Обогрев холодом

Печать
Обогрев холодом
(обзор рынка тепловых насосов)

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 2020 г. 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.

У нас эти агрегаты только-только начинают входить в практику. О них 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.

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. А ведь 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 5-6 кВт тепловой энергии. И хотя 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. А если конденсатор холодильника омывать водой, то ее, нагретую, можно использовать в радиаторах отопления или в ванной.

ТН исправно приносят пользу уже с 1830 г. Но первый бум их популярности пришелся только на годы разрухи после Второй мировой войны, когда топлива в странах Европы катастрофически не хватало. В наши дни истощение мировых нефтяных запасов дало толчок новому всплеску интереса к этим устройствам. И неспроста. 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. К примеру, ? = 3,5 означает, что, подведя к машине 1 кВт, на выходе мы получим 3,5 кВт тепловой мощности, то есть 2,5 кВт природа предлагает нам безвозмездно.

В среднем 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 1 кВт 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. В перспективе, в связи с ростом цен на все виды топлива, их лидерство обеспечено.

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, NOх, 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. В сущности, ТН опасен не более, чем холодильник.



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 5-7 м температура практически постоянна в течение всего года. Для средней полосы России она составляет 5-8°С. Это очень подходящие условия для работы ТН. Более того, в верхних слоях земли минимум температуры достигается на пару месяцев позже пика морозов - нужда в интенсивном обогреве к этому времени уменьшается. В целом 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. В качестве 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". В них используются два вида теплообменников: грунтовый коллектор и грунтовый зонд. Оба выполняются из полиэтиленовых труб диаметром 25, 32 или 40 мм (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 - 25-50 м2 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 и т. п. Выбор определяется теплопроводностью грунта и геометрией участка. Производительность теплосбора больше на увлажненных суглинках и меньше на сухих песчаных участках. В среднем 1 м2 поверхности грунта может обеспечить "поставку" 10-35 Вт мощности. Длину трубы в одной петле, причем цельной, без разъемов, стремятся ограничить (не более 600 м), иначе заметно увеличивается расход энергии на циркуляционном насосе. Если нужна большая мощность, петель делают несколько.

У коллекторов 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 (1,5 м) с шагом, рассчитанным из условия 2 пог. м трубы на 1 м2 отапливаемой площади дома. А вот под Санкт-Петербургом специалисты фирмы "ТЕПЛОСЕРВИС" заглубляют трубы всего на 1,2 м, что выше глубины промерзания, и с шагом 1 м. Весной, когда запасы тепла иссякают, верхний слой земли быстрее прогревается энергией солнца и талых вод. Ижевская фирма "ЭКОСЕРВИС" использует шаг 0,6 м и глубину 1,5 м. 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 (50-150 м). Здесь нужен всего пятачок земли, зато требуются дорогостоящие бурильные работы (от $ 20 за 1 пог. м). На глубине всегда одинаковая температура - около 10°С, поэтому зонды мощнее горизонтальных коллекторов. Метр их длины поставляет от 30 до 100 Вт 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. В глубоких 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 - 5-7 м.

У вертикальных 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.

А вот 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 (25-35 м) скважин, поскольку на них одобрения чиновника не требуется. Идея проверена. С помощью 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 "воздух-вода"

По универсальности применения в российских условиях этот тип насосов занимает пока второе место. И сами 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. В некоторых 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 -20°С, а модель HP-40 от G-MAR и при -25°С.

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. У каждой фирмы она своя. Это может быть и 0, и 2, и 10, и даже 25°С. 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.

В последние 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.