Принцип работы тепловых насосов для отопления дома

Рассказываем устройстве и установке тепловых насосов, дополнительном оборудовании и о том, с какими проблемами можно столкнуться.

Тепловые насосы работают наподобие кондиционеров. Иногда их энергетическая эффективность практически одинакова. При этом она превышает этот показатель у нагревательных приборов традиционной конструкции, например, электрических обогревателей. В статье рассказываем, как выбрать тепловой насос для загородного дома.

Все о тепловых насосах для загородного дома

Как устроен тепловой насос

Эффективность теплового насоса

Оборудование для теплового насоса

Возможные проблемы и ошибки

Как устроен тепловой насос

Тепловой насос переносит тепло одной среды в другую с помощью трёх взаимосвязанных тепловых контуров. В качестве первой среды используют атмосферный воздух, вода или грунт. В качестве второй — или теплоноситель, нагревающий радиаторы, или водяной тёплый пол, или воздух внутри помещения.

Типы тепловых насосов

• воздух — воздух (этот тип и используется в бытовых кондиционерах); 
• вода — воздух; 
• земля — воздух; 
• воздух — вода; 
• вода — вода;
• земля — вода.

Наибольшее распространение получили модели, в которых первой средой выступает воздух или земля, так как пригодные для использования водоёмы есть не везде. Второй средой является вода, из-за популярности водяного отопления.

По среде, выступающей в роли источника тепла, проложен контур из труб, по нему циркулирует теплоноситель. В процессе прохождения по нему теплоноситель приобретает такую же температуру, как и среда. Затем он поступает на теплообменник испарителя, где нагревает до кипения жидкий фреон, находящийся во вторичной системе. Газообразный фреон переходит в компрессор, где при сжатии происходит его сильный нагрев до 55–75 °С. Далее фреон попадает в конденсатор, где нагретый газ отдаёт тепло среде номер два, воздуху или жидкости-теплоносителю из системы отопления.

Визуализация: Игорь Смирягин/ Burda Media</span>Принципиальная схема теплового насоса: 1— источник тепла; 2 — низко-температурный первичный контур; 3 — испаритель; 4 — компрессор; 5 — конденсатор; 6 — третий контур (отопления). Визуализация: Игорь Смирягин/ Burda Media</span>Варианты устройства первичного контура в грунте: вертикальное (скважинное) залегание, горизонтальное залегание.

Эффективность теплового насоса

Коэффициент эффективности — отношение мощности обогрева к потребляемой мощности, грубо говоря — сколько киловатт тепловой мощности мы получим на каждый потребляемый киловатт электроэнергии. Для электрического ­обогревателя этот коэффициент примерно равен единице. А вот у кондиционеров и тепловых насосов он может быть 3,0-5,0 и выше. 

Помимо теплового насоса вам потребуется теплообменный контур, который может быть дороже самого устройства, если он прокладывается в земле. Воздушный контур будет стоить гораздо дешевле, но его применение в быту ограничивается, во-первых, из-за заметного шума, который производит вентилятор. А во-вторых, низкая температура воздуха в сильный мороз резко снижает эффективность теплообмена. В сильный мороз потребуется устройство бивалентной системы отопления, в которой используется два источника тепла. Бивалентная система расширяет рабочий диапазон уличных температур. Скажем, прибор работает до –20 °С, а при дальнейшем понижении включается дополнительный источник.

С земляным контуром таких проблем не возникает. Температура грунта ниже уровня промерзания не опускается ниже 0 °С. На глубине от 3-4 до 40-50 м она примерно равна среднегодовой температуре воздуха для данной местности, а при глубине ниже начинает постепенно повышаться. И работает грунтовой теплообменник практически бесшумно.

Практика показывает, что грунтовой отопительный комплекс окупается примерно за 20 лет. И это при современных ценах на электричество. В будущем, скорее всего, электричество будет расти в цене, а срок окупаемости, соответственно, сокращаться. Срок службы теплового насоса, заявленный производителями, обычно превышает 20 лет, а срок службы и вовсе доходит до 70–100 лет. Так что его использование, действительно, может быть экономически оправданно.

>Viessmann</li>Наружный блок воздушного теплообменника.

Возможные проблемы и ошибки

В последние годы количество компаний, занимающихся проектированием и установкой тепловых насосов, существенно увеличилось. Соответственно, возникает ряд проблем, когда отопительная система перестаёт работать или функционирует неэффективно. И тогда многие домовладельцы выясняют, что простой заменой оборудования не обойтись — придётся перепахивать весь участок, заново прокладывать сотни погонных метров трубы.

Все ошибки можно разделить на две большие группы:

• ошибки, совершаемые на этапе проектирования узлов системы отопления;
• халатное исполнение работы.

Неправильная система отопления будет либо недостаточно мощной, либо нестабильной по мощности основных узлов. В первом случае такой тепловой насос не подойдет для отопления загородного дома. Во втором случае, например, если неудачно подобран наружный контур, возникает опасность замораживания трубопровода.

Instagram @energylex_tn</span>Instagram @energylex_tn</span>Instagram @vigorcentre </span>

Грунтовой теплообменник

Грунтовый теплообменник — один из ключевых элементов, с устройством которого чаще всего возникают проблемы. Он состоит из длинных (несколько сотен метров) нитей трубы, сложенной кольцами в траншеи или помещённой в одну или несколько скважин.

