Комплексный подход к проектированию и установке тепловых насосов.

Предисловие или откуда ноги растут?

В последнее время геотермальная энергетика становится востребованной в загородном строительстве. Это вполне объяснимо — всем движет экономика. Конечно, при сегодняшней цене на газ, владельцам газифицированной загородной недвижимости экономически нецелесообразно устанавливать дорогостоящие тепловые насосы (как, в общем-то, и любые мероприятия по теплоизоляции – дешевле жечь газ). Однако, все больше собственников жилья, которые отапливаются в зимнее время соляркой, электричеством, сжиженным газом, дровами или углем.

В принципе можно сказать, что все перечисленные способы имеют примерно одну и ту же цену — потребительский спрос уравнивает конечную цену. Как чистый энергоноситель электричество, естественно, дороже, но и гораздо дешевле в использование и эксплуатации (воткнуть в розетку любой из многочисленных отопительных приборов). Солярка чуть дешевле, и соответственно немного сложнее: потребуется котел, труба, емкость, договор с поставщиком и другие мелкие проблемы. Сжиженный газ чуть дешевле солярки, но значительно дороже в пуске и эксплуатации: помимо котла и трубы, понадобится резервуар, стоимость и установка, которого значительно дороже емкости под солярку, к тому, же возрастают риски, как экологические, так и пожарные. Самые дешевые энергоносители дрова, уголь (твердое топливо), но они и самые дорогие в эксплуатации, т.к. помимо тех же затрат на котел, трубу (печь значительно дороже) потребуются затраты на истопника и трубочиста, причем эти затраты весьма внушительные. Таким образом, происходит саморегуляция, потребитель, выбирая тот или иной способ отопить свой дом, непрерывно выравнивает цены на энергоносители, приближая их к базовым: электричеству и солярке (жидкому топливу).

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ИЛИ КАК РЕАЛЬНО СЭКОНОМИТЬ?

Попробуем разобраться, что такое «тепловой насос» или «геотермальная энергетика». Это весьма простые понятия, значение слов можно посмотреть в словаре или энциклопедии. Здесь и сейчас попробуем разобраться в этом на пальцах. Одну вещь продеться принять на веру (не касается тех, которые хоть немного понимает в физике). Обычный холодильник (кондиционер) перекачивает из морозилки (помещения) на кухню (улицу) 1-4 кВт тепловой энергии затрачивая на это 1 кВт электрической энергии. Конечное количество тепловой энергии, которое будет перекачено кондиционером на один затраченный кВт, зависит от двух факторов: разница температур на теплообменниках в помещении и на улице, КПД самого кондиционера. Итак, очевидно, если установить кондиционер наоборот (кстати, кондиционер способные работать в обратном режиме называют – климатическими установками), т.е. перемещающие тепло с улицы в дом при благоприятных факторах (разница температур, КПД) можно сэкономить до 75% электроэнергии затраченной на отопление. С кондиционерами и холодильниками все просто – это стандартные агрегаты, продаваемые в законченном виде, с заранее известными значениями температур на теплообменниках, остается отдать предпочтение фирме и классу энергопотребления и Вы, с большой вероятностью, получите желаемое. С тепловыми насосами, а именно так называются агрегаты перекачивающие тепло с улицы в дом, все гораздо сложнее.

Во-первых, производители холодильников и кондиционеров не ставят первоначальной задачей – экономию электричества, во-вторых, эти устройства настроены на средние значения изначально. Температура же теплообменника находящегося в доме может быть разная, и отличатся в 2 и более раза. Например: температура при теплых стенах может быть 25^оС, температура теплого пола 35^оС, температура радиаторного отопления 60^оС и более. Очевидно, что чем ниже температура, тем эффективней будет работать тепловой насос, но оборудовать теплыми стенами деревянный дом, или теплым полом деревянное перекрытие задача непростая и весьма затратная, не говоря уже о предпочтениях Заказчика.

Второй очевидный факт: чем выше температура теплообменника на улице, тем эффективней работает тепловой насос. Стабильная и самая высокая средняя температура зимой в нашем суровом климате находится в земле, ниже глубины промерзания грунта. Именно, поэтому теплообменники тепловых насосов находятся в скважинах, прудах, речках, просто в грунте. Отсюда и происхождение названия геотермальная энергетика.

КОМПЛЕКСНОСТЬ ПОДХОДА ИЛИ ТРАДИЦИОННЫЕ ОШИБКИ НАЧИНАЮЩИХ.

И так вы решили установить тепловой насос.

Сразу возникают следующие вопросы: какая тепловая мощность теплового насоса необходима? Каким накопителем (аккумулятором тепла) должна быть снабжена геотермальная система? Имеет ли смысл менять систему отопления (или какую проектировать)? Как и где в грунте располагать теплообменник? и т.д.

