Тепловые насосы в загородном доме

Расходы на отопление, горячее водоснабжение, вентиляцию и кондиционирование составляют до 80% всех затрат на содержание современного загородного дома, оборачиваясь большими суммами ежегодных финансовых отчислений. Чтобы уменьшить эти расходы, климатическое оборудование стоит выбирать с особой тщательностью, учитывая доступность энергоносителей в долгосрочной перспективе. В районах с бесперебойным электроснабжением, где отсутствует или существенно затруднен доступ к магистральному газу, для тепло- и холодоснабжения загородного жилья имеет смысл применять тепловые насосы.

Что немцу хорошо, то… и нам пригодится!

Тепловые насосы - это подключаемые к электросети загородного дома компактные устройства, которые нагревают воду для отопления и ГВС. Реверсивные модели тепловых насосов могут также охлаждать воду, подаваемую в систему кондиционирования. В тепловом насосе происходят процессы, аналогичные происходящим в парокомпрессионной холодильной машине. За каждый потребленный из электросети кВт∙ч электрической мощности тепловые насосы передают системе отопления и ГВС (или отводят от кондиционируемого воздуха) до 3-6 кВт∙ч тепла!

Основными источниками тепла для нагрева воды при помощи тепловых насосов являются подземные и открытые водоемы, реки, поверхностный или глубинный грунт, атмосферный, вытяжной или рециркуляционный воздух. В режиме производства холодной воды тепловая энергия забирается из кондиционируемых комнат и передается указанным выше средам или воде системы ГВС.

Рис. 1. На основе теплового насоса и фэнкойлов в загородном доме могут быть реализованы универсальные климатические установки, обеспечивающие круглогодичное поддержание в помещении оптимальной температуры воздуха.

Тепловые насосы уже не первое десятилетие весьма популярны в странах Западной Европы, особенно в тех из них, где в избытке относительно дешевая электрическая энергия гидростанций, например, в Швейцарии, Швеции и Норвегии, или же атомных станций, как во Франции. Распространению этой техники способствуют высокие цены на природный газ и другие ископаемые энергоносители, а также традиционное нежелание европейцев зависеть от внешних поставщиков углеводородного топлива.

Все чаще интересуются тепловыми насосами и жители нашей страны, строящие загородные дома. В этом нет ничего удивительного, поскольку при существующих в Украине ценах на энергоносители тепловой насос как источник тепла для отопления и ГВС уступает по экономичности только теплогенератору на метане. Например, для хорошо утепленного коттеджа площадью 180 кв. метров, потребляющего за отопительный сезон 25 000 кВт∙ч тепловой энергии, за электричество, потребляемое за сезон качественным тепловым насосом, придется заплатить около 4500 грн (при тарифе 0,56 грн./кВт∙ч).

Рис. 2. Уровень звукового давления у современных тепловых насосов минимален, их можно смело ставить в помещениях с непостоянным пребыванием людей.

Для сравнения: природный газ на те же нужды при КПД котла 92% обойдется владельцу загородного дома в 3900 грн. За дизельное топливо надлежащего качества при закупочной цене 10,3 грн./л и КПД котла 89-90% придется уплатить 15400 грн. А прямое электрическое отопление и приготовление горячей воды в электрическом накопительном водонагревателе увеличат сумму коммунальных платежей примерно на 13500 грн.

Но магистральный газ доступен не везде и не всем. В ряде регионов, где строятся коттеджи, газопроводов либо нет вовсе, либо возможность подключения к ним в принципе имеется, но реализовать ее можно только за фантастические суммы, иногда сопоставимые с затратами на все инженерное оборудование загородного дома! В таких условиях застройщики волей-неволей вынуждены искать альтернативные источники теплоснабжения.

Рис. 3. Цивилизованный подход к обустройству вертикальных зондов предполагает использование соответствующей бурильной и вспомогательной техники.

Некоторую настороженность у украинцев вызывает зависимость тепловых насосов от электроэнергии. Ведь в ряде районов, где строятся дома, существуют жесткие технологические ограничения, обусловленные изношенностью подстанций и недостатком генерирующих мощностей. Однако в небольшом доме (до 250 кв.метров) тепловой насос можно использовать, даже если мощность электроустановки ограничена поставщиком электроэнергии на уровне 7-10 кВт.

