Тепловые насосы

Сколько бы не говорилось об эффективности использования тех или иных традиционных видов топлива, их запасы на земле все-таки ограничены, оттого и цены на газ, нефть и прочее растут в геометрической прогрессии. Поэтому игнорировать альтернативные источники энергии - значит не думать о будущем. Сегодня природную (ее еще называют возобновляемой) энергию научились получать из ветра, солнца, воды и даже земли. В частном домостроении наибольшее применение могут найти тепловые насосы и гелиоколлекторы. Первые поставляют тепло из грунта, воды или воздуха, вторые преобразуют солнечное излучение.

Тепловые насосы позволят обогреть дом в зимнее время (а некоторые модели - и охладить его в летнюю жару), гелиоколлекторы внесут свою лепту в снижение затрат на подогрев горячей воды. Преградой для широкого распространения обоих видов техники по-прежнему остается их высокая стоимость. Многие домовладельцы предпочитают экономить здесь и сейчас. Между тем, цены на энергоресурсы растут неизменно, и в какую цену будет обходиться более традиционный обогрев через 5 или 10 лет - сказать сложно. А ведь затраты на установку теплового насоса и гелиоколлектора - это разовые инвестиции, которые с каждым днем будут все больше окупать себя.

Холодильник наоборот
Говоря научным языком, тепловой насос (ТН) - это устройство, которое преобразует низкотемпературное тепло источника в высокотемпературное. Проще говоря, ТН работает так же, как и обычный холодильник, но с точностью до наоборот. Холодильник выкачивает тепло, исходящее от охлаждаемых продуктов, и выделяет его в виде довольно горячего потока воздуха от трубчатой панели на задней стенке. Теплообменник ТН (по сути ту же панель, или внешний контур) выставляют наружу или закапывают в землю, собирают окружающую тепловую энергию и передают ее в дом. Для этого в систему заливают специальный состав (антифриз, или рассол). Он сначала проходит по теплообменнику, а затем по магистрали (трубопроводу) попадает во внутренний контур устройства. Тот, в свою очередь, отдает энергию теплоносителю отопительной системы дома.

Правда, для функционирования ТН требуется электрическая энергия, однако на затраченный 1 кВт можно получить от 3 до 7 кВт тепловой энергии. Таким образом, ТН дарит своим владельцам не менее двух третей тепла. ТН обладает рядом очевидных технологических преимуществ. Прежде всего, это безопасность, ведь в системе нет топлива, открытого огня или опасных газов. Устройство не представляет угрозы и здоровью человека, поскольку отсутствуют выбросы в помещение. ТН можно рекомендовать для установки в домах, где проживают аллергики. Техника отличается долговечностью службы при полном отсутствии регулярных регламентных работ. Наконец, есть возможность задать температурные режимы на неделю или месяц вперед и тем самым еще больше увеличить экономичность ТН.

Типы устройств
Основной критерий для классификации ТН - комбинация источника и конечного потребителя тепла. В зависимости от этого выделяют устройства следующих видов: «вода-вода», «вода-воздух», «грунт-вода», «грунт-воздух», «воздух-вода» и «воздух-воздух». Из данного перечня ясно, что ТН передают тепло отопительной системе с водяным или воздушным теплоносителем. Однако куда важнее выбрать первую составляющую комбинации. Вода является хорошим, стабильным и эффективным источником тепла. Но, увы, водоемы не всегда есть поблизости. А воду, прежде чем подавать в систему, следует подготовить и отфильтровать. Значительно большее распространение получило применение устройств, использующих энергию грунта, - геотермальных ТН. При этом применяют два варианта теплообменника. В первом случае это коллектор, то есть змеевик из полиэтиленовых труб, уложенных под землей на глубине порядка 1-1,5 М- Во втором - те же трубы, только спущенные в глубокую скважину в виде зонда. Чем больше диаметр труб, тем лучше осуществляется отбор тепла, однако одновременно с этим увеличивается и стоимость системы. Более популярен второй вариант, что вполне объяснимо: для коллектора требуется наличие свободного участка, площадь которого должна быть не меньше отапливаемой, причем всю эту территорию нельзя ни застраивать, ни засаживать деревьями. Именно геотермальный ТН может быть установлен в качестве единственного источника отопления и горячего водоснабжения во всех климатических зонах.

