Технология отопления и горячего водоснабжения индивидуальных домов с помощью тепловых насосов, уже довольно популярная в развитых странах дальнего зарубежья, стала находить применение и в России.
Более чем 30-летний опыт успешной эксплуатации тепловых насосов за рубежом, в том числе – в странах, климатические условия которых схожи с российскими, подтвердил высокую надежность и эффективность данного оборудования. Это, а также рост тарифов на энергоносители позволяют говорить о перспективности его применения и в нашей стране.
Год назад на научно-практической конференции "Альтернатива природному газу в теплоснабжении", проведенной ИД "Аква-Терм", была анонсирована программа по выводу на российский рынок тепловых насосов для индивидуального теплоснабжения фирмы Stiebel Eltron (Германия). На данный момент специалисты компании OSKO, занимающиеся данным оборудованием, уже могут поделиться небольшим, но реальным опытом применения теплонасосных установок в коттеджах: ими оснащено около десятка домов в пригородах Москвы, Санкт-Петербурга и других городов. Типовым объектом, оснащенным тепловым насосом, можно считать загородный дом площадью около 200–250 м2.
Выбирая теплоснабжение от теплового насоса, пользователь желает, чтобы данная установка покрывала все потребности в тепле. В условиях большинства регионов нашей страны обеспечить это можно, только используя источники низко потенциального тепла с достаточно высокой температурой в любое время года: грунт ниже уровня промерзания, воды подземных источников и открытых водоемов. А тепловые насосы типа "воздух–вода" могут применяться лишь в сочетании с другим теплогенератором – электрическим, газовым, жидко- или твердотопливным котлом (бивалентный режим).
Уже можно говорить, что, как и за рубежом, наибольшее применение в России получают тепловые насосы типа "грунт–вода" (отметим: такое название не совсем корректно, поскольку источником низко потенциального тепла для одних и тех же аппаратов может быть не только грунт, но и вода открытых водоемов). Их внешний контур – комплект петель из полимерных (чаще всего) труб с циркулирующим незамерзающим теплоносителем – реализуется двумя способами: в виде горизонтального коллектора или вертикального зонда. Как правило, в настоящее время для таких установок используется незамерзающий теплоноситель на основе гликоля. Утечка жидкости не должна представлять экологической опасности при попадании в грунтовые воды, поэтому для заполнения внешнего контура следует использовать качественные сертифицированные теплоносители.
Преимущество горизонтального коллектора – относительно невысокие затраты на его организацию: около 2,5 тыс. евро для теплового насоса мощностью 13 кВт. Однако для его организации необходим свободный земельный участок площадью около 4,5 сотки, на котором в дальнейшем нельзя сажать деревья.
Вертикальный зонд размещается в специально пробуренной скважине глубиной до 100 м. Для установки указанной мощности он обойдется гораздо дороже – примерно в 10 тыс. евро. Однако этот вариант безальтернативен, если на приусадебном участке нет места для размещения коллектора.
Проектируя внешний контур теплонасосной установки типа "грунт–вода", необходимо учитывать структуру и состав почвы, от которых зависит удельный теплосъем (для различных поверхностных грунтов его значение составляет от 10 до 40 Вт/м2). В случае с горизонтальным коллектором (в наших условиях он прокладывается на глубине 1,7±0,2 м) соответствующие данные можно получить на этапе закладки фундамента дома или выкопав шурф определенной глубины.
Удельный теплосъем вертикального зонда также сильно зависит от плотности породы и расположения водоносных пластов (диапазон – от 30 до 100 Вт/м). За информацией о геологических структурах логично обратиться к специализированным компаниям, занимающимся бурением на воду в районе, где находится объект (тем более, что при реализации проекта без участия буровиков не обойтись). На этапе предварительного проектирования можно оперировать средними значениями удельного теплосъема для пород различной плотности и содержанием грунтовых вод (значения приводятся в пособиях производителей теплонососных установок). Точное конструкторское решение может приниматься производителем работ лишь непосредственно на месте, при бурении скважины.
По опыту российских и зарубежных инжиниринговых компаний, работы по обустройству горизонтального коллектора также следует производить с привлечением специализированных строительных предприятий, владеющих соответствующей техникой (экскаватор) и трудовыми ресурсами.
