиме тепловой насос на каждый затраченный киловатт электроэнергии выдаёт 1,5 кВт тепловой энергии. Казалось б ы, потребитель всё равно в «плюсе», но это не совсем так. Обычный электрический котёл в этом случае будет намного дешевле, поэтому при постоянно низком коэффициенте эффективности об окупаемости воздушного теплового насоса попросту придётся забыть.
Тепловые насосы в российском климате
Из приведённых выше описаний становится понятно, что для суровых климатических условий России лучше всего подходят
тепловые насосы «солевой раствор–вода» с вертикально расположенными зондами. Вроде бы оптимальное решение. Но недостаток информации зачастую приводит будущего владельца дома к неправильным выводам — обращаясь в компанию с запросом о стоимости, он понимает, что геотермальный тепловой насос — очень дорогое удовольствие. Это в значительной степени обусловлено тем, что комплексное предложение, включающее в себя не только стоимость собственно теплового насоса, но и работ по его установке, запуску, а также сопровождающих работ, нередко
исходит от фирм, которые выполняют эти операции в первый раз. При этом практика показывает, что сильнее всего «задирают» ценник буровые работы, их закладывают в смету по тем же расценкам, что и бурение на воду. Однако при обращении в специализирующиеся на геотермальном бурении компании стоимость бурения становится в 2–2,5 раза ниже (в пересчёте
на погонный метр), чем бурение на воду, так как технология геотермального бурения принципиально иная. К сожалению,
такую компанию не всегда удаётся найти вовремя.
Вымораживание
В российских климатических условиях грунт полгода вымораживается, а затем в тёплое время года восполняет запас тепловой энергии. Для горизонтального коллектора это восполнение происходит за счёт внешних факторов — солнечное
тепло плюс дождевые осадки, а для геотермальных зондов — за счёт температуры земли. Начиная с определённой глубины, температура грунта всегда остаётся положительной, но только до тех пор, пока не подключили тепловой насос. На глубинах свыше 10 м температура грунта стабильно держится на уровне 8–9 °С, но при включении теплового насоса она начинает понижаться, и при правильно выполненном расчёте за отопительный период температура вблизи зонда постепенно опускается до –2 °С. При неправильном проектировании она может упасть и до –10 °С, что приводит к выключению тепловых насосов из–за ограничения по температуре источника тепла. Под
влиянием атмосферных и климатических факторов на протяжении летнего периода температура грунта восстанавливается до тех же 8–9 °С.
Охлаждение
В России бывает не только холодно. В наше короткое, но порой жаркое лето дом может раскалиться до такой степени, что вынудит жильцов спать на улице в палатке. В отличие от котла тепловой насос способен не только отапливать, но и охлаждать дом.
Для охлаждения дома существует два варианта. Первый — практически у всех производителей есть модификации тепловых
насосов с интегрированным решением, которое обеспечивает не только отопление, но и кондиционирование дома. Второй — монтаж инженерного решения вне теплового насоса, реализуемое путём создания соответствующей гидравлической развязки, когда обычный тепловой насос можно использовать для работы на охлаждение. Оба варианта не отличаются сложностью
и не требуют больших капиталовложений. Пассивное охлаждение осуществляется при помощи радиаторов отопления с хорошим обдувом или посредством холодного тёплого пола. Датчик, установленный в контрольном помещении, измеряет влажность и температуру, а автоматика насоса задаёт температуру хладагента/теплоносителя на 1–2 °С ниже температуры в помещении. Это необходимо для того, чтобы на поверхности радиатора или тёплого пола не образовывался конденсат. Таким образом, температура в помещении постепенно снижается. Однако при критично высоких значениях температуры на улице данный тип охлаждения может не справиться с задачей, да и к тому же холодный пол — это не комфортно. Ещё вариант — использование холодных панелей на потоке или на стенах, но подобные системы удобны в помещениях больших масштабов, к которым частный дом не относится.
Активное охлаждение. Максимально эффективным решением задачи охлаждения частного дома может стать использование фанкойлов — приборов, в чей корпус встроен пластинчатый теплообменник, обдуваемый вентилятором. Внешне они выглядят как внутренний блок кондиционера. Существуют как настенные, так и канальные фанкойлы. То есть блоки, скрытые в пространстве между перекрытием и потолком и применяемые как на одно,
так и на несколько помещений. Другой вариант — подключение контура теплового насоса к теплообменнику, встроенному
в систему приточной вентиляции дома (при условии её наличия в доме). Но у такой системы есть и «минус» — невозможность без серьёзных затрат индивидуально настроить температуру в каждом из помещений.
Горячая вода
Комфорт без горячей воды — не комфорт. Тепловой насос без проблем способен справиться с круглогодичным обеспечением ГВС. При проектировании дома и выделении площади для котельной следует учесть, что система низкотемпературная и температура воды в бойлере достигает всего 55–60 °С. Поэтому для бесперебойного снабжения всех домочадцев горячей водой объём должен быть больше, чем в стандартной системе отопления, например, для семьи из четырёх человек понадобится 300–400 л. Также при выборе бойлера надо помнить, что это должен быть специальный бойлер для теплонасосных установок. Его отличие — в площади теплообменника, необходимой для максимального отбора тепла от теплового насоса.