Основные ошибки в устройстве:

1. Занижение проходных диаметров трубы.
2. Неоправданная экономия на материалах и технологиях. Для грунтовых теплообменников повсеместно применяется полиэтилен, который хорошо переносит отрицательные температуры. А вот использование полипропилена — грубейшая ошибка. Для соединений отрезков трубопровода необходимо выбирать только соответствующие элементы, предназначенные для подземного монтажа, и надёжные технологии сварки.
3. Применение дешёвых компрессионных фитингов, дающих течь через пару лет эксплуатации. Важно правильно тампонировать скважины, чтобы зонд имел хороший термический контакт с грунтом. Для этого скважины с установленным зондом заполняют смесью, теплопроводные характеристики которой не хуже, чем у грунта. Бентонит в данном случае не подходит, так как обладает изолирующими тепло свойствами. Рекомендуется заполнять скважины песком с небольшой примесью бентонита и цемента. А вот применение обломочных пород с острыми краями,например, щебня — следует исключить.
4. Слишком близкое положение скважин или ниток трубопровода друг к другу. В результате ухудшается теплоотвод от трубопровода, и грунт может быть слишком сильно заморожен — тепловой насос перестанет работать.
5. Размещение горизонтальных труб в грунте слишком глубокое, ниже уровня промерзания. Грунт может быть слишком сильно заморожен и не успеет прогреться за летний сезон.
6. Размещение коллектора слишком близко к поверхности. При сильных морозах в конце зимы эффективность работы будет резко падать.
7. Над коллектором возводятся какие-либо строения или сооружения, затрудняющие теплообмен. В этом месте может образоваться своеобразная «вечная мерзлота», ледяная линза, которая не успеет прогреться за летний сезон.

Грунтовый теплообменный контур почти не пригоден для ремонта. Если возникает утечка теплоносителя из-за механического порыва трубы или её плохого качества, то нитку нужно глушить или менять. 

Скважины

Зачастую не учитывают взаимного влияния скважин. Стандартное расстояние — 10 м при глубине скважины более 60 м. Если они расположены на расстоянии менее 8–10 м друг от друга, то следует увеличивать глубину и количество скважин, чтобы обеспечить необходимый уровень отдачи энергии.

Контур укладывают на глубине 0,8– 1,4 м, поэтому не нужно использовать буровую технику. Но при этом он занимает достаточно большую площадь, что ограничивает возможность устройства декоративного газона, насыпных дорожек, грядок, посадкой кустарников.

Проектирование горизонтального контура

К ошибкам проектирования, помимо неадекватной длины, относится недостаточная глубина его укладки. При малой глубине окружающая среда слишком сильно влияет на температуру теплоносителя. В результате к концу отопительного сезона может снижаться температура контура и падать эффективность работы оборудования. Из-за слишком большой глубины укладки грунт вокруг системы не успевает прогреться за лето. Стоит упомянуть об одном из ошибочных мнений, что коллектор следует укладывать ниже глубины промерзания грунта.

Неправильная эксплуатация территории

Коллектор должен быть расположен так, чтобы получить как можно больше тепла из окружающей среды, максимизировать отдачу от нагрева грунта теплом солнца, дождевой воды. Неправильная эксплуатация территории, под которой расположен горизонтальный коллектор, тоже приводит к сбоям в работе системы. Над коллектором нельзя возводить постройки, класть асфальт или тротуарную плитку. Если геотермальный теплообменник окажется под «крышей», то может возникнуть ледяная линза, образованная замёрзшим устройством и грунтом вокруг него.

Ошибки в расчетах

Очень часто при расчётах указывают все величины без запаса. Например, если расчётный теплосъём для грунтового коллектора составляет 20-30 Вт с погонного метра, то при расчёте его принимают как 30 Вт. Соответственно, выбирают и «самое удобное» значение для расчёта. Аналогичные просчёты совершаются и при выборе теплового насоса. Например, вместо модели мощностью 24 кВт устанавливают устройство мощностью 17 кВт. В результате прибор не справляется в пиковые нагрузки. Характерной ошибкой является использование методик расчёта, выполненных по европейским нормативам. Всё-таки зима у нас более холодная и продолжается дольше, чем, скажем, в Германии. Для расчёта должны применяться нормативы, соответствующие климатическим особенностям региона строительства.

Неправильный монтаж узлов

Строители могут неправильно подойти к монтажу узлов системы отопления. При этом установка теплового насоса не представляет сложности, особенно если речь идёт о моделях последнего поколения. Многие зарубежные производители предлагают полностью собранные системы. Они представляют собой моноблок, который содержит все элементы, включая теплообменник «фреон-вода».

Монтаж оборудования заключается в его установке на твёрдом основании, подключении к электричеству и проводке труб от коллектора тёплого пола. Хотя и здесь иногда находится место для ошибок. Так, например, делают подпитку от водопровода к грунтовому теплообменнику, что категорически запрещено.

Типичные ошибки и способы их исправления также указаны в таблице.

Ошибка	Последствие	Способ исправления
Недостаточная длина трубопровода первичного контура теплообменника	Замораживание теплоносителя в трубопроводе	Перекладка теплообменника или устройство дополнительного контура
Занижение диаметра трубы контура теплообменника	Недостаточная мощность системы	Перекладка теплообменника
Слишком близкое расположение скважин или ниток трубопровода теплообменника	Замораживание теплоносителя в трубопроводе	Перекладка теплообменника или устройство дополнительного контура либо скважины
Использование полипропиленовых труб, компрессионных фитингов	Утечка теплоносителя	Перекладка теплообменника
Устройство над горизонтально расположенным контуром сооружений, препятствующих доступу тепла с поверхности земли	Замораживание теплоносителя в трубопроводе	Демонтаж сооружений

• Источник: Журнал «Идеи вашего дома» №228
• Материал подготовил: Борис Безель

Поделиться ссылкой

Сегодня тема отопления так называемого частного сектора крайне актуальна. Как показывает практика, там не всегда есть газопровод, поэтому люди вынуждены искать альтернативные источники тепла. Давайте в данной статье поговорим о том, что такое грунтовый геотермальный теплонасос или, как его называют в быту — тепловой насос. Принцип работы данного агрегата известен далеко не каждому, ровно как и его конструкция. С этими моментами мы и попытаемся разобраться.

