Тепло земли: обогреваем дом тепловым насосом

Как выбрать тепловой насос
Тепловой насос (ТН) — это устройство, способное извлекать тепло из возобновляемых источников энергии — земли, воды, воздуха; повышать его температуру и направлять для обогрева дома и получения горячей воды. Эффективно решая все эти задачи, системы на основе ТН отличаются экономичностью, долговечностью, экологичностью, безопасностью, а главное — обеспечивают полную независимость от традиционных видов топлива — газа, дизельной жидкости, дров и т.п. Работа ТН основана на нескольких простых физических процессах — испарении, сжатии, конденсации и расширении. Обычно производители этих агрегатов, описывая принцип их действия, используют метафору "холодильник наоборот". Для потребителя же важно понимать следующее; холодильник, отбирая тепло у продуктов, просто выбрасывает его наружу (то есть расходует впустую). Тепло же, полученное с помощью ТН, можно потратить с прямой пользой — для отопления дома или нагрева воды в бойлере. Тепловая энергия "перекачивается" таким агрегатом от природного источника к получателю (контуру отопления и водонагревателю), а в конечном итоге — к потребителю. Отсюда и название прибора — "насос", хотя к подобной категории оборудования отношения он не имеет. Это такой же генератор тепла, как традиционный газовый или дровяной котел.

Принцип работы теплового насоса
Классификация типов ТН основана на виде природного источника тепла. Если энергия извлекается из воздуха, используются насосы типа "воздух — вода"; из грунтовых вод — "вода — вода" ; из земли — "грунт — вода" (или "рассол — вода"). Термин "рассол" применяют для обозначения смеси воды и антифриза, движущейся по трубам в земле и транспортирующей тепло к насосу. Хотя воздух и является самым доступным источником тепла, использование системы "воздух — вода" в наших климатических условиях затруднительно, т.к. эффективно она работает лишь при температуре до 15°С, а у нас порой случаются морозы и посерьезнее. Использование грунтовых вод обычно связано с хлопотным получением разрешения в соответствующих ведомствах, а, кроме того, этот источник не всегда доступен. Поэтому сегодня наибольшее распространение в загородном домостроении получили ТН, добывающие энергию из грунта — отличного аккумулятора тепла, имеющего круглый год относительно одинаковую температуру. В самых общих чертах процесс выглядит так: земля в течение года нагревается как снаружи — Солнцем, так и изнутри — магмой. Накопленное грунтом тепло передается потребителю с помощью теплообменников, заполненных рассолом, которые укладываются на участке горизонтально (коллекторы) или вертикально (зонды).

Физика без лирики
Схематично ТН типа "грунт — вода" представляет собой систему из трех замкнутых контуров: в первом, внешнем, циркулирует незамерзающая жидкость (рассол), собирающая грунтовое тепло; во втором — хладагент (вещество с очень низкой температурой кипения, которое испаряется, отбирая теплоту антифриза, и конденсируется, отдавая тепло теплоприемнику); в третьем — собственно сам теплоприемник (вода в системах отопления и горячего водоснабжения дома). Внешний контур — это уложенный в землю полиэтиленовый трубопровод (зонд/коллектор). Во второй контур встроены теплообменники — испаритель и конденсатор, а также устройства, меняющие давление хладагента — расспыляющий его в жидкой фазе дроссельный клапан (узкое калиброванное отверстие) и сжимающий его уже в газообразном состоянии компрессор. Рабочий процесс происходит следующим образом. Жидкий хладагент продавливается через дроссельный клапан, его давление падает и далее он поступает в испаритель, где вскипает, отбирая тепло, поставляемое коллектором или зондом. Затем газ, в который превратился хладагент, всасывается в компрессор, сжимается, нагреваясь при этом, и выталкивается в конденсатор. Конденсатор является теплоотдающим узлом теплового насоса: здесь тепло принимается водой в системе отопительного контура. При этом газ охлаждается и переходит в жидкую фазу, чтобы вновь подвергнуться разряжению и вернуться в испаритель. После этого цикл повторяется.