Чаще всего для организации внешнего контура теплонасосной установки используются полимерные трубы Ду 20 или 25. Рабочий диапазон температур первичного теплоносителя позволяет применять трубу для холодного водоснабжения. Номинальное рабочее давление трубы для горизонтального коллектора – 10, для вертикального зонда – 16 бар. Шаг укладки коллектора – 0,6 м.
Еще один способ получение низкопотенциального тепла с помощью тепловых насосов типа "грунт–вода" – укладка коллектора на дне открытого водоема (там, где это возможно). Пока реальной практики его применения у специалистов OSKO нет, но метод представляется им весьма перспективным – в силу простоты реализации.
Ассортимент Stiebel Eltron и других компаний включает тепловые насосы типа "вода–вода". Источником низко потенциального тепла для них служат грунтовые воды: вода забирается из одной неглубокой скважины, проходит через тепловой насос и сбрасывается во вторую скважину. Такой вариант позволяет получить больше тепла, но редко применим на практике – из-за проблем с качеством и количеством (для теплового насоса мощностью 13 кВт требуемый расход составляет 2,8 м3/ч) воды в течение многих лет.
Как правило, внешний контур теплонасосной установки типа "грунт–вода" включает несколько змеевиков горизонтального коллектора или петель вертикального зонда. Они объединяются коллекторами, которые рекомендуется располагать снаружи дома – в специальных шахтах или приямках – таким образом, чтобы они были доступны для осмотра. По желанию заказчика или для удобства монтажа коллекторы могут быть размещены и внутри дома.
Поскольку температура теплоносителя в подводящих и обратных трубопроводах внешнего контура ниже, чем внутри дома, они должны быть теплоизолированы – для защиты от образования конденсата.
Как и в странах с более мягким климатом, в России тепловые насосы типа "грунт–вода" способны полностью удовлетворять потребности индивидуального дома в тепле. Режим эксплуатации теплонасосной установки без дополнительного источника тепла называется моновалентным. Как правило, тепловой насос бытовой мощности оснащается встроенным резервным электрическим нагревателем. Он может работать как вместо теплового насоса, так и параллельно с ним, например, покрывая нехватку тепла в наиболее холодные дни года. Поскольку в данном случае используется один и тот же энергоноситель, такой режим эксплуатации называется моноэнергетическим.
Эксплуатирующиеся в моновалентном и моноэнергетическом режимах тепловые насосы для коттеджа требуют трехфазного питания, получение которого требуется согласовать в предприятии местного электроснабжения. Отметим: мощность, потребляемая теплонасосной установкой, относительно невелика и значительно меньше, чем у электрического котла той же производительности. Если лимит мощности, выделенной на дом, не превышен, никаких специальных разрешений на использование теплового насоса в нашей стране не требуется.
Кстати, за рубежом установка каждого теплового насоса требует регистрации. Для снятия пиков потребления электроэнергии в таких странах, как Германия, "электроснабженцы" имеют право трижды в сутки отключать установку на два часа, что заставляет вводить повышающий коэффициент при расчете её мощности.
Размещение теплового насоса в доме не столь жестко регламентировано, как в случае с газовым отопительным котлом. Основной фактор – снижение шумового воздействия на обитателей коттеджа: не следует располагать аппарат вблизи спален. Пол должен быть прочным (желателен бетонный фундамент), горизонтальным и ровным. Подключение к насосу труб внешнего контура и системы отопления рекомендуется выполнить гибкими напорными шлангами.
Комплекс мер по борьбе с шумом зависит от основания, на которое устанавливается тепловой насос и типа системы отопления (напольное или радиаторное). В подвале достаточно просто Установить аппарат на ровный бетонный пол. Само помещение, где располагается тепловой насос, должно быть теплым (не промерзающим).
В домах, обогреваемых тепловым насосом, предпочтение отдается низкотемпературным системам, главным образом, напольному отоплению. При использовании "теплого пола" коэффициент преобразования тепла (отношение отдаваемой тепловой мощности к потребляемой электрической) равен 4,5, а для радиаторных систем (которые также применяются) – 3. (То есть в последнем случае затраты на электроэнергию больше.) Находят применение и смешанные ("теплый пол" и радиаторы) решения.
Расчет отопительной системы следует производить таким образом, чтобы обеспечить минимальную температуру в прямой линии. Это достигается, например, уменьшением шага укладки труб напольного отопления.