Что нужно знать?

Вы можете говорить о том, что раз тепловые насосы такие эффективные, то почему так слабо распространены. Все дело заключается в высокой стоимости оборудования и монтажа. Именно по этой простой причине многие отказываются от данного решения и выбирают, скажем, электрические или угольные котлы. Тем не менее отбрасывать данный вариант не стоит по многим причинам, о чем мы обязательно скажем в данной статье. Тепловые насосы после установки становятся весьма экономичными, так как используют энергию грунта. Геотермальный насос — это 3 в 1. Он сочетает в себе не только отопительный котел и систему ГВС, но и кондиционер. Давайте поближе познакомимся с данным оборудованием и рассмотрим все его сильные и слабые стороны.

Принцип действия агрегата

Принцип работы теплового насоса для отопления заключается в использовании разности потенциалов тепловой энергии. Именно поэтому подобное оборудование может применяться в любой среде. Главное, чтобы её температура была не менее 1 градуса по Цельсию.

Мы имеем теплоноситель, который движется по трубопроводу, где, собственно, и нагревается на 2-5 градусов. После этого теплоноситель поступает в теплообменник (внутренний контур), где отдает собранную энергию. В это время во внешнем контуре есть хладагент, который имеет низкую температуру кипения. Соответственно, он превращается в газ. Поступая в компрессор, газ сжимается, в результате чего его температура становится еще выше. Дальше газ идет на конденсатор, где теряет свое тепло, отдавая его системе отопления. Хладагент приобретает жидкое состояние и поступает обратно во внешний контур.

Вкратце о видах тепловых насосов

Сегодня известно несколько популярных конструкций геотермальных насосов. Но при любом раскладе их принцип действия можно сравнивать с работой холодильной техники. Именно поэтому независимо от вида насос в летнее время может быть использован в качестве кондиционера. Так вот, тепловые насосы классифицируются по тому, откуда они могут добывать тепло:

• Из грунта;
• Из водоема;
• Из воздуха.

Первый вид наиболее предпочтителен в холодных регионах. Дело в том, что температура воздуха зачастую опускается до -20 и ниже (на примере РФ), а вот глубина промерзания грунта обычно несущественная. Что касается водоемов, то они есть не везде, да и использовать их не слишком целесообразно. В любом случае, лучше выбирать грунтовый тепловой насос для отопления дома. Принцип работы агрегата мы немного рассмотрели, поэтому идем дальше.

«Грунт-вода»: как лучше разместить?

Получение тепла из грунта считается наиболее целесообразным и рациональным. Обусловлено это тем, что на глубине 5 метров практически не происходит температурных колебаний. В качестве теплоносителя используется специальная жидкость. Её принято называть рассолом. Она является полностью экологически безопасной.

Что касается метода размещения, то есть горизонтальный и вертикальный. Первый вид характерен тем, что пластиковые трубы, представляющие внешний контур, укладываются на площади горизонтально. Это весьма проблематично, так как работы по укладке должны проводиться на площади 25-50 квадратных метров. В случае с вертикальным расположением бурятся вертикальные скважины глубиной 50-150 метров. Чем глубже будут уложены зонды, тем эффективней будет работать геотермальный тепловой насос. Принцип работы мы уже рассмотрели, а сейчас поговорим еще о важных деталях.

Тепловой насос «Вода-вода»: принцип работы

Также не стоит сразу отбрасывать возможность использования кинетической энергии воды. Дело в том, что на большой глубине температура остается достаточно высокой и изменяется в небольших диапазонах, если это вообще происходит. Вы можете пойти несколькими путями и использовать:

• Открытые водоемы, такие как реки и озера.
• Грунтовые воды (скважина, колодец).
• Сточные воды пром.циклов (обратное водоснабжение).

С экономической и технической точки зрения проще всего наладить работу геотермального насоса в открытом водоеме. При этом существенных конструктивных отличий между насосами «грунт-вода» и «вода-вода» нет. В последнем случае погружаемые в открытый водоем трубы снабжаются грузом. Что касается использования грунтовых вод, то конструкция и монтаж более сложные. Необходимо выделить отдельную скважину для сброса воды.

Принцип работы теплового насоса «Воздух-вода»

Такой тип насосов считается одним из наименее эффективных по целому ряду причин. Во-первых, в холодное время года температура воздушных масс существенно понижается. В конечном итоге это приводит к уменьшению мощности насоса. Он может не справиться с отоплением большого дома. Во-вторых, конструкция более сложная и менее надежная. Тем не менее расходы на монтаж и обслуживание существенно снижаются. Это обусловлено тем, что вам не нужен водоем, колодец, а также не требуется копать траншеи под трубы на дачном участке.

Размещается система на крыше здания или в другом подходящем месте. Стоит заметить, что подобная конструкция имеет один существенный плюс. Он заключается в возможности использования отработанных газов, воздуха, который покидает помещение, повторно. Этим можно компенсировать недостаточную мощность оборудования в зимний период.

Насосы «воздух-воздух» и кое-что еще

Подобные установки встречаются еще реже, нежели «Воздух-вода», на что есть целый ряд причин. Как вы уже догадались, в нашем случае в качестве теплоносителя используется воздух, который нагревается от более теплой воздушной массы из окружающей среды. Есть большое количество недостатков такой системы, начиная от низкой производительности и заканчивая высокой стоимостью.Тепловой насос «воздух-воздух», принцип работы которого вы знаете, неплох только в теплых регионах.