О преимуществах Тепловых насосов
Среди многочисленных достоинств ТН самое главное — экономичность. В среднем на 1 кВт потребляемой электроэнергии (она в основном нужна для работы компрессора) агрегат производит 4 кВт тепловой энергии, полученной из природы, иначе говоря, даром. Отношение полученной тепловой мощности к потребляемой электрической в заданной рабочей точке (при определенных значениях температуры источника и теплоносителя контура отопления) называется коэффициентом эффективности. Чем этот показатель выше, тем экономнее расход электроэнергии агрегата.
Кроме конструктивных особенностей того или иного теплового насоса большое значение имеет и разница между температурой рассола и температурой подачи в контур отопления. Чем эта разница меньше, тем выше коэффициент эффективности. Кроме высокого коэффициента эффективности, тепловые насосы обладают еще и многими другими преимуществами перед другими генераторами тепловой энергии. Важнейшее — отсутствие расходов на топливо, экологическая чистота и абсолютная пожаро- и взрывобезопасность. Для потребителя также привлекательны минимальное техническое обслуживание системы (возможна даже диагностика через Интернет) и ее долгий срок службы — до 30 лет. А срок эксплуатации грунтовых зондов и отопительного контура — до 50 лет. При этом срок окупаемости такой системы составляет  6 лет). Еще один "плюс" — режим Natural Cooling для летнего времени, поставляющий практически бесплатную прохладу для кондиционирования дома (работают только насосы рассольного и отопительного контуров и потребление электроэнергии минимально). Немаловажен и такой бонус, как возможность расположения ТН в любых помещениях дома. Этому способствуют его экологичность, компактные размеры и привлекательный дизайн. И, наконец, ТН становится единственно возможной альтернативой теплоснабжению для участка, расположенного вдали от газовых магистралей и линий электропередач. Даже отсутствие необходимых  3 кВт электрической мощности не проблема: для привода компрессора в некоторых моделях используют дизельные или бензиновые движки.

Главные факторы эффективной работы тепловых насосов
1. Дом должен быть хорошо утеплен и оптимально подобрана система отопления (в этом отношении наиболее подходящий вариант — теплые водяные полы).
2. Необходимо уделить внимание эффективности комплектующего оборудования, в частности, циркуляционного насоса — основного потребителя электроэнергии в наших системах отопления.
3. При выборе отопительных приборов обращают внимание на такую характеристику ТН, как максимальная температура подачи в отопительный контур. Если она превышает 50°С, можно использовать стандартное радиаторное отопление (при условии применения низкоинерционных приборов — стальных или алюминиевых, но ни в коем случае не чугунных).
4. При радиаторном отоплении коэффициент трансформации составляет в среднем — 2,7–3,0, а вот использование низкотемпературных систем (например, водяные теплые полы с температурой подачи 35°С ) приводит к увеличению этого показателя до 4,5–4,8.
5. Подбором и ТН и геотермального оборудования, а также его установкой должны заниматься специалисты, исходя из конкретной ситуации.

Цена и стоимость тепловых насосов
Стоимость системы на основе ТН зависит от модификации агрегата , используемых комплектующих и сложности монтажных работ . Обычно цена самого теплового насоса составляет от 20–30 % от всей суммы затрат. Точная сметная стоимость рассчитывается, на основе анализа грунта, возможной глубины бурения, степени утепленности дома и от вида системы отопления. По данным компании "В. Д .Е — Украина", для дома площадью 400 м² (при условии его хорошего утепления), расчетная мощность ТН составляет 28 кВт, а общий метраж скважин для зондов — 560 м. Итоговая стоимость всей установки — 26600 евро, в которую входят стоимость оборудования, монтажные работы и гарантийное обслуживание системы на протяжении пяти лет. К оборудованию относятся:
1. Тепловой насос.
2. Буферная емкость (располагается между тепловым насосом и системой отопления).
3. Бойлер нагрева воды.
4. Насосное оборудование.
5. Система коммуникаций между всеми устройствами (обвязка котельной).
Монтаж включает такие работы:
1. Подготовка территории к бурению.
2. Бурение скважин в расчетном количестве.
3. Подготовка теплообменника перед погружением в скважину (устранение протечек, проверка под давлением).
4. Укладка теплообменников в скважины.
5. Рытье траншеи для укладки коллектора.
6. Обустройство коллектора.
7. Обустройство ревизионных колодцев.
8. Засыпка траншеи, рекультивация территории.
9. Подключение скважин через коллектор к тепловому насосу.
10. Заполнение глубинных теплообменников гликолем.
11. Инсталляция теплового насоса и буферных емкостей.
12. Обвязка котельной.
13. Установка датчиков.
14. Пусконаладочные работы.
15. Заделка повреждений, возникших в результате выполнения работ.