На рис. показана одна из типовых схем, реализованная специалистами OSKO в коттедже площадью 230 м2 с напольным отоплением. Мощность теплонасосной установки (WPF 16) – 16,1 кВт. Потребляемая электрическая мощность – 3,6 кВт. КПТ – 4,6. Площадь грунтового коллектора – 500 м2. Длина трубы коллектора – 800 м (четыре петли по 200 м), внутренний диаметр трубы – 25 мм.
WPF 16 – экономичный тепловой насос типа "грунт–вода" с максимальным количеством встроенных элементов: в нём предварительно установлены заполненный компрессорный контур, регулятор с функциями погодной компенсации, пассивного или активного охлаждения, циркуляционный насос отопления, резервный электронагреватель мощностью 8,8 кВт со ступенчатым включением, смесительный клапан ГВС с приводом, все необходимые датчики температуры. В комплект поставки входит группа безопасности отопительного контура. Тепловой насос нагревает теплоноситель до 60°С.
Схема включает настенный буферный накопитель для тепловых насосов SBP 100. Он предназначен для согласования объемных расходов контуров теплового насоса и системы отопления (функция гидравлического разделения), а также позволяет избежать слишком частых включений теплового насоса (особенно в системах с малоинерционными конвекторами), что увеличивает срок службы компрессора. Кроме того, буферный накопитель частично сглаживает последствия отключения электроэнергии. Он может быть оснащен дополнительным фланцевым нагревательным элементом. Теплоизоляция обеспечивает минимальные потери тепла.
Применен также напольный 300-литровый водонагреватель для тепловых насосов – SBB 300 WP. Внутри него располагается трубчатый эмалированный теплообменник. Комплект поставки включает PTC-датчик, термометр, магниевый анод с индикатором состояния для оптимальной защиты от коррозии и фланцевую заглушка, на место которой можно установить ТЭН или теплообменник, например для подключения к системе гелиотермической установки. Теплоизоляция обеспечивает минимальные потери тепла и защищена высококачественным пластиковым покрытием.
Об автоматике. Стандартный регулятор теплового насоса осуществляет погодозависимое регулирование температуры в доме. Регулятор имеет очень гибкую систему настроек. При подключении датчика комнатной температуры возможно регулирование температуры воздуха в доме: как независимо от уличного датчика, так и совместно с ним. Автоматика поддерживает работу с двумя температурными контурами отопления. Доступ к регулятору возможен дистанционно – по проводной телефонной или сотовой сети. Данная возможность, кстати, уже используется специалистами OSKO: при возникновении неисправности автоматика теплового насоса отсылает SMS с кодом ошибки на номер сервисного центра.
Дополнительно в программе поставок предусмотрены устройства, позволяющие тепловому насосу в летнее время работать как рекуперационная установка и (или) центральный кондиционер. Возможен и нагрев воды в бассейне.
Эксплуатация установок мощностью 10, 13 и 16 кВт показала, что расход электричества для отопления и горячего водоснабжения составляет от 11 до 17 тыс. руб. в год в зависимости от теплопотерь здания и типа системы отопления. При этом пользователями не применялись дополнительные меры для экономии электроэнергии (так, температура 20 °С круглосуточно поддерживается во всех помещениях дома). То есть существует реальная возможность снижения затрат.
Негативных отзывов о работе теплонасосных установок не поступало. Не зафиксировано и сбоев в работе оборудования. Случайные изменения настроек, которые допускали пользователи, устранялись дистанционно – из сервисного центра. Технический осмотр теплового насоса осуществляется по регламенту, один раз в два года.
В работе с заказчиками специалисты, занимающиеся "продвижением" технологии, руководствуются правилом: "Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать". Главные аргументы в пользу теплового насоса – экономичность эксплуатации, безопасность, отсутствие особых требований к помещению теплогенераторной и необходимости в согласованиях, надежность работы оборудования.
Даже при наличии возможности подключения к газовой магистрали уже сейчас расклад стоимостных показателей может убедить заказчика отдать предпочтению тепловому насосу. Так, затраты на подводку газопровода от распределительной станции, находящейся в 100 м от строящегося дома, сопоставимы со стоимостью комплекта оборудования для теплового насоса.