Тут есть и сильные стороны. Во-первых, дешевизна теплоносителя. Скорее всего, вы не столкнетесь с проблемой течи воздухопровода. Во-вторых, эффективность такого решения крайне высока в весенне-осенний период. Зимой же использовать воздушный тепловой насос, принцип работы которого мы рассмотрели, нецелесообразно.

Самодельный тепловой насос

Проведенные исследования показали, что срок окупаемости оборудования напрямую зависит от отапливаемой площади. Если речь идет о доме в 400 квадратных метров, то это примерно 2-2,5 года. А вот для тех, кто имеет жилье площадью поменьше, вполне можно использовать самодельные насосы. Может показаться, что сделать такое оборудование сложно, но на самом деле это несколько не так. Достаточно закупить необходимые комплектующие, и можно приступать к монтажу.

Первым делом приобретается компрессор. Можно взять такой, какой на кондиционере. Монтируют его аналогичным образом на стену здания. Помимо этого, нужен конденсатор. Его можно соорудить самостоятельно или же купить. Если пойти первым методом, то понадобится медный змеевик толщиной не менее 1мм, его помещают в корпус. Это может быть подходящий по габаритам бак. После монтажа бак сваривается, и делаются нужные резьбовые соединения.

Заключительная часть работ

При любом раскладе на окончательной стадии вам потребуется нанять специалиста. Именно знающий человек должен осуществлять пайку медных трубок, закачку фреона, а также первый запуск компрессора. После сборки всей конструкции её подключают к внутренней системе отопления. Наружный контур устанавливается в последнюю очередь, а его особенности зависят от типа используемого теплового насоса.

Не стоит упускать из виду такой важный момент, как замена устаревшей или поврежденной проводки в доме. Специалисты рекомендуют устанавливать счетчик мощностью не менее 40 ампер, чего должно быть вполне достаточно для эксплуатации теплового насоса. Не лишним будет отметить, что в некоторых случаях подобное оборудование не оправдывает ожидания. Это обусловлено, в частности, неточными термодинамическими расчетами. Чтобы не случилось так, что вы потратили кучу денег на отопление, а зимой пришлось поставить угольный котел, обращайтесь в проверенные организации с положительными отзывами.

Безопасность и экологичность прежде всего

Отопление с помощью описанных в данной статье насосов является одним из наиболее экологических методов. Обусловлено это по большей части сокращением выбросов в атмосферу углекислых газов, а также сбережением невосстанавливаемых энергоресурсов. Кстати, в нашем случае используются возобновляемые ресурсы, поэтому бояться, что тепло вдруг закончится, не стоит. Благодаря использованию вещества, кипящего при низких температурах, появилась возможность реализовать обратный термодинамический цикл и при меньших затратах энергии получать достаточное количество тепла в дом. Что касается пожаробезопасности, то тут и так все понятно. Нет вероятности утечки газа или мазута, взрыва, нет опасных мест для хранения горючих материалов и многое другое. В этом плане тепловые насосы очень хороши.

Заключение

Теперь вы полностью знакомы с тем, что такое и каким может быть тепловой насос (принцип работы). Своими руками подобный агрегат сделать можно, а в некоторых случаях даже нужно. В этом случае вы можете сэкономить порядка 30% средств на покупку оборудования. Но опять же монтажными работами желательно должен заниматься специалист, это же касается и проводимых расчетов.

Как ни крути, сегодня это еще достаточно дорогостоящий вид отопления с большим сроком окупаемости. В большинстве случаев куда проще провести газ или топить углем или дровами. Тем не менее для больших загородных домов это очень перспективный вид отопления. Его говорить об экономичности оборудования, то получается что на 1 кВт потраченной энергии мы получаем порядка 5-7 кВт тепловой. По охлаждению это 2-2,5 кВт на выходе, что тоже очень даже неплохо. Стоит отметить еще и бесшумность работы насоса. Вот, в принципе, и все, что можно рассказать по данной теме.

Похожие статьи

Можно ли потратить 1 кВт⋅ч электроэнергии, а взамен получить 3-4 кВт⋅ч тепла для отопления и горячего водоснабжения загородного дома? И платить по счетчику только за 1 кВт⋅ч, беспечно обогревая площадь в 30-40 кв. м? Да! Современные технологии творят чудеса. Именно о такой новаторской системе получения теплой воды мы сегодня и поговорим.  Затратив на входе 1 кВт⋅ч, на выходе она действительно дарит вам в 3-4 раза больше тепла. Причем дарит в прямом смысле: казалось бы, ниоткуда, «из воздуха» появляется дополнительная энергия, которая материализуется в комфортном и теплом отдельно стоящем доме. В этом и есть главный плюс чуда техники под названием «теплонасосные системы», а сокращенно — «тепловые насосы». Разумеется, за таким четырехкратным экономическим эффектом стоят и самые современные технологии, и серьезная наука. Поэтому не судите строго за вынужденную сухость и «технократичность» изложения.   

Как это работает

Всезнающая «Википедия» определяет тепловой насос как устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. По сути, тепловой насос аналогичен бытовому холодильнику, о сложной работе которого мы попросту не задумываемся. Только там основная цель — производство холода: испаритель забирает тепло из камеры холодильника, а конденсатор «сбрасывает» его в окружающую среду. В тепловом насосе картина строго обратная.     Конструкция теплового насоса — это замкнутая система, в которую входят:

• испаритель,
• компрессор, 
• конденсатор,
• расширительный клапан (дроссель).

Они соединены трубопроводами, по которым циркулирует хладагент (фреон). Но сам тепловой насос как таковой — лишь часть теплонасосной системы отопления. Его испаритель непосредственно связан с первым контуром системы — зарытым в грунт теплообменником, который передает низкопотенциальную энергию грунта хладагенту (второй контур).