Монтаж и установка теплового насоса
Все преимущества теплонасосных установок можно свести на нет неправильным монтажом системы. Гарантия успеха работ — привлечение специалистов инсталляционной компании, где заказчику предлагается весь комплекс услуг — от разработки проекта системы, поставки на объект теплонасоса и геотермального оборудования до установки, настройки и постоянного мониторинга всей системы в будущем. Выбор схемы монтажа — установка горизонтального коллектора либо бурение скважин для вертикальных зондов решается специалистами на основе нескольких факторов: особенностей грунта, площади и степени освоения участка, вида внутренней системы отопления, мощности выбранного теплонасоса. Главный плюс горизонтального коллектора — простота монтажа и соответственно, экономичность. Минусы — большая площадь, необходимая для укладки (как правило, она в 2–3 раза должна превосходить отапливаемую площадь дома); большой метраж труб, что связано с сезонными колебаниями температуры и влажности почвы, а также невозможность использовать в дальнейшем площадку под посадки деревьев и урожайных культур (допустимы лишь газоны и цветники).
Коллектор представляет собой длинную пластиковую трубу, горизонтально уложенную в землю на глубину ниже уровня промерзания почвы (зачастую от 1,0 м) и разделенную на отрезки по 10-200 м. Минимальное расстояние между трубами должно составлять 0,7-1,0 м, а длина каждой ветви коллектора — не превышать 100 м, иначе потери давления в трубе и требуемая мощность насоса будут слишком велики. При таком способе укладки мощность теплосъема составляет 10-40 Вт на погонный метр.
Существуют разные схемы раскладки трубы: "петля", "змейка", "зигзаг", выбор определяется теплопроводностью грунта и геометрией участка. Там, где площадь земли ограничена или почвы состоят из твердых скалистых пород, единственно возможным вариантом становится монтаж вертикального теплообменника. Монтажные работы в этом случае обходятся дороже и за большей стоимости буровых работ по сравнению с прокладкой траншей. Но поскольку теплообменник погружается в глубокую скважину (50-180 м), где всегда одинаковая температура (около 10°С), вертикальные системы более эффективны: метр их длины поставляет от 30 до 100 Вт тепловой мощности. Решение о количестве скважин принимается на основе характеристик грунтов и общей расчетной глубины. Так, например, для работы теплового насоса производительностью 10 кВт необходима одна скважина глубиной 150 м или пять скважин глубиной по 30 м (расстояния между ними в среднем должны составлять  7 м).
Существуют самые разные конструкции зондов, но наиболее распространены две: труба в трубе и  U-образная. По одной линии "рассол" подается циркуляционным насосом вниз, по другой им же поднимается вверх, к испарителю. В глубоких скважинах сборку защищают обсадной трубой, а в мелких не всегда.
Для улучшения теплопередачи и повышения прочности зонда зазор между землей или обсадной трубой и рабочими трубами заполняется бетонитом или бетоном. Оба вида грунтовых теплообменников — и горизонтальный коллектор и вертикальный зонд — выполняются из полиэтиленовых труб диаметром 25, 32 или 40 мм (чем он больше, тем лучше отбор тепла, но и система в результате обходится дороже).

Автор: Алла Бычкова
Источник: Украинский Строительный Каталог (Секреты успешной стройки)