Мультигенерация
В случае с грунтовым тепловым насосом надобность в дополнительном источнике тепла практически отсутствует. Тем не менее многие производители нередко встраивают в свои тепловые насосы электрические нагреватели (ТЭНы), позволяющие в самом крайнем случае перейти на электрическое отопление. При этом установка ТЭНов обусловлена не низкой надёжностью теплового насоса, а совершенно иными факторами. Дело в том, что подбор теплового насоса производится после проведения теплового расчёта здания, и если этот расчёт дал цифру, например 22 кВт, целесообразно устанавливать насос не с запасом, как это принято у нас, а с «недобором» — в данном случае 20 кВт будет вполне достаточно. Значение 22 кВт, полученное из теплового расчёта, означает, что здание будет терять 22 кВт при температуре наружного воздуха –28 °С. При –25 градусах потери тепла будут меньше (примерно 20 кВт), а при –10 — ещё меньше. В средней полосе России экстремально холодные дни с температурой –30 °С и ниже случаются не так часто, и в такие морозные периоды реально «добрать» необходимую мощность электричеством. Практика показывает, даже в нашем климате суммарная продолжительность таких экстремальных моментов обычно составляет не более 120 часов в год, причём дополнительные расходы на электрическое отопление оказываются существенно ниже, чем экономия на капитальных затратах, достигнутая за счёт установки оборудования меньшей мощности. Наличие резервных ТЭНов исключает необходимость делать систему мощнее, чем требуется, и позволяет избежать перерасхода электроэнергии, потребляемой грунтовым или водяным тепловым насосом. Но с практической точки зрения установка электрических нагревателей — скорее излишество, чем необходимость. С воздушными тепловыми насосами, которые автоматически отключаются при температуре наружного воздуха
–20…–25 °С, ситуация обратная: второй теплогенератор — не роскошь, а необходимость. Сказанное в полной мере относится и к южным регионам РФ (включая Сочи), где расчётная температура зимнего периода –2 °С, а экстремальные температуры в –10 °С — уже бедствие. К сожалению, нельзя полностью исключить вероятность того, что в какую-то ненастную ночь температура воздуха опустится до –25 °С, поэтому наличие второго (дублирующего) теплогенератора следует признать обязательным.
Тепловые насосы можно комбинировать и с другими генераторами тепла. В России чаще всего воздушные тепловые насосы комбинируют с котлами на жидком топливе или электричестве. Почему это может быть выгодно? Построенный много лет назад дом с дизельным или электрическим котлом из-за растущих цен на энергоносители обходится в содержании всё дороже. Поиск оптимизации расходов приводит к смене энергоресурса. Подведение газа не всегда возможно. Выбор падает на воздушный тепловой насос, так как он требует значительно меньше капитальных затрат, чем водяной или грунтовый. При уличной температуре –10…–15 °С основным источником генерации тепла будет котёл, а в остальное время — тепловой насос. Правда, есть несколько «но». Во‑первых, следует учесть, что температура подающего и обратного контура системы
отопления для теплового насоса 55–30 °С, а для котла — 90–70 °С, и для того чтобы не заблокировать работу насоса, требуется подключать котёл через буферную ёмкость. Во‑вторых, необходимо согласовать работу автоматики котла и насоса. Обычно «ведущим» делают тепловой насос, так как современные европейские тепловые насосы могут управлять не только системой отопления, но и автоматически переключать источник генерации. И в‑третьих, радиаторов рассчитанных на температуру теплоносителя 90–70 °С будет не хватать при температуре 55–30 °С, и их придётся заменить на большие по теплоотдаче. Всё это требует вложений. Но когда видишь растущие цены на дизель или электричество, эти затраты уже не кажутся такими серьёзными.
Подводные камни
Готовя материал к статье, мы просмотрели массу информации и выяснили, чем, а главное, почему могут быть недовольны обладатели такого «продвинутого решения», как тепловой насос? И вот какие советы мы хотели бы дать:
1. Никогда не делайте покупки столь технически сложного оборудования без тщательного теплового расчёта и проекта.
Если сомневаетесь в исполнителе проекта — закажите его в разных компаниях. Реализация «на глазок» без проекта приведёт к ошибкам, которые, в свою очередь, вызовут необратимые последствия и колоссальные дополнительные расходы. Кстати, обычно при заказе оборудования проект обойдётся бесплатно.
2. Выбирайте насос европейских производителей. Да, он дороже. Насос, как конструктор, — чем больше в нём защит, контроллеров, современных технологий, решений и материалов, тем выше его
цена. Именно поэтому «европеец» дороже. В стоимости всей системы отопления, работ по её монтажу и наладке, разница
в цене оборудования нивелируется.
3. Доверяйте профессионалам в проектировании, монтаже, сервисном обслуживании. При этом желательно, чтобы это
была одна компания, оказывающая весь комплекс услуг и несущая ответственность за реализацию проекта в целом. Как их отличить? Обычно у них есть не только все необходимые для работы документы, допуски и сертификаты, но и портфолио реализованных объектов, а также сертификаты «официально уполномоченных дилеров» от компаний-поставщиков оборудования на российский рынок. Вендоры обычно следят за тем, чтобы оборудование, которое они поставляют, попало в умелые руки.