Однозначных ответов на поставленные вопросы нет. Ответ на каждый из них зависит не только от материальных вложений (экономическая целесообразность), но огромного числа факторов, описать которые в рамках данной статьи не представляется возможным. Но грамотная оценка именно этих факторов с конкретной привязкой к дому и местности позволяют создать геотермальную систему, которая будет иметь максимально возможный КПД (чаще его называют множителем или коэффициентом умножения) в течение всего срока службы. Приведу некоторые примеры: дом 300 м² с традиционными характеристиками по теплоснабжению: 1 кВт тепловой энергии на 10 м². Большинство компаний занимающихся тепловыми насосами не задумываясь (противоречит их интересам) предложат вам тепловой насос в 30 кВт по тепловой мощности (примерно 10 кВт по электрической). Однако очевидно, что если понизить теплопотери через ограждающие конструкции (т.е. доутеплить дом), то возможно будет установка теплового насоса 12 кВт теплового насоса (примерно 4 кВт электрической мощности). Причем, даже учитывая весьма высокие затраты на дополнительную теплоизоляцию (потребуется и отделка), экономическая целесообразность вне всяких сомнений. Разница в конечной стоимости установки теплового насоса в 30 кВт и 4 кВт весьма значительна, она с большой вероятностью покроет 60 – 80% расходов на утепление и отделку дома. Перспектива расходовать 4 кВт электроэнергии вместо 10кВт в отопительный период в ближайшие 20 лет делают выбор очевидным. Надо сказать, проблема недостаточности теплоизоляции загородных домов стоит на первом месте. Большинство предпочитает решать проблему увеличением энергомощностей, советуясь с продавцами отопительной техники. К этому склоняют все продавцы отопительной техники, как заинтересованные в увеличении своих оборотов. Особенно это заметно в тепловых насосах, в них не только присутствует множительный коэффициент, но и установка связана с серьезными затратами (например потребуется Вам две скважины или одна). Надо заметить, что утепление загородного дома просто необходимо тем, кто располагает ограниченной электрической мощностью. Или другой пример: расчетная мощность теплового насоса 10 кВт (тепловая мощность), но не учтено наличие у Вас обычного или двух тарифного счетчика.

Т.е. компания рассчитала тепловую мощность необходимую вашему коттеджу, но не учла, что вы имеете возможность экономить еще в 2 раза на электрических расходах, если будете потреблять электроэнергию  ночью. В этом случае экономически целесообразно установить насос в 25 кВт (тепловой мощности) с накопителем (аккумулятором тепла), который компенсирует дневной простой теплового насоса. Суммарная стоимость системы возрастет, но компенсируется в ближайшие пару лет за счет разницы в стоимости тарифа за электроэнергию. Так же этот пример актуален в случаях падения напряжения в определенные часы, до значений, при которых работа теплового насоса невозможна. Можно приводить примеры до бесконечности, причем понимание многих из них потребует, весьма серьезных комплексных знаний физики. Некоторые факторы, влияющие на общую производительность системы: расположение дома на участке, наличие и общий уклон участка, уровень грунтовых вод, тень от деревьев, дома и др. строений и сооружений и т.д.

КОМПЛЕКСНОСТЬ ПОДХОДА ВО ВСЕМ ИЛИ АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ.

Альтернативная энергетика, такая как солнечные батареи, ветрогенераторы, микроГЭС в большинстве случаев не окупаются там, где присутствует газ или электричество. Даже солнечные коллекторы получили распространение только на юге нашей страны и то основные потребители это коммерческие организации, обслуживающие в сезон отдыхающих, т.е. возрастающий трафик горячей воды в сезон, компенсируются солнечными коллекторами. Солнечные коллекторы, для московского дачника, вещь на грани окупаемости с учетом короткого сезона и сопутствующих проблем (в виде воровства, вандализма и пр.) Однако, для комплексной работы совместно с тепловым насосом, такая система может показать хорошие результаты.

При наличие необходимой автоматики, в летний период солнечные модули не только обеспечивают дом горячей водой, но и существенно поднимают температуру вокруг испарителя системы. В осенне-весенний период (и в некоторые ясные солнечные зимние дни), когда солнечные коллектора не способны выдать температуру для бытовых нужд, но все, же выдают температуру большую, чем грунт, возможна работа солнечных коллекторов в составе теплового насоса. Такая система будет более стабильна, множительный коэффициент такой системы легко перевалит за 4. Там же где коммуникации отсутствуют, и если энергообеспечение строится на альтернативных источниках энергии, наличие теплового насоса в системе становится необходимостью. Даже в пассивном доме основные потребители энергии: отопление и горячая вода.

Тепловой насос снизит потребление энергии на отопление и горячее водоснабжение вдвое, тем самым снизится суммарная мощность энергетической установки, будь то ветрогенератор, солнечные батареи или дизельгенератор.