На случай аварии в электросети достаточно иметь в доме дизельный или бензиновый генератор, который обеспечит работу теплового насоса и вспомогательного оборудования до восстановления электроснабжения. А вот электрический котел, электроконвекторы, тепловентиляторы, ИК-обогреватели и другие подобные устройства генератор, увы, уже «не потянет».

Рис. 4. Оцените объем земляных работ при укладке в грунт рядом с домом горизонтального коллектора.

Покупатели с европейским складом мышления приобретают тепловые насосы еще и потому, что они по сравнению с традиционными теплогенераторами могут существенно повысить качество проживания в загородном доме. Ведь при работе этого устройства отсутствуют вредные выбросы в окружающую среду, приводящие к неблагоприятным для экологии жилища последствиям. Эта техника не наносит вреда окружающей среде. В качестве рабочего тела большинство моделей используют безопасные для озонового слоя Земли хладагенты (R407C, R410A, R404, R134a).

Современные тепловые насосы долговечны. Срок их службы до капремонта составляет примерно 15-25 лет. Подобно бытовым холодильникам и морозильным камерам они взрыво- и пожаробезопасны и фактически не нуждаются в обременительном техническом обслуживании. Дом с тепловым насосом можно надолго оставлять без присмотра. Для установки теплового насоса не надо получать разрешения газовых служб, обустраивать в доме котельную, организовывать хранилище для топлива. Размещают тепловой насос в подвале или на первом этаже. Благодаря качественной звукоизоляции компрессорного отсека и использованию вибропоглотителей тепловой насос обычно не беспокоит домочадцев.

У источника низкопотенциальной энергии

Горизонтальный грунтовый коллектор теплового насоса «солевой раствор - вода» погружается в грунт на глубину как минимум на 20 см ниже глубины промерзания грунта.		При использовании вертикального зонда отбор низкопотенциального тепла осуществляется тепловым насосом «солевой раствор - вода» в глубинных слоях грунта.		Большой пруд или полноводная река рядом с загородным домом вполне могут стать источником энергии для его отопления и ГВС с помощью теплового насоса «вода - вода».

Работы по выбору и установке теплового насоса должна выполнять проектно-монтажная организация, имеющая соответствующий опыт. Для наиболее продуктивного общения с представителями такой фирмы владельцу загородного дома желательно заранее определиться с конфигурацией системы и получить необходимый минимум знаний о ее базовых компонентах. Сделать это невозможно без предварительного выбора источника низкопотенциальной энергии для отопления и ГВС - основных задач, решаемых тепловыми насосами коттеджей.

Рис. 5. Грунтовые воды, прокачиваемые через теплообменник теплового насоса «вода-вода» , обеспечивают идеальные условия для трансформации тепловой энергии.

Как уже отмечалось выше, энергию для теплоснабжения дома можно черпать из грунта, воздуха, поверхностных и грунтовых вод. Как это реализуется на практике?

Грунт. Геотермальный (грунтовый) тепловой насос (типа «солевой раствор - вода») снабжает загородный дом тепловой энергией в любую погоду, черпая ее из поверхностных или глубинных слоев земли. Чем выше температура грунта, тем меньше электроэнергии тепловой насос будет тратить на перенос в дом одного и того же количества тепла. Кроме того, количество отбираемой у почвы тепловой мощности увеличивается с увеличением влажности грунта. Температура грунта на глубине более 1,3 метра в средней полосе России стабильно выше 0°C, а на глубине более 15 метров температура постоянна в течение всего года и составляет около +10°C.

Для сбора тепловой энергии в грунт рядом с домом необходимо установить грунтовый коллектор. Это самый затратный в установке элемент системы. Увы, стоимость земляных работ в Украине да и во всем цивилизованном мире высока. Однако срок службы грунтового коллектора сопоставим со сроком службы загородного дома работать он будет не менее 50-100 лет. То есть попользоваться им, возможно, доведется и вашим внукам.

При обустройстве горизонтального грунтового коллектора в траншеи на глубину ниже промерзания (в Украине - примерно 0,9-1,3 метра) укладывается трубопровод расчетной длины, который заполняется солевым раствором, «транспортирующим» отведенную от земли тепловую энергию к промежуточному теплообменнику теплового насоса. Минус этой технологии - требуются значительные площади для укладки трубопроводов (в среднем 500-600 кв. метров и более).