1. Получая тепловую энергию грунта из первого контура, хладагент нагревается, вскипает и переходит из жидкого состояния в газообразное (испаряется). 
2. Компрессор сжимает нагретый газообразный хладагент, при этом его температура повышается. Кстати, именно на работу компрессора в основном и уходит вся потребляемая из сети электроэнергия — тот самый условный 1 кВт⋅ч, о котором шла речь в начале статьи.
3. Из компрессора подогретый фреон попадает в конденсатор. Здесь он охлаждается, отдавая свое тепло в контур системы водяного отопления дома (третий контур). 
4. Выходя из дросселя, фреон расширяется, его температура падает, в результате он переходит в жидкую фазу и возвращается в испаритель. 
5. После этого рабочий  цикл повторяется заново. Типичный бытовой холодильник, только работающий «в обратную сторону».

 

Типы тепловых насосных систем 

Исследователи и конструкторы теплонасосных установок разработали несколько вариантов отбора тепла у природы: из грунта, из воды и даже из воздуха. Практический интерес для российских дачников представляет случай съема тепла из грунта — прямо из земли садового участка. При этом тепловая энергия грунта отбирается теплоносителем (обычно это незамерзающая жидкость на основе пропиленгликоля или этиленгликоля) первого контура. Известны два типа грунтовых теплообменников: горизонтальный коллектор и геотермальный зонд.

Горизонтальный грунтовый коллектор

Это система труб, уложенных на глубине ниже уровня промерзания (то есть около 2 м) в специально вырытые траншеи. Трубы могут соединяться последовательно или параллельно, располагаться в одной плоскости или даже образовывать пространственную спираль. Параметры такого теплообменника зависят от длины труб, которую рассчитывают исходя из:

• потребной мощности насоса, 
• грунта данного места (влажный — лучше), 
• уровня солнечной радиации и т.д. 

В любом случае площадь, занимаемая таким коллектором, сравнительно велика. В средней полосе России примерное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 погонный метр трубы теплообменника, составляет 20-30 Вт. Это означает, что для обеспечения теплом коттеджа площадью около 50 кв. м потребуется коллектор площадью 150-200 кв.м.   На площадке, под которой располагается коллектор, можно сажать кусты и деревья, устанавливать малые архитектурные формы (беседки, перголы и арки, садовые скульптуры, стационарные садовые светильники и т.д.). Но какая-либо серьезная застройка там запрещена. Такой запрет позволяет тепловым «запасам» грунта, остывшего за зиму, восстанавливаться естественным путем. А это происходит в том числе за счет летних дождей. Поэтому ничто не должно препятствовать проникновению влаги в почву. Так что «энергетическое поле» вашего участка будет представлять собой только садово-огородный ландшафт, даже без теплиц.

Вертикальный коллектор, или геотермальный зонд

Вертикальный коллектор — другой тип грунтового теплообменника. Он представляет собой вертикальную скважину глубиной 30-100 м (иногда и более), в которой размещается U-образный или коаксиальный (труба в трубе) теплообменник. У него есть и другое название — геотермальный зонд. Важнейшее преимущество вертикальных грунтовых теплообменников — в том, что для их устройства требуется минимальная площадь.  

Два примера применения тепловых насосов

1. Один из лучших примеров на территории России — «Активный дом» под Москвой. Он сооружен в 2011 году и стал поистине символическим объектом в области энергоэффективности дачного строительства. В нем установлен тепловой насос, использующий 33% раствор этиленгликоля, который циркулирует в коллекторах охлаждения скважного исполнения. Для их производства на придомовом участке в шахматном порядке пробурили 8 скважин глубиной до 30 м. В этом примере есть один очень важный, можно сказать решающий параметр: здесь четко определен радиус действия скважного модуля в 6 м. То есть одна скважина должна отстоять от другой не менее, чем на 12 м.Главное достоинство установки — пресловутый расход 1 кВт⋅ч поступающей извне мощности для получения 3-4 кВт⋅ч тепловой энергии. Серьезный недостаток таких теплообменников — немалая стоимость буровых работ, приближающаяся к цене импортного оборудования. Тем не менее, в Московской области большинство установок приходится на долю тепловых насосных систем именно с вертикальными грунтовыми теплообменниками. На видео ниже вы можете посмотреть, как вообще происходит бурение скважин и закладка в них геотермальных зондов:  2. Еще один пример, на этот раз из Набережных Челнов. Компания Rockwool построила там энергоэффективный дом Natural Balance общей площадью 186 кв. м. Отопление и горячее водоснабжение в этом доме обеспечивает тепловой насос. На приусадебном участке пробурили десять скважин глубиной по 35 м, в которые опустили теплообменники. Трубы, соединяющие зонды с тепловым насосом, расположены на глубинеболее 1 м, поэтому площадка со скважинами используется как обычный садовый участок с плодовыми деревьями, огородом, цветниками, садовыми скамейками и прочими атрибутами современного загородного дома.   

Велика ли эффективность теплового насоса? 

Уровень эффективности теплового насоса определяется коэффициентом преобразования (коэффициентом мощности), который показывает отношение полученной тепловой энергии к количеству электрической энергии, затраченной на работу компрессора. В любое время года для тепловых насосов «грунт-вода» величина коэффициента составляет около 4. Это означает, что при потреблении 2 кВт∙ч электрической энергии установка производит 8 кВт∙ч тепловой энергии.   Я выбрал для примера скромные 2 кВт∙ч, потому что это тот минимум, который может получить одно домохозяйство в обычном садоводческом товариществе в регионе с ограниченным энергопотреблением. А мощности в 8 кВт∙ч тепловой энергии достаточно, чтобы отопить грамотно утепленный дом площадью до 100 кв. м и более.  

