Дополнительными аргументы в пользу теплового насоса служат отсутствие необходимости в согласованиях при подключении оборудования и особых требований к его размещению в доме (теплонасос по габаритам не больше стиральной машины).

Тепловые насосы – не новинка сезона и не писк моды. Идея теплового насоса сформулирована и реализована в лабораторных условиях более 150 лет назад. Практическое применение теплонасосных установок началось в 30-х годах прошлого века. Около 30 лет назад в связи с разразившимся энергетическим кризисом появились первые бытовые модели, с тех пор успешно применяющиеся в развитых странах и доказавшие свою надежность и долговечность на практике.

Теоретическое обоснование

Принцип действия теплового насоса заключается в том, чтобы создать такие физические условия, при которых рабочая жидкость, циркулирующая в замкнутом контуре, испаряясь, отбирала бы некоторое количество тепла у холодной окружающей среды, а затем, конденсируясь, передавая эту тепловую энергию в систему отопления дома. Процесс обеспечивается с помощью компрессора, конденсатора, испарителя, дросселей, трубопроводов – аналогично тому, как это происходит в холодильнике и кондиционере.

Теоретически источниками низкопотенциального тепла могут быть грунтовые воды (температура более 10°С), озерная и речная вода (0-10°С), поверхностный (0-10°С) и глубинный грунт (10°С), а также наружный воздух, даже если его температура ниже нуля. В условиях нашей страны, чтобы работа тепло-насосной установки была эффективной, в качестве источника тепла целесообразнее использовать грунт и открытые водоемы, поскольку их температура в течение всего года стабильна. Применение воздушных тепловых насосов в Украине оправдано только в Крыму.

Схематично тепловой насос, использующий тепло грунта или водоема, можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров: в первом, внешнем, циркулирует теплоотдатчик (теплоноситель, собирающий тепло окружающей среды, – незамерзающая жидкость или антифриз), во втором – хладагент (вещество, которое испаряется, отбирая тепло у теплоот-датчика, и конденсируется, отдавая тепло теплоприемнику,- чаще всего фреон), в третьем – теплопри-емник (вода в системе отопления здания).

В качестве антифриза во внешнем контуре используется раствор гликоля или так называемый «рассол» (растворы солей с низкой температурой замерзания).

Правда, существуют также тепловые насосы прямого геобмена – в этом случае в землю укладывается контур с циркулирующим фреоном: теплообмен происходит непосредственно через поверхность тонких медных трубочек.
Экономичность работы теплового насоса оценивают по коэффициенту преобразования тепла, который отражает отношение получаемой тепловой мощности к потребляемой электрической. Эта величина зависит от разности уровня температур на входе в систему (в испарителе) и на выходе (в конденсаторе): чем больше разность, тем меньше коэффициент преобразования, а значит, и эффективность. Поэтому в системах отопления на базе теплового насоса в качестве отопительного прибора целесообразнее всего использовать водяной теплый пол, температура