Мой дом — моя крепость

Возобновляемые источники энергии для частного дома

Известная английская пословица, ставшая заголовком к этому тексту, в России необыкновенно популярна. Произнося ее, обычно имеют в виду стальные двери, крепкие заборы и надежные охранные системы. Но исторические аналогии говорят о том, что для настоящей крепости автономное жизнеобеспечение не менее важно, чем прочные стены. Применительно к частному загородному дому, где воду можно брать буквально из-под ног, это прежде всего система теплоснабжения и источники электроэнергии.

Тепло из земли и воздуха

Для жителей большинства регионов России в силу особенностей климата являются вопросы отопления и горячего водоснабжения (ГВС). Без электричества можно обходиться какое-то время. Но если зимой не работает отопление, прекратилась подача газа или затруднена доставка топлива — это чревато серьезными последствиями.

Однако сегодня есть технологии, позволяющие обойтись вообще без горючего, получая тепло для нужд частного дома из земли или воздуха на приусадебном участке. Для этого вместо котла понадобится тепловой насос. Его действие обратно действию холодильника или кондиционера. Если холодильник отбирает тепло у продуктов в своей внутренней камере и отдает его наружу (поэтому его радиатор всегда горячий), то тепловой насос работает наоборот: забирает тепло снаружи (из земли или уличного воздуха) и отдает его во внутренние помещения дома.

Что такое тепловой насос

Тепловой насос служит для переноса низкопотенциального тепла (от источников с более низкой температурой — грунта, грунтовых вод, атмосферного воздуха) к потребителю (отапливаемые помещения с более высокой температурой). Противоречия второму началу термодинамики нет: тепло передается не непосредственно, а через промежуточный контур. В нем циркулирует хладагент (фреон). Низкопотенциальное тепло грунтового коллектора передается более холодному жидкому фреону, затем компрессор повышает его давление, и хладагент переходит в другое агрегатное состояние — разогревается вследствие сжатия и закипает. После чего кипящая жидкость отдает тепло во внутренний отопительный контур дома.
Эффективность теплового насоса определяется отношением полученной тепловой энергии к потребляемой агрегатом электрической. Оно называется коэффициентом эффективности, можно также встретить обозначение COP — coefficient of performance.


Типы тепловых насосов

Наиболее универсальным решением является геотермальный тепловой насос. Есть два варианта реализации этой системы — с горизонтальным грунтовым коллектором или вертикальными глубинными зондами. «Коллектор — это уложенная «змейкой» в грунте пластиковая труба, по которой циркулирует рассол. В средней полосе и европейской части России коллектор закапывают примерно на 1,2-1,4 метра: на этой глубине температура грунта круглый год остается практически неизменной. Но протяженность трубы довольно большая: для жилого дома средней площади (230 м2) с теплопотерями на уровне 70 Вт/м2 нужен коллектор длиной около 600 м, уложенный так, чтобы расстояние между трубами было 1 м. То есть потребуется участок размером около шести соток, на котором нельзя ничего строить. На этом месте можно устроить газон, или грядки, посадить цветы, кустарник или деревья с некрупной корневой структурой.. Если такой свободной площади нет, то следует выбрать вариант с вертикальными зондами», — объясняет Нина Горшкова, специалист направления «Тепловые насосы» компании «Данфосс», ведущего мирового производителя энергосберегающего оборудования.

Производительность тепловых насосов

Коэффициент трансформации COP не является постоянной величиной. Он меняется в зависимости от того, в каком режиме работает оборудование. Наибольшую эффективность тепловые насосы показывают при пиковых нагрузках, то есть в период холодов (впрочем, это правило справедливо и для любых других источников тепла — котлов, электрообогревателей и пр.). Например, COP тепловых насосов Danfoss может меняться в пределах от 4 до 5, а для некоторых моделей воздушных тепловых насосов достигает значения 5,5. Это значит, что на 1 кВт потребляемой электрической мощности агрегат способен дать до 5 кВт тепла и даже больше.
«Все тепловые насосы Danfoss имеют погодозависимое регулирование и работают по специальному алгоритму, обеспечивающему максимальную мощность при минимальных энергозатратах. В среднем в период отопительного сезона они включаются на 8 часов в сутки. На практике 16,4-киловаттный агрегат стандартной категории в реальных условиях эксплуатации потребляет порядка 4,1 кВт электрической мощности, а самый современный — около 3,2 кВт», — добавляет Нина Горшкова.