Второе назначение 

Тепловые насосы могут работать не только в режиме отопления,но и в режиме кондиционирования всех комнат. То есть если собрать гидравлическую развязку в котельной, обычный тепловой насос можно использовать и для охлаждения. У передовых котловых компаний уже есть модели тепловых насосов, которые легко переходят с одного режима на другой. Оба эти варианта не отличаются сложностью и не требуют больших вложений. Читателям, которым в целом понравилась идея тепловых насосов, надо помнить, что традиционные  отопительные радиаторы не пригодны для охлаждения воздуха, а «теплые» полы превращаются в «ледяные». Поэтому эффективное совмещение функций отопления и охлаждения возможно только при использовании воздушных систем отопления/кондиционирования. Этот вариант распространен в США, где тепловой насос большую часть года работает именно в режиме охлаждения.  

Стоит ли устанавливать тепловой насос у себя на даче? 

Расходы на эксплуатацию теплонасосных и традиционных газовых систем отопления примерно одинаковы. Поэтому при наличии магистрального газа разумнее использовать привычное газовое отопление, чем платить сотни тысяч рублей за тепловой насос и его обустройство. Для примера можно привести цену теплового насоса мощностью 6 кВт производства компании Viessmann – 756 тыс. рублей. Схожие по мощности аппараты отечественного производства с импортными комплектующими обойдутся уже на 200 тыс. руб. дешевле. Хотя учитывая легендарно заоблачные цены на подключение магистрального газа, теплонасосная система может стать экономически оправданной. Если магистрального газопровода поблизости нет, выбор типа отопления заметно упрощается. Применять дизтопливо дорого, электричество — еще дороже. В последнем случае нередки строгие лимиты на электроэнергию. Именно в такой ситуации тепловой насос может быть наиболее выгодным вариантом. Он:

• не требует пожароопасных емкостей с топливом, нуждающихся в периодической заправке, не говоря уже об отсутствии неприятных запахов и естественных выбросов продуктов сгорания; 
• окупается приблизительно через 7-10 лет. Хотя сейчас этот срок стал заложником курса российской валюты.

Тепловые насосы — это хорошо отработанные конструкции. Срок их службы до капитального ремонта — обычно 15-25 лет. По безопасности они эквивалентны бытовым холодильникам и превосходят любые газовые и дизтопливные котлы.   

Европейские стандарты экономии

Европейский лидер по использованию тепловых насосов — Швеция, где в новых домах около 95% систем отопления основано на этой технологии. За шведами с некоторым отставанием идут финны и немцы. Их энергетическая политика направлена на сокращение энергозависимости от стран с богатыми ресурсами. И тепловые насосы — лишь часть этой обширной программы. В ее рамках в большинстве стран ЕС успешно внедрены системы поддержки производителей энергии из возобновляемых источников. Так, сегодня у пользователей тепловых насосов есть привилегия — льготный тариф на энергию, которая тратится на работу таких аппаратов.      В Финляндии частному застройщику возвращается 20% от стоимости оборудования и 40% (в форме налоговых вычетов) — от суммы затрат на монтаж оборудования (до 2012 года было 60%). В России судьба тепловых насосов не столь безоблачна. Гуманные цены на газ и отсутствие реальной заинтересованности в энергосбережении не позволяют рассчитывать на скорое развитие возобновляемых источников энергии. Однако интерес реальных потребителей к этой теме растет с каждым годом. И это легко объяснимо, ведь во многих случаях использование тепловых насосов становится практически единственной возможностью создать современную и экономичную систему отопления в загородном доме.

1 февраля 2019 в 9:21Станислав Журавлевич / REALTY.TUT.BY

С введением нового низкого тарифа на электроэнергию многие владельцы домов задумались, чем выгоднее их отапливать — газом или электричеством? Наш недавний предварительный расчет для электрокотла показал, что газ пока дешевле. Но есть устройства, превращающие электроэнергию в тепловую энергию более эффективно — тепловые насосы. И наши расчеты говорят о том, что ими обогревать дома дешевле, чем газом. В этом материале мы также объясним, почему тепловые насосы стали популярными в Украине и Польше, а у нас люди с ними знакомы еще мало.

Еще раз о тарифе «три копейки»

С 1 января 2019 года в стране действует специальный тариф на электроэнергию, которая расходуется на нужды отопления и горячего водоснабжения жилых домов. Его сразу окрестили «три копейки», так как при соблюдении всех условий (отдельный счетчик электроэнергии и отсутствие централизованного тепло- и газоснабжения дома) электроэнергия, потребляемая «приемниками электрической энергии», будет оплачиваться по 3,35 копейки/кВт·ч. Как поясняет «Белэнерго», к приемникам относятся электрические котлы, водонагревательные установки, электроконвекторы, теплые полы и тепловые насосы.

Что такое тепловой насос и как он работает?

Тепловые насосы относятся к категории энергосберегающего оборудования. Они позволяют использовать общедоступное тепло грунта, грунтовых вод, рек, водоемов, окружающего воздуха для нагрева воздуха и воды в доме.

— Главное достоинство теплового насоса в том, что, потребляя один киловатт электрической энергии, в зависимости от условий он выдает от 3 до 5 кВт тепловой, — объясняет Юрий Григоренко, инженер компании «Энергео». — Соответственно, в отличие от электрического котла, к тепловому насосу требуется подведение в 3−5 раза меньшей установленной мощности. А это важно. Дело в том, что далеко не везде электроснабжающая организация может выделить для домовладельцев требуемую мощность в 10−30 кВт, необходимых для работы электрокотлов. В то же время 5−10 кВт выделенной мощности может быть более чем достаточно для отопления и покрытия общедомовых бытовых нужд в случае использования теплового насоса. Особенно остро этот вопрос стоит для домов большой площади.

