Тепловые насосы: инструкция по применению

Часть II. От теории к практике

В прошлый раз мы выяснили, что такое тепловой насос, как он работает и какие физические процессы позволяют отбирать тепло у холодного грунта, воды или воздуха и использовать его для отопления помещений. Теперь пришло время узнать, как технически устроен тепловой насос и что нужно для его установки и эксплуатации в частном доме.

Устройство геотермального теплового насоса

Тепловая мощность бытовых тепловых насосов составляет от 4 до 42 кВт, при этом наиболее распространены решения мощностью 12-17 кВт, которых достаточно для отопления и горячего водоснабжения коттеджа площадью 150-250 м2. При этом собственно агрегат, устанавливаемый в доме, размером примерно с холодильник и не требует какого-то специального помещения, а работает практически бесшумно.

Внутри теплового насоса расположен холодильный (фреоновый) контур с испарителем и конденсатором, компрессор, два циркуляционных насоса, обеспечивающих движение теплоносителя во внешнем рассольном и внутреннем отопительном контурах, а также блок управляющей электроники.

Рассольный и отопительный контуры подключаются к тепловому насосу как внешние. Если мы имеем дело со сложной системой, для работы которой недостаточно встроенного циркуляционного насоса нашего агрегата, то можно использовать дополнительные внешние. При этом управлять ими также будет электроника теплового насоса.

Наконец, в составе теплового насоса есть дополнительный нагревательный элемент, который может выполнять функции резервного источника тепла и позволяет при необходимости догревать теплоноситель (воду) в случае аномальных для данного региона похолоданий. Кроме того, раз в неделю дополнительный ТЭН в тепловых насосах Danfoss включается в режиме дезинфекции, разогревая воду в системе отопления до температуры выше 65°C, при которой погибают имеющие свойство селиться в резервуарах с теплой водой бактерии Legionella pneumophila, возбудитель легионеллеза.
Перед тем как подключить к агрегату трубопроводы рассольного и отопительного контуров и подать электропитание, нужно выполнить подготовительные работы на приусадебном участке.

Рассольный контур, который снимает низкопотенциальное тепло грунта, должен быть достаточно протяженным, ведь разница температур между землей и рассолом невелика, а, значит, для эффективной работы площадь контакта должна быть значительной. Контур представляет собой пластиковую трубу, которая укладывается в землю «змейкой».

На практике все зависит от региона и конкретной местности, где расположен дом. Если говорить о средней полосе и европейской части России, то укладывать горизонтальный коллектор рекомендуется на глубине порядка 1,5 м, где температура грунта круглый год остается практически неизменной. Допустим, у нас есть жилой дом средней площади (230 м2), и средними для частного сектора теплопотерями на уровне 70 Вт/м2. Тогда при среднестатистическом потреблении горячей воды и системе отопления в виде водяного теплого пола потребуется горизонтальный коллектор длиной 580 м, уложенный так, чтобы расстояние между трубами было 1 м. То есть в итоге коллектор займет участок порядка 580 м2 —  примерно те самые пресловутые 6 соток.

К сожалению, использовать эту территорию для застройки или посадок с развитой корневой системой будет уже нельзя. Над коллектором могут располагаться: газон, какие-то низкорослые грядки, цветники, ландшафтные украшения, но никаких деревьев и построек. Можно сделать дорожки или даже оборудовать теннисный корт, но при этом площадь коллектора придется увеличить.

Впрочем, для тех, кому размеры участка не позволяют разбить на 6-ти сотках цветник, существует альтернативное — и более востребованное — решение. Вместо протяженного горизонтального коллектора могут быть использованы вертикальные зонды, погружаемые на большую глубину. Так, равноценную замену описанному выше 580-метровому коллектору составят 4 вертикальных 80-метровых скважины. Обычно их глубина и количество зависят от геологического рельефа местности: скважины под зонды бурятся до известняков или скальных пород, это как раз примерно 50-80 м.

Минимальное расстояние между скважинами должно быть порядка 7 метров, то есть для наших четырех потребуется квадратный участок площадью 50 м2 — это в 12 раз меньше, чем нужно для прокладки коллектора. При необходимости скважины можно выстроить и в линию. Примечательно, что пространство между ними допускается использовать для различных нужд.

Нужно сказать, что описанные два варианта не являются единственными. Например, коллектор может быть проложен не в земле, а по дну близлежащего водоема. Также возможно использование тепловой энергии грунтовых вод, которые зимой не замерзают. В этом случае бурятся 2 скважины (например, в подвале дома) до горизонта залегания вод, но в них не погружаются теплосъемные зонды. В одну из скважин опускается скважинный насос, который поднимает воду наверх, где она отдает тепло холодильному контуру. Через вторую скважину вода поступает обратно вниз. То есть рассол в этом случае не нужен, тепло отбирается непосредственно у воды.
Впрочем, чаще всего встречаются именно грунтовые зонды или
коллекторы.