Установка глубинных зондов, по словам эксперта, требует куда меньшей площади. Так, 600-метровый горизонтальный коллектор можно заменить четырьмя скважинами, глубиной порядка 80 метров каждая. Минимальное расстояние между ними составляет около 7 м, причем  можно расположить как в линию, так и по углам прямоугольного участка. В последнем случае он будет иметь площадь порядка 50 м2 — в 12 раз меньше, чем нужно для прокладки коллектора. Причем пространство между скважинами допустимо использовать для различных нужд.

Применять геотермальные тепловые насосы можно даже в том случае, если грунт промерзает. Так, горизонтальный коллектор будет функционировать при отрицательных температурах до –8°C, а вариант с глубинными зондами теоретически применим даже на вечной мерзлоте.
Еще один вариант — воздушный тепловой насос типа «воздух-вода». «Он забирает низкопотенциальное тепло у воздуха и потому не требует ни коллектора, ни скважин. Это значительно снижает расходы на монтаж и позволяет применять оборудование в стесненных условиях. Такой агрегат может использоваться не только для отопления и нагрева воды для ГВС, но также в качестве кондиционера. Правда, работает он при температурах наружного воздуха не ниже –20°C», — рассказывает Нина Горшкова.

Как объясняет специалист, на случай сильных морозов воздушный тепловой насос имеет дополнительный котел с электрическими ТЭНами.

А если отключат электричество?

Мощность, необходимая тепловому насосу, невелика — в среднем 3–4 кВт.

Поэтому на случай перебоев в электросети или зимних аварий на ЛЭП в качестве резервного источника питания для теплового насоса будет достаточно, например, портативного дизель-генератора небольшой мощности.

Впрочем, вырабатывать электроэнергию можно и на приусадебном участке.

Солнце и ветер вместо ЛЭП

Если тепло рациональнее всего получать из земли и воздуха, то в электричество проще преобразовать энергию солнца или ветра. В российском частном секторе подобные решения сегодня пока что не очень распространены, однако они вполне доступны.

Например, современная портативная солнечная электростанция при площади панелей 60–70 м2 способна выдавать в сеть мощность до 10–12 кВт. Более «скромный» вариант — 5 кВт мощности при 35 м2 панелей. Запасать энергию позволяют аккумуляторы, которыми комплектуются солнечные станции.

Устанавливать панели можно не только на участке, но и на крыше дома. Вопреки устоявшемуся стереотипу, работают гелиостанции не только в южных широтах, а практически в любых. Главное здесь — количество солнечных дней в году. Например, в России подобные решения часто применяются в Забайкалье, Приморье и на юге Сибири.

Еще один вариант — ветрогенератор. Известно, что на территории нашей страны среднегодовая скорость ветра составляет 5 м/с. Для промышленных ветрогенераторов горизонтального типа этого недостаточно: максимум их производительности приходится на скорости порядка 9–12 м/с. А вот небольшие ветряки вертикального типа работают уже при 1–2 м/с. Шума они практически не производят, поэтому их можно устанавливать рядом с домом. Небольшой одномачтовый генератор в зависимости от модификации может давать мощность от 0,5 до 15 кВт.

Позволяют ли солнечные и ветряные установки полностью обеспечить потребность загородного дома в электроэнергии? На этот вопрос сложно дать однозначный ответ.

Однако в большинстве случаев речь идет о резервных источниках, поэтому можно говорить об электростанциях относительно небольшой мощности, которые используются ситуативно, например для питания тех же тепловых насосов, а в остальное время снижают потребление от общей электросети.

Полностью обеспечить загородный дом теплом и горячей водой позволит современный тепловой насос. Чтобы он работал без перебоев даже при отключениях электроэнергии, необходим резервный источник. Это может быть как портативный дизель-генератор, так и независимое от топлива решение — солнечная или ветряная электростанция. Последние при соответствующей мощности могут быть не только резервными, но и обеспечивать от 50 до 100% постоянной потребности в электроэнергии.