Как альтернатива горизонтальным грунтовым коллекторам используют кюннетные коллекторы. Их трубы укладывают в виде спиралей в траншеи глубиной 2-4 метра. Такой способ уменьшает общую длину траншей и объем земляных работ. Еще один способ создания компактного коллектора, площадь укладки которого будет почти в 2 раза меньше площади традиционного горизонтального коллектора, предполагает использование специальных пластиковых трубчатых матов.

Рис. 6. Тяжелый оголовок полиэтиленовых труб геотермального насоса погружается на самое дно скважины, после чего скважину заливают смесью на основе цемента для улучшения теплопроводности.

Самым компактным, но и самым дорогим в реализации видом грунтового коллектора является так называемый вертикальный зонд. Рядом с домом или непосредственно под ним бурятся несколько вертикальных (или наклонных) скважин диаметром примерно 130 миллиметров и глубиной от 20 до 100 метров. Расстояние между соседними скважинами, в случае их вертикального исполнения, составляет около 5 метров. В каждую скважину опускают, как правило, по две петли полиэтиленовой трубы для рассола со специальным утяжеленным оголовком в нижней части, после чего скважины заполняют специальным раствором на основе цемента, повышающим теплоотдачу.

В последнее время в Европе получают распространение геотермальные тепловые насосы с грунтовыми коллекторами прямого испарения, в которых вместо солевого раствора находится рабочее тело теплового насоса (хладагент). Промежуточный теплообменник и циркуляционный насос солевого раствора при этом по понятным причинам не используются. Площадь укладки горизонтального коллектора прямого испарения, выполняемого из высококачественных медных труб с защитной оболочкой (PE), всего в 1,2-1,5 раза больше отапливаемой площади дома. Существует также возможность использования вертикального зонда прямого испарения.

Распространенной проблемой при использовании всех установок на основе геотермальных тепловых насосов, в особенности неправильно спроектированных, является переохлаждение грунта возле коллектора. Из-за этого температура рассола, поступающего в промежуточный теплообменник теплового насоса, может оказаться слишком низкой (в режиме обогрева температурные границы работы рассола в среднем от -5 до +25 °C), что приводит к перерасходу энергии и сбоям в работе техники.

Рис. 7. Тепловой насос в хозяйственном помещении загородного дома.

Над горизонтальным коллектором любой конструкции нельзя возводить хозяйственные или жилые постройки, а также сажать деревья. Поверхность земли над полем укладки горизонтальных коллекторов должна хорошо освещаться солнцем, чтобы земля имела возможность восполнить то количество тепла, которое было отобрано во время отопительного сезона тепловым насосом. Дополнительный нагрев грунта происходит, когда реверсивный грунтовый тепловой насос с горизонтальным коллектором работает в качестве источника холодоснабжения, - температура рассола при этом иногда повышается до +25 °C.

Воздух. Использовать в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии атмосферный, вытяжной или рециркуляционный воздух позволяют тепловые насосы типа «воздух - вода». Их монтаж, как правило, необременителен для заказчика и не требует проведения дорогостоящих земляных работ. Устройства этого типа оптимальны при организации тепло- и холодоснабжения дома, расположенного на небольшом участке земли, например, на 3 или 6 сотках.

Рис. 8. Атмосферный воздух содержит в себе достаточное количество низкопотенциальной тепловой энергии для обогрева загородного дома с помощью теплового насоса «воздух-вода».

Тепловые насосы, использующие атмосферный воздух, часто размещают на наружной стене дома или на фундаменте в саду. То есть там, где воздух может беспрепятственно циркулировать через испаритель, реже - в техническом помещении, соединяя с окружающей средой с помощью воздуховода. К системе отопления и ГВС тепловые насосы подключаются через пластинчатые теплообменники или баки - накопители тепла.

Рис. 9. Некоторые модели тепловых насосов «воздух-воздух» можно монтировать на отапливаемой территории коттеджа, соединяя с окружающей средой с помощью утепленного воздуховода.

