Делаем сказку былью

Редакционный опыт свидетельствует: слухи о консервативности потребительского сознания сильно преувеличены. Тема тепловых насосов живо взволновала читательскую аудиторию. Удивление по поводу возможности обогрева холодом сменилось конкретным интересом: как подбирается и устанавливается теплонасосное оборудование?

Итак, тепловой насос — это устройство, позволяющее использовать тепло, рассеянное в окружающей среде, для обогрева зданий. Источником тепла могут служить воздух, открытые водоемы, грунт и земные недра — достаточно, чтобы температура была выше +1°С. Теплонасос позволяет собрать в природе эти крохи бесхозной тепловой энергии, повысить ее потенциал до уровня, достаточного для нужд отопления, и передать в систему теплоснабжения здания. Пользователь, затратив на приведение установки в действие всего 1 кВт электричества, получает 5–6 кВт тепловой энергии. Помимо этого тепловой насос служит источником горячей воды и может заменить собой систему кондиционирования,охлаждая здание летом, а также обеспечить подогрев и осушение воздуха в системе принудительной вентиляции.

Правда, уровень первоначальных капиталовложений в установку достаточно высок, но взамен владелец дома получает компактную, надежную и безопасную в эксплуатации, а также безупречную с экологической точки зрения систему отопления с длительным сроком службы (20–25 лет до капитального ремонта).

Дополнительными аргументы в пользу теплового насоса служат отсутствие необходимости в согласованиях при подключении оборудования и особых требований к его размещению в доме (теплонасос по габаритам не больше стиральной машины).

Тепловые насосы — не новинка сезона и не писк моды. Идея теплового насоса сформулирована и реализована в лабораторных условиях более 150 лет назад.

Практическое применение теплонасосных установок началось в 30-х годах прошлого века. Около 30 лет назад в связи с разразившимся энергетическим кризисом появились первые бытовые модели, с тех пор успешно применяющиеся в развитых странах и доказавшие свою надежность и долговечность на практике. В мире разработано множество марок тепловых насосов для применения в частных домах. Продукция некоторых производителей уже предлагается в Украине — на пример, фирм RIEDO CLIMA AG(Швейцария), ECR(США), NIBE, MECMASTER, THERMIA(Швеция), VAILLANT, VIESSMANN(Германия), NUKLEON(Чехия)и прочих.

Теоретические основы

Принцип действия теплового насоса заключается в том, чтобы создать такие физические условия, при которых рабочая жидкость, циркулирующая в замкнутом контуре, испаряясь, отбирала бы некоторое количество тепла у холодной окружающей среды, а затем, конденсируясь, передавая эту тепловую энергию в систему отопления дома. Процесс обеспечивается с помощью компрессора, конденсатора, испарителя, дросселей, трубопроводов — аналогично тому, как это происходит в холодильнике и кондиционере.

Теоретически источниками низкопотенциального тепла могут быть грунтовые воды (температура более 10°C), озерная и речная вода (0–10°С), поверхностный (0–10°С) и глубинный грунт (10°С), а также наружный воздух, даже если его температура ниже нуля. В условиях нашей страны, чтобы работа теплонасосной установки была эффективной, в качестве источника тепла елесообразнее использовать грунт и открытые водоемы, поскольку их температура в течение всего года стабильна. Применение воздушных тепловых насосов в Украине оправдано только в Крыму.

Схематично тепловой насос, использующий тепло грунта или водоема, можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров: в первом, внешнем, циркулирует теплоотдатчик (теплоноситель, собирающий тепло окружающей среды, — незамерзающая жидкость или антифриз), во втором — хладагент (вещество,которое испаряется, отбирая тепло у теплоотдатчика, и конденсируется, отдавая тепло теплоприемнику, — чаще всего фреон), в третьем — теплоприемник (вода в системе отопления здания).

В качестве антифриза во внешнем контуре используется раствор гликоля или так называемый «рассол» (растворы солей с низкой температурой замерзания).

Правда, существуют также тепловые насосы прямого геобмена — в этом случае в землю укладывается контур с циркулирующим фреоном: теплообмен происходит не посредственно через поверхность тонких медных трубочек.

Экономичность работы теплового насоса оценивают по коэффициенту преобразования тепла, который отражает отношение получаемой тепловой мощности к потребляемой электрической. Эта величина зависит от разности уровня температур на входе в систему (в испарителе) и на выходе (в конденсаторе): чем больше разность, тем меньше коэффициент преобразования, а значит, и эффективность. Поэтому в системах отопления на базе теплового насоса в качестве отопительного прибора целесообразнее всего использовать водянойтеплый пол, температура воды в котором ограничена 35°С. Находят применение и смешанные решения (теплый пол плюс радиаторы).

Первичный контур

Поскольку получить в личное распоряжение часть акватории от крытого водоема для укладки на его дно первичного контура с теплоносителем довольно проблематично, наиболее предпочтительным источником тепла оказывается грунт. Возможны два варианта получения низкопотенциального тепла из грунта: либо с помощью горизонтально коллектора в виде уложенных в траншеи пластиковых труб, либо с помощью вертикального геотермального зонда из скважины глубиной 20 – 300 м.

