Тепловой насос на даче: выгоды и проблемы

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.

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.

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

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.

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.

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

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 — 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.

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 глубине более 1 м, поэтому площадка со скважинами используется как обычный садовый участок с плодовыми деревьями, огородом, цветниками, садовыми скамейками и прочими атрибутами современного загородного дома.

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.

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.

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.

• 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.

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.