В режиме нагрева воды основная масса тепловых насосов «воздух - вода» работают в диапазоне температур наружного воздуха от +35 и до -20°C. Но, к сожалению, эффективность их работы по мере понижения температуры уменьшается. При температуре ниже -25°C практически все тепловые насосы «воздух - вода» эксплуатировать запрещается (исключение пожалуй составляют тепловые насосы Mitsubishi Electric ZUBADAN). При этом на практике некоторые модели длительное время сохраняют работоспособность и при -30 … -36 °C.

Рис. 10. Тепловой насос Mitsubishi Electric ZUBADAN.

Впрочем, эта проблема имеет решение. Для теплоснабжения коттеджа в «лютые морозы», которые, как правило, стоят всего от 3 до 10 дней в году, параллельно тепловому насосу «воздух - вода» ставят электрокотел или другой дешевый источник «дорогого» тепла.

Допустимые температуры атмосферного воздуха при использовании реверсивных тепловых насосов типа «воздух - вода» в режиме охлаждения воды для системы кондиционирования обычно находятся в пределах +15 … +46°C. Так что захолаживать с их помощью помещения зимой, скорее всего, не получится.

Вытяжной и рециркуляционный воздух используется в качестве источников тепловой энергии в тепловых насосах «воздух - вода», предназначенных для установки внутри дома, на отапливаемой площади. Отведенная от воздуха тепловая энергия при этом расходуется на подогрев воды для ГВС или системы отопления, а параллельно решается целый ряд дополнительных задач (энергоэффективная вентиляция, осушение воздуха), о чем будет рассказано ниже. Воздух, поступающий в подобные тепловые насосы, должен иметь температуру в пределах +10 +35 °C, однако на практике она редко выходит за пределы от +17 до +28°C.

Вода. Тепловой насос «вода - вода» в принципе не отличается от геотермальных тепловых насосов типа «солевой раствор - вода». Однако рабочая температура источника тепла для устройств этого типа, работающих в режиме нагрева воды системы отопления и ГВС, находится в более узких границах, например, в пределах +7…+20 °C. В конструкции тепловых насосов «вода - вода» предусмотрены дополнительные функциональные элементы.

Для использования в качестве источника низкопотенциальной энергии грунтовых вод рядом с домом, на расстоянии не менее 15–-50 метров друг от друга, бурятся две скважины. Из первой скважины вода выкачивается скважинным насосом и подается в теплообменник теплового насоса. При этом скважина должна обладать соответствующим дебитом, вода в ней должна быть достаточно качественной. Через вторую скважину вода незагрязненной возвращается в свою природную обитель.

Рис. 11. Для приготовления горячей воды для системы ГВС котельная на основе теплового насоса часто комплектуется бойлером косвенного нагрева.

Возможен вариант с одной скважиной для забора воды - в данном случае после теплового насоса вода сливается в ближайший водоем.

Подобные установки активно используются в Германии и Австрии. Оборудование для их реализации очень компактное, теплообмен между фреоном и грунтовыми водами, температура которых круглый год составляет от +8 до +12°C, происходит в оптимальных условиях, что способствует повышению эффективности теплопередачи. Среди минусов надо отметить достаточно высокие затраты на перекачку воды, возможное снижение качества и объемов грунтовых вод. Эксплуатировать такие установки в Украине на законных основаниях проблематично: требуется разрешение соответствующих органов на использование недр, получить которое зачастую невозможно.

Чаще в качестве источника низкопотенциальной энергии используют близлежащие к загородному дому водоемы - пруды, озера с глубиной как минимум 3-4 метра и размерами, достаточными для обеспечения теплового насоса тепловой энергией на протяжении всего отопительного сезона.

Качество воды в прудах, как правило, не позволяет подавать ее напрямую в тепловой насос. С учетом этого к насосу типа «вода - вода» через промежуточный теплообменник подключается заполненный солевым раствором горизонтальный коллектор из полимерных труб, который оборудуется якорями (из расчета примерно 4-5 килограммов на 1 метр трубы) и укладывается на дно водоема.

Монтаж горизонтального подводного коллектора на порядок дешевле, чем любого грунтового коллектора. Однако, если водоем удален от дома на почтительное расстояние, прокладка к нему «теплотрассы» и организация циркуляции солевого раствора могут существенно увеличить расходы застройщика. Если водоем мелководный, то в холодную зиму он может промерзнуть до дна, из-за чего система теплоснабжения работать перестанет. Кроме того, поверхность труб со временем загрязняется илом, что затрудняет теплообмен.