Преимущество горизонтального коллектора — относительно не высокие затраты на его организацию.Однако для этого необходим свободный земельный участок.

Суммарная длина труб горизонтального коллектора и общая площадь участка под него рассчитываются по формулам в зависимости от требуемой мощности теплонасоса, удельного теплосъема (количества тепла,снимаемого с каждого метра трубы коллектора)и рекомендуемого расстояния между трубами (шага укладки),которое должно быть таким,чтобы грунт не промер зал. Для дома площадью 100 м^(2) длина коллектора составит 300–400 м.

Теплосъем с горизонтального коллектора зависит от глубины его укладки, качества грунта, наличия грунтовых вод и некоторых других параметров. В предварительных расчетах принимают величину 20 Вт/м, а конкретно по грунтам показатели таковы: сухой песок — 10 Вт/м, сухая глина — 20 Вт/м, влажная глина — 25 Вт/м, глина с большим содержанием воды — 35 Вт/м.

Вертикальный геотермальный зонд размещается в специально пробуренной скважине, в которую погружаются U образные металлопластиковые или пластиковые трубы. Как правило, в одну скважину вставляется две петли, после чего она заливается бентонитовым раствором. Расстояние между скважинами должно быть больше 5 м.

Глубина скважины определяется расчетом. Вместо одной большой скважины, для которой может потребоваться разрешение природоохранных организаций, бурят несколько неглубоких. В целом вертикальный зонд обходится гораздо дороже, чем горизонтальный коллектор, но если участок небольшой, альтернативы бурению нет.

Для предварительных расчетов удельный теплосъем в среднем принимают равным 50 Вт/м, но конкретные показатели по виду грунтов выглядят так:

• сухие осадочные породы — 20 Вт/м;
• каменистая почва и насыщенные водой осадочные породы — 50 Вт/м;
• каменные породы с высокой теплопроводностью — 70 Вт/м;
• подземные воды 80 Вт/м.

Подбор диаметров труб проводится исходя из потерь давления для требуемого расхода теплоносителя.

За информацией о геологии не обходимо обращаться к специализированным компаниям, занимающимся бурением.

В целом тепловые насосы типа «грунт — вода » способны полностью удовлетворять потребности индивидуального дома в тепле. Режим эксплуатации теплонасосной установки без дополнительного источника тепла называется моновалентным. Но, как правило, тепловой насос бытовой мощности оснащается встроенным резервным электрическим нагревателем. Он может работать как вместо теплового насоса, так и параллельно с ним, например, покрывая нехватку тепла в наиболее холодные дни года. Такой режим называется бивалентным.

Работа теплового насоса в бивалентном режиме, предусматривающая включение дополнительного теплогенератора в периоды, когда температура воздуха опускается ниже определенной (5°С — в южных регионах, 10°С — в центральных), является наиболее целесообразной. Это позволяет снизить стоимость теплового насоса и работ по монтажу первичного контура (прокладка траншей, бурение скважин и т.п.), которая сильно увеличивается при возрастании мощности установки.

Исходные данные

Чтобы инсталлировать в доме систему отопления на основе теплового насоса, необходимо обратиться в организацию, имеющую опыт разработки проектов, установки и наладки такого оборудования и соответствующие лицензии. Разумеется, стоит говорить только о продукции авторитетных западных производителей, доказавших качество своего оборудования годами успешной эксплуатации.

Для подбора теплонасосного оборудования для конкретного здания его владелец должен предоставить специалистам фирмы такую информацию:

• генплан участка с указанием на территории строений и деревьев;
• поэтажный план здания с указанием высоты и площади отапливаемых помещений;
• данные о материалах стен и крыши здания с указанием толщины слоев в конструкции;
• данные об окнах (количество оконных проемов и их размеры, материал рам, количество воздушных камер и качество стекол в стеклопакетах);
• имеющаяся электрическая мощность в кВт;
• планируемое отопление (радиаторное, теплый пол, смешанное).

На основании предоставленной клиентом информации оцениваются теплопотери здания и подбирается оборудование необходимой мощности. Отдельно рассматривается возможность использования теплового насоса для подготовки горячей воды и кон диционирования воздуха в летний период. Естественно, это влечет за собой установку дополнительного оборудования, а, следовательно, усложнение системы и увеличение ее сметной стоимости. Часто подбор оборудования в необходимой комплектации выполняют специалисты компании производителя. Так взаимодействует с украинскими партнерами швейцарская компания RIEDO CLIMA AG (генеральный дистрибьютор — фирма «ПЛАСТ »). Она предоставляет технико-экономическое обоснование проекта и рассчитывает ориентировочную стоимость теплонасосного оборудования для конкретного объекта. Выполнение работ по укладке горизонтального коллектора или вертикального зонда производят квалифицированные местные подрядчики.