Аэротермальный ТН. использующий энергию воздуха, напоминает кондиционер. Здесь также есть два блока, причем внешний можно расположить не только на стене или крыше дома, но и в отдалении на участке, на расстоянии до 50 м. Внутренний блок устанавливают в топочной или другом хозяйственном помещении. «Воздушные» ТН значительно дешевле геотермальных. Существенно меньше и стоимость монтажа. Вопрос вызывает лишь возможность работы такого устройства в условиях низких температур. Львиная доля подобных ТН адекватно работает лишь при температуре окружающего воздуха до -8 °С. Однако у некоторых современных моделей теплопроизводительность снижается только при наружной температуре от -15 °С, и большую часть отопительного периода тепловой отдачи прибора достаточно как для обогрева дома, так и обеспечения его горячей водой.

Работа с «запасным игроком»
Многие специалисты рекомендует использовать ТН в так называемых бивалентных системах, то есть в паре со вторым поставщиком тепла. Но если для воздушных моделей это, фактически, необходимость, то для геотермальных - подстраховка. С другой стороны, в доме может понадобиться горячая вода с температурой, большей, нежели может обеспечить ТН, например для гигиенической очистки поверхностей. Полезен «запасной игрок» и при первичном запуске ТН в холодном доме после отпуска. Чаще всего в силу удобства работы в качестве дополнительного используют электрический котел. Причем в некоторых моделях грунтовых ТН в конструкцию уже встроены ТЭНы, которые доводят воду, предварительно нагретую насосом, до нужной температуры. Но запасным может быть и другой вид оборудования, не требующий подвода инженерных сетей, - небольшой дизельный или твердотопливный котел.

Для устройства бивалентной системы есть и экономическое обоснование. Суммарно пиковые нагрузки системе отопления придется испытывать только в течение двух-трех недель за весь отопительный период. Поэтому выбирать модель с серьезным запасом, перекрывающим требования в этот период, неразумно и дорого, правильнее установить ТН, рассчитанный на нормальные климатические условия. А в пиковые морозные дни покрывать недостаток тепловой мощности за счет дополнительного устройства.

Солнечный аккумулятор
Задача гелиоколлектора - получение энергии из непосредственного, рассеянного и отраженного солнечного излучения и передача ее обогревательной установке. Порядок работы следующий:
- солнце нагревает размещенный в коллекторе абсорбер, он поглощает излучение и превращает его в тепло;
- от абсорбера тепло переходит к теплоносителю (это может быть вода или другая жидкость), который течет по встроенным в коллектор трубкам;
- теплоноситель перекачивается в бак-накопитель;
- в баке теплоноситель отдает тепло воде, предназначенной для потребления, а охлажденная возвращается в коллектор.
Коэффициент поглощения зависит от вида абсорбера. Обычный черный большую часть излучения отражает. Более эффективен так называемый селективный абсорбер - он собирает до 95 % попадающей на него энергии. Но главный элемент системы - коллектор, другие агрегаты являются вспомогательными, хотя и обязательными. Например, гидравлический контур состоит из трубопроводов, клапанов, фильтров, расширительных баков и насосного оборудования. Кроме того, в состав гелиоколлектора входит система авторегулировки и монтажный комплект для крепления бака, коллектора и остальных элементов.

Форма и размеры
При определении состава оборудования для будущей системы солнечного теплоснабжения прежде всего нужно выбрать тип коллектора. Они могут быть плоскими и трубчатыми. Первые имеют форму прямоугольника, а на всей их поверхности расположен слой абсорбера, к которому прилегают трубы. Сверху плоские модели имеют покрытие из закаленного или минерального стекла. Они поглощают непосредственное излучение, 70-80 % которого приходится на теплые месяцы, с апреля по сентябрь. В трубчатых коллекторах абсорбер находится в стеклянных вакуумных трубах, благодаря чему коэффициент полезного действия (КПД) таких приборов выше, чем у плоских. Они поглощают даже рассеянное излучение, и с их помощью можно греть воду зимой и в пасмурные дни.

Сравнить эти две системы объективно и корректно очень трудно. Лучше выбирать между конкретными моделями. Тем не менее, в общем случае плоские коллекторы дешевле и требуют меньше внимания при обслуживании, зато трубчатые - более производительны и многофункциональны. Размер коллектора должен быть таким, чтобы прибор мог обеспечить в среднем 85-95 % горячей воды, используемой в теплом полугодии. Считается, что семье из четырех человек нужен один из двух видов коллекторов:
- плоский площадью 4-6 м;
- трубчатый площадью 2,4-3,2 м.