Посредники теплоты

Большинство поступающих в продажу тепловых насосов предназначены исключительно для теплоснабжения загородного жилья - они нагревают воду для систем отопления и ГВС. Техника изготавливается в Австрии, Швеции, Германии и других странах Европы, а также в США. В последнее время в Украину поставляется все больше тепловых насосов из Китая, цены на которые традиционно невысоки. Понятно, что из всего многообразия имеющейся в продаже техники для снижения эксплуатационных затрат предпочтительно выбрать самое эффективное оборудование.

Эффективность теплового насоса как устройства для теплоснабжения загородного дома характеризуется показателем СОР.

Так, у бытовых геотермальных тепловых насосов «солевой рассол - вода» СОР при характеристиках сред B0/W35 (температура солевого раствора 0°C, температура подаваемой в систему отопления воды +35°C) обычно находится в пределах 3-5,1. Среди наиболее эффективных моделей геотермальных тепловых насосов отметим GMSW 10 plus S от Ochsner и тепловой насос Nibe F1145-12, для которых СОР равен 5,1. Заслуживает внимания HP16S18W-M-WEB от Heliotherm, Ai1+5009.3 от Waterkotte, СОР которых равен 4,9, а также SW90 от Weider, Thermalia 15HR от Hoval и Vitocal 300-G BW 106 от Viessmann с СОР = 4,7.

Рис. 12. Тепловой насос «солевой рассол - вода» Nibe F1145-12.

Грунтовые модели с коллекторами прямого испарения имеют СОР (E4/W35) около 4-5. Соответствующую технику и все необходимое для ее монтажа можно приобрести, например, у Ochsner (модельный ряд GMDW), Heliotherm и других компаний.

Для качественных тепловых насосов типа «воздух - вода» при температуре воды в подающей линии +35°C СОР колеблется примерно от 1,7–2,8 (когда на улице -15°C) до 4,6 при +10°C. Например, WPL 13 E от Stiebel Eltron СОР при параметрах сред A10/W35 равен 4,5, а при параметрах A-15/W35 равен 2,57. У модели PUHZ-RP 140 от Mitsubishi Electric сезонный COP составляет 3,92.

Наконец, для тепловых насосов типа «вода - вода», использующих в качестве источника низкопотенциальной энергии воду из скважин, коэффициент преобразования энергии обычно наиболее высок, он находится в пределах 4,0-6,6 (по некоторым данным, до 7,2). К примеру, WI 14ME от Dimplex, штатно оборудованный контактором скважинного насоса и грязевым фильтром для грунтовых вод, СОР этой установки (W10/W35) равен 5,1. СОР модели T12C от швейцарской Elco - около 6,0.

Максимальный экономический эффект от использования тепловых насосов всех типов наблюдается при их работе совместно с низкотемпературными системами отопления типа «теплый пол», «теплые стены».

Можно, конечно, «запитать» подогреваемой тепловым насосом водой и ветку обычных радиаторов. Большинство из представленных в продаже моделей тепловых насосов способны нагревать теплоноситель системы отопления до температуры 55°С (низкотемпературные модели), 65°С (среднетемпературные), а иногда и до 75°С (высокотемпературные тепловые насосы на R134a). Но резкое (в 1,5–2 и более раз) снижение СОР теплового насоса при этом фактически неизбежно.

Для нагрева воды системы ГВС к тепловому насосу подключают отдельно стоящий водонагреватель косвенного нагрева. Его емкость обычно не превышает 500 литров. Есть модели со встроенным водонагревателем на 170-200 литров. Вне зависимости от температурного режима системы отопления котельная на базе теплового насоса способна нагревать воду для системы ГВС до 55-60°C за счет холодильной машины. Режим приоритета ГВС существенно снижает время ожидания помывки. Однако в банный день для ускорения нагрева воды может потребоваться дополнительная мощность - на этот случай некоторые модели оборудованы тэнами мощностью 3-9 кВт.

С точки зрения снижения эксплуатационных затрат чрезвычайно важно, что большинство технически продвинутых моделей тепловых насосов легко уживается с другими альтернативными источниками тепловой энергии для отопления и ГВС, часто используемыми в современных коттед­жах. Системы автоматического управления геотермальных тепловых насосов позволяют эксплуатировать их параллельно с солнечными коллекторами. В зависимости от погодных условий система управления автоматически выбирает наиболее экономный источник тепловой энергии.