Почем дровишки?

Стоимость грунтовых работ при укладке горизонтального коллектора площадью 580 м2 на глубину 1,5 м составит примерно 300 тысяч рублей. Бурение четырех скважин на глубину 80 м обойдется дороже — в среднем около 500 тысяч рублей.
Что касается самого оборудования, то самая востребованная из простых моделей теплового насоса Danfoss DHP-L мощностью 16 кВт стоит по сегодняшнему курсу порядка 400 тысяч рублей, а самая «продвинутая» — Danfoss DHP-L Opti PRO+ той же мощности — порядка 530 тысяч рублей.

В классификации Danfoss насосы разделяются на 3 категории. Первый — это базовые насосы, со всем необходимым функционалом, включая циркуляционные насосы, дополнительные ТЭНы и баки-водонагреватели.
Насосы второго класса имеют дополнительные опции. Например, тепловые насосы серии Opti укомплектованы циркуляционными насосами с частотно-регулируемым приводом. Это позволяет оптимизировать работу агрегата, повысить его эффективность и снизить потребление электроэнергии.

Верхняя линейка тепловых насосов (Opti PRO+) имеет особую систему нагревания горячей воды. В холодильном контуре таких агрегатов есть еще один дополнительный предконденсаторный теплообменник, который позволяет во время отопительного сезона параллельно с теплоносителем, фактически бонусом, нагревать воду для системы горячего водоснабжения. В целом это дает примерно 25%-ное увеличение эффективности работы теплового насоса в период отопительного сезона.

Если сложить стоимость оборудования и земельных работ (сами трубы коллектора стоят пренебрежительно мало), получается от 700 тысяч до 1 миллиона рублей. На первый взгляд может показаться, что это огромная сумма, но не стоит забывать, что тепловой насос делает дом фактически автономным, не нуждающимся ни в подведении извне тепла, ни в горячей воде. Что касается электроэнергии, то на случай перебоев в ее подаче несложно предусмотреть резервное электропитание от генератора. Кроме того, сегодня существует возможность использовать солнечные батареи. Полностью проблему электроснабжения дома они не решат, но сэкономить помогут. В итоге мы получаем полностью энергонезависимый коттедж.

Все агрегаты Danfoss погодозависимые и работают по специальному алгоритму, обеспечивающему максимальную мощность при минимальных энергозатратах. В среднем они работают порядка 8 часов в сутки во время отопительного сезона. Летом гораздо меньше, все зависит от расхода горячей воды. Что касается потребляемой мощности, то 16-киловаттным насосам стандартной категории в реальных условиях эксплуатации нужно порядка 4 кВт электрической мощности, а самым современным — примерно 3,2 кВт. Отношение вырабатываемой тепловой мощности к потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации, и, таким образом, для оборудования Danfoss он колеблется в пределах от 4 до 5.

Как показывают расчеты, за отопительный сезон, который, к примеру, в Московском регионе официально длится 215 дней, для коттеджа площадью 230 м2 потребность в тепле составит около 65 000 кВт*ч. Электроэнергии для питания теплового насоса нужно в 4,5 раза меньше, то есть 16 250 кВт*ч. Ее стоимость составит примерно 47 000 рублей в год. Стоимость самого теплового насоса, срок эксплуатации которого равен 25 годам — 16 000 рублей в год. Срок службы грунтового коллектора куда больше, он достигает 100 лет, поэтому в пересчете на 1 год эксплуатации это будет 3000 рублей. Итого получим:

47 000 + 16 000 + 3000 = 66 000 рублей в год.

Примерно столько же стоит в год отопление твердым топливом — дровами или углем.

Отопление сжиженным газом из газгольдера или дизельным топливом обойдется значительно дороже, не говоря уже о куда меньшей безопасности этих решений. Магистральный же газ доступен лишь избранным. Об обогреве «чистым» электричеством, пожалуй, не стоит и говорить.

Кроме того, тепловые насосы, помимо отопления и обогрева, выполняют роль кондиционеров в теплое время года. При этом электропотребление агрегата в режиме пассивного охлаждения примерно такое же, как у лампочки накаливания. А это еще один способ экономии.

Наконец, сегодня стало возможно обойтись вообще без скважин и коллекторов и получать низкопотенциальное тепло... прямо их воздуха! Но об этом решении мы поговорим в следующий раз.