Место для установки
Располагают гелиоколлектор обычно на крыше, но порой встраивают в конструкции крыши, устанавливают на стене (с южной стороны дома) или как отдельно стоящее оборудование. Планируя монтаж, в первую очередь следят за тем, чтобы устройство не затеняли постройки или деревья. Установка системы на крышу хороша тем, что на стадии строительства достаточно укрепить кровельные держатели и вывести наружу соединительные трубки. Причем использовать можно любой тип коллекторов. А вот встроить в крышу можно только плоскую модель, да и то при условии, что скат составляет не менее 25°. Коллекторы, установленные на земле или на плоской крыше, можно оптимально расположить по отношению к солнцу, тем самым увеличив эффективность устройства. Кроме того, их КПД увеличивается благодаря отраженному от земли и соседних покрытий излучению.

Энергоэффективность коллекторов напрямую зависит от их правильного расположения. Безусловно, наиболее полезны те из них, что «смотрят» в южном направлении. Поворот в сторону востока или запада для плоских систем возможен не более чем на 15°. Трубчатые коллекторы допускают более широкий диапазон отклонений от юга. Также надо учитывать угол крепления устройства. Лучшего результата достигают, когда лучи падают на поверхность системы перпендикулярно. Положение Солнца на протяжении года меняется, и оптимальный угол наклона летом составляет 30°, зимой - 60°. Поскольку изменить наклон для коллектора, установленного на скате крыши, невозможно, то для круглогодичной работы их монтируют под углом 45°.

Эффективность ТН и коллекторов
Что ТН, что гелиоколлектор - техника, мягко говоря, недешевая. И многие, услышав цифры с тремя нулями, идут дальше и не пытаются узнать, что именно приборы смогут обеспечить в дальнейшем. Другие же рассчитывают на окупаемость в ближайшей перспективе и затем разочаровываются в ожиданиях. Истина, как часто бывает, посередине: экономия энергозатрат имеется и она существенная, но за счет первоначальных расходов не столь ошеломляющая, как кажется на первый взгляд. Так, для хорошо утепленного дома жилой площадью 150 м с постоянным проживанием четырех человек (и, соответственно, потребностью в горячей воде 80 л/чел. в день) потребуется ТН мощностью порядка 10 кВт. Кстати, следует понимать - плохо утепленный дом с удельными теплопотерями более 60 Вт/м', негерметичными окнами и дверями сведет на нет преимущества от использования возобновляемой энергии.

Затраты на установку ТН в зависимости от его вида и местных условий составят порядка 600-1500 у. е. в расчете на 1 кВт вырабатываемого тепла. Однако для отопления газовым или электрическим котлом потребуется порядка 2-3 у. е. в сутки на каждые 100 м площади дома, а ТН «съест» не более 0,5-1 у. е. Соответственно, за весь отопительный период для дома площадью 150 м экономия может составить 400-600 у. е. Эффективность использования ТН наблюдается в домах любой площади, но чем больше пространство, тем разница более очевидна. А полная окупаемость вложений в покупку и монтаж системы наступит примерно через 7-10 лет. Это не так и мало, но к концу аналогичного периода многое другое оборудование может физически выйти из строя, в то время как ТН будет работать и дальше. Установка гелиосистемы для такого же дома обойдется примерно в 4-5 тыс. у. е.. и она сможет обеспечить не менее половины требуемого объема горячей воды (а порой и до 70 %). В случае проживания в доме семьи из четырех человек годовая стоимость горячего водоснабжения при использовании электрического водонагревателя составит примерно 500 у. е., жидкотопливного - порядка 600 у. е., газового - 300 у. е. Гелиосистема позволит сэкономить от 200 до 400 у. е. ежегодно. Если учесть постоянный рост цен на энергоносители, можно суверенностью предположить, что ее установка окупит себя через 5 лет.

Однако все эти расчеты имеют первоочередное значение в случае установки оборудования в существующем доме для замены или дополнения к традиционным системам отопления и горячего водоснабжения. А вот в случае нового строительства сравнению подлежат суммарные затраты на использование различных видов энергии. И здесь выгода от ТН и гелиоколлектора чаще всего бесспорна. Дело лишь в том, что оплата за эту технику производится практически одномоментно, а расходы на устройство в доме, скажем, газового отопления обычно растягиваются во времени. Но общие затраты на разработку проекта, утверждение и согласование его в различных инстанциях, прокладку магистрали, закупку оборудования (а также дополнительные неофициальные траты) составят, в конечном итоге, сумму, сравнимую или большую, чем затраты на установку альтернативной техники. Таким образом, даже первоначальные вложения в устройство ТН и гелиоколлектора при новом строительстве могут оказаться более выгодными, чем подключение традиционных и привычных видов отопления и водоснабжения. При этом грамотное вложение имеющихся на данный момент средств позволит в течение десятилетий тратить меньше и жить в гарантированно комфортных условиях, практически не завися от экономических пертурбаций в стране.