Когда не хватает прохлады

Тепловые насосы, способные не только нагревать, но и охлаждать воду, в загородных домах чаще всего используют в составе систем, круглогодично поддерживающих в комнатах оптимальную температуру воздуха. Фэнкойлы, монтируемые в подоконных нишах, или змеевики систем нагрева/охлаждения полов и стен летом «потребляют» холодную, а зимой - нагретую воду. Дополнительных отопительных приборов в зданиях, построенных с соблюдением действующих норм в области теплоизоляции, обычно не требуется.

Для охлаждения воды традиционно применяют реверсивные тепловые насосы, работающие с использованием компрессионного цикла холодильной машины (так называемое «активное охлаждение»). Примером такой техники может стать модель F1345 фирмы Nibe.

лишки тепла реверсивные тепловые насосы обычно сбрасывают в окружающую среду посредством вертикальных грунтовых зондов, горизонтальных водяных коллекторов, уложенных на дно проточных водоемов, а также в атмосферу. Однако в ряде случаев тепло, отводимое от кондиционируемого здания, может использоваться более продуктивно, например для нагрева воды системы ГВС. Такая возможность штатно предусмотрена в реверсивном тепловом насосе «воздух - вода» NIBE 640P, оборудованном дополнительным теплообменником.

У качественных геотермальных моделей мощностью до 20 кВт при температуре солевого раствора +10ºС и температуре охлажденной воды +8ºС ЕЕR, характеризующий эффективность теплового насоса как устройства для охлаждения воды, составляет примерно 4,5–5,5. Модели «воздух - вода» при температуре на улице +35ºС и температуре подаваемой в систему кондиционирования воды +8ºС имеют ЕЕR в пределах 2,0–3,0.

Альтернатива «активному охлаждению» - «пассивное охлаждение». В этом режиме тепловой насос обеспечивает теплом систему ГВС или вовсе отключается. А прохладная вода из скважины или рассол, заполняющий систему вертикальных зондов или водяной горизонтальный коллектор, с помощью небольшого циркуляционного насоса прогоняется через дополнительный теплообменник, где «отбирает» тепло у воды для системы кондиционирования воздуха.

Данное техническое решение используется в Европе уже более 30 лет, для его реализации в продаже имеется все необходимое оборудование. Например, вместе с тепловыми насосами Viessmann опционально может использоваться блок пассивного охлаждения «natural cooling» NC-Box холодопроизводительностью 1,2–5 кВт (в зависимости от типа теплового насоса, в паре с которым он работает). Тепловые насосы Vaillant geoTHERM plus поставляются с контуром пассивного охлаждения.

Рис. 13. Тепловой насос Vaillant geoTHERM plus.

Следует заметить, что при использовании теплового насоса с системой напольного отопления/охлаждения, как правило, требуется специальная система управления, которая, контролируя температуру и относительную влажность воздуха в комнате, позволяет регулировать температуру подаваемого в трубы охлаждающего потока. Это необходимо для исключения возможности выпадения конденсата на охлажденных поверхностях.

Об инвестициях

К сожалению, тепловые насосы отнюдь не дешевы. Производят их преимущественно в странах с развитой рыночной экономикой, в Украине модель на 12 - 20 кВт может стоить от 6000 до 12 000 евро. Кроме цены основного оборудования нужно учесть еще и стоимость монтажа, которая в случае проведения бурильных работ и устройства скважин весьма высока. В Евросоюзе установка тепловых насосов зачастую поощряется государством, украинцам же, строящим загородные дома, приходится изыскивать способы для снижения стоимости оборудования самостоятельно.

Уменьшить затраты на покупку и монтаж техники позволяет использование параллельно с тепловым насосом электрокотла небольшой мощности, который будет включаться в работу только при пиковой нагрузке на систему отопления (5-7 дней в году). Подобные схемы принято называть бивалентными, в то время как решения, в которых теплоснабжение и ГВС коттеджа обеспечивает только тепловой насос, называют моновалентными. Эксперты утверждают, что в условиях Украины при подборе теплового насоса можно смело принимать, что 70% потребности загородного дома в тепле будет покрываться тепловым насосом, а 30% - электрокотлом.

Правила использования материалов сайта