Тепловой насос представляет собой установку, визуально напоминающую домашний холодильник. Особых требований к месту монтажа нет, для него не нужен дымоход или вентиляция. Установка теплового насоса, в отличие от газового оборудования, не требует каких-либо согласований проектной документации.

Тепловые насосы не только выглядят как холодильник, но и работают по тому же принципу. Как происходит отбор тепла?

Низкопотенциальное тепло принимается тепловым насосом в теплообменнике-испарителе и передается хладагенту — веществу с низкой температурой кипения. Хладагент, получив определенное количество теплоты, испаряется и в газообразном состоянии поступает в компрессор. Компрессор сжимает его до высокого давления, повышая тем самым температуру. Далее газообразный хладагент поступает в следующий теплообменник — конденсатор. В нем происходит передача теплоты высокого потенциала теплоносителю системы отопления и горячего водоснабжения. После конденсатора хладагент проходит через редукционный клапан, где давление и температура снижаются до первоначальных параметров перед теплообменником-испарителем. Цикл замыкается и повторяется снова.

В зависимости от источника тепла различают типы тепловых насосов: «грунт-вода» (используется тепло грунта и грунтовых вод), «воздух-вода» (используем тепло атмосферного воздуха или системы вентиляции) и другие.

Например, забор тепла из грунта может осуществляться с помощью горизонтального геотермального контура (системы пластиковых труб на глубине 1,2−1,5 метра) или вертикальных геотермальных скважин, глубиной до 100 метров.

Окружающий воздух является наиболее доступным источником низкопотенциальной теплоты для теплового насоса «воздух-вода». Одним из его преимуществ является более простая схема монтажа оборудования в систему с уже установленным любым дополнительным источником тепла (например, дизельным или твердотопливным котлом).

Эффективность использования теплового насоса определяется коэффициентом преобразования или коэффициентом трансформации (обозначается как СОР). Для современных тепловых насосов величина СОР может достигать 5−5,5. Значение СОР = 5 показывает, что при подводе к тепловому насосу 1 кВт электрической энергии можно получить 5 кВт тепла.

Стоит отметить, что тепловые насосы обеспечивают не только отопление и горячее водоснабжение, но и охлаждение дома летом.

Электрокотел, газ или тепловой насос?

Считаем затраты на отопление дома газовым котлом, электрокотлом и тепловым насосом за отопительный сезон.

Допустим, расчетная тепловая нагрузка на отопление частного дома составляет 12 кВт (хорошо утепленный дом площадью 180−240 «квадратов» при условии поддержания в доме температуры +20°С при минимальной температуре наружного воздуха -24°С). Для большей прозрачности расчетов расход тепла на горячее водоснабжение в нашем примере учитывать не будем. Поэтому на один отопительный сезон продолжительностью 6,5 месяца нашему дому потребуется 27 тысяч кВт тепла на отопление (23,3 Гкал в сезон).

Рассмотрим вариант с установленным газовым котлом. На производство такого количества тепла придется сжечь не менее 2,7 тысяч м³ природного газа. С новым тарифом в 0,1143 рублей/м³ хозяину дома в этом случае придется заплатить около 310 рублей за сезон, то есть почти 50 рублей в месяц. Приемлемая сумма, но стоит учитывать и то, что во второй половине 2019 года тариф на газ подрастет до 0,1190 рублей/м³, а в летний период использовать газ на бытовые нужды будет традиционно в 3,5 раза дороже — 0,4114 рублей/м³.

Предположим, что в качестве источника тепла в доме используется электрокотел. Его КПД составляет не менее 98%. Это означает, что на производство 27 тысяч кВт тепла для отопления нашего дома электрическому котлу потребуется «сжечь» примерно столько же киловатт электрической энергии. Соответственно, с новым низким тарифом в 0,0335 рублей/кВт·ч владельцам электрокотла придется заплатить более 900 рублей за сезон, или около 140 рублей в месяц.

Как видим, даже с применением специального субсидируемого тарифа отапливать дом электричеством будет в 3 раза дороже, чем использовать природный газ. Электрический же котел будет выгоднее в эксплуатации, чем газовый, только при нагреве воды в бойлере летом.

С установкой теплового насоса ситуация складывается следующим образом. При среднем коэффициенте преобразования теплового насоса COP = 4 на производство все тех же 27 тысяч кВт тепла на обогрев дома тепловому насосу потребуется затратить всего 6,75 тысяч кВт·ч электрической энергии. Умножаем на тариф в 0,0335 рублей/кВт·ч и получаем, что за отопительный сезон в этом случае придется заплатить лишь 226 рублей, то есть 35 рублей в месяц. А это уже дешевле газа.

Средний срок эксплуатации тепловых насосов — 20 лет, электрических котлов — 7−8 лет, газовых — 7−15 лет в зависимости от производителя и условий эксплуатации.

Использовать дешево, но купить дорого

Получается, что тепловой насос при таких тарифах на электричество и газ — вне конкуренции. Так почему же за ними не выстраивается очередь из желающих экономить на отоплении?

— Основным минусом, ограничивающим массовое применение тепловых насосов в Беларуси, остается относительно высокая величина капитальных затрат на оборудование и монтаж, — говорит Николай Криворот, директор компании «Энергео». — К примеру, стоимость теплового насоса европейского производства тепловой мощности около 10 кВт составляет от 4 до 8 тысяч евро в зависимости от конкретного бренда, типа, оснащения и функционала. Китайская продукция дешевле, но покупать ее можно только при наличии действующего сервисного центра. Конечная стоимость комплекта оборудования с монтажом может достигать 5,5−10 тысяч евро.

Личный опыт

И тем не менее, для тех, у кого нет газа, а выделенной мощности электросети не хватает для подключения электрокотла, инвестиции в тепловой насос не кажутся сверхдорогим мероприятием.

Например, Александр из поселка Дроздово пользуется таким оборудованием уже более 10 лет.

— Мне тепловой насос посоветовали друзья из Литвы, — говорит он. — Потребляемая мощность моего оборудования 4 кВт, оно производит 17 кВт тепла. Этого достаточно, чтобы отопить дом на 260 «квадратов». По улице у меня идет газопровод, но 10 лет назад для подключения к нему нужно было приложить немало усилий: сделать проект, получить кучу разрешений, оборудовать помещение котельной. А с тепловым насосом «грунт-вода» все было гораздо проще.

Дом у Александра деревянный, поэтому пожаробезопасность была не на последнем месте. Тепловой насос в этом плане наиболее безопасный способ отопления.

— Насос с монтажом обошелся в 10 тысяч долларов. Из самых трудоемких работ по его установке — бурение трех скважин. В моей системе отопления есть и теплые водяные полы, и радиаторы, и фанкойлы. Последние способны работать летом на охлаждение, заменяя тем самым кондиционер. Причем холод бесплатный — только за счет циркуляции теплоносителя через скважины.

Такой способ отопления Александру показался экономичным. В отопительный сезон затраты на электроэнергию, с учетом потребления энергии бытовыми приборами, составляют 100−120 долларов в месяц.

— Сейчас пользуюсь дифференцированным тарифом, но в ближайшее время буду устанавливать отдельный счетчик и переходить на новый тариф. По моим расчетам, расходы на отопление сократятся в разы.

Больше об эксплуатации тепловых насосов в Беларуси читайте в материале «Как живется в доме, отапливаемом геотермальным тепловым насосом».

Европейский опыт

Мировые продажи тепловых насосов составляют свыше 1 миллиона в год. Беларусь на общем фоне выглядит почти незаметно — сейчас за год продается около 50−60 тепловых насосов всех марок.

В странах Евросоюза тепловые насосы занимают лидирующее положение в сфере отопления частных домов. И не последнюю роль в популяризации энергосберегающего оборудования играют государственные программы компенсации людям затрат на его покупку.

Например, в Польше до 2019 года общей госпрограммы не было, но в большинстве воеводств существовали свои программы дотаций для модернизации (нового строительства) частного домовладения. Программы позволяли получить компенсацию затрат до 50%. Поэтому в 2017 году поляки установили около 27 тысяч тепловых насосов.

А с 2019 года в Польше заработала государственная программа «Чистый воздух». Ее цель — сокращение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу за счет устранения неэффективных, устаревших источников тепла и повышения энергоэффективности частных домов. По ней можно получить субсидию для модернизации старой или монтажа новой системы отопления, горячего водоснабжения, вентиляции с рекуперацией в пределах 12,5 тысячи евро. Все работы, оборудование и материалы освобождены от уплаты НДС.

В соседней Украине тепловые насосы получили популярность сравнительно недавно — сразу после резкого роста цены на газ для населения.

— Сейчас стоимость тысячи кубометров природного газа для населения составляет примерно 300 долларов (646 рублей), а электроэнергия для отопления стоит 1,7 евроцента за кВт·час (примерно 4 копейки), — объясняет ситуацию на энергорынке Украины Остап Кучерук, руководитель компании, занимающейся продажей тепловых насосов в этой стране. — Однако на дешевую энергию существует лимит в 3 тысячи кВт·час в месяц. Поэтому использование электрокотлов актуально для небольших по площади домов. Это многих вынудило искать альтернативные варианты, и актуальными стали кроме твердотопливных котлов тепловые насосы. При наших тарифах окупаемость этого оборудования составляет примерно 5−7 лет. К тому же частные покупатели тепловых насосов могут воспользоваться европейской программой IQ energy по компенсации затрат на приобретение оборудования и вернуть до 3 тысяч евро. Поэтому продажи тепловых насосов каждый год показывают хороший рост до 20%.

Что у нас?

Тепловые насосы до этого года были актуальны в основном для тех, кто не имел возможности подключить газ, а также для тех, кому использовать электрокотел было или очень дорого, или невозможно. Но с введением нового тарифа на электроэнергию для отопления тепловые насосы становятся альтернативой любым другим источникам тепла.

Геннадий, который живет в частном доме под Минском, один из первых в стране подключил тепловой насос после введения нового тарифа.

— Во вторник ко мне приехали специалисты из «Энергосбыта», опломбировали отдельный счетчик и заключили договор на электроснабжение. Меня лишь попросили предоставить справку из сельсовета, что моя деревня не газифицирована. Счетчик мне установили еще в прошлом году — с этим тоже проблем не было. Я, если честно, не ожидал, что все будет так просто. Теперь вот пользуюсь дешевой энергией для работы теплового насоса.

Процедура подключения на дешевый тариф довольно проста, и о ней мы уже рассказывали в материале «Как подключить систему отопления к электричеству или сменить тариф: подробная инструкция».

Читайте также

Используемые источники:

• https://www.ivd.ru/stroitelstvo-i-remont/otoplenie/kak-vybrat-teplovoj-nasos-dlya-doma-i-izbezhat-tipichnyh-oshibok-pri-ustanovke-23161
• https://www.syl.ru/article/194620/new_teplovoy-nasos-printsip-rabotyi-dlya-otopleniya-doma
• https://7dach.ru/oleg_sanko/teplovoy-nasos-na-dache-vygody-i-problemy-41534.html
• https://realty.tut.by/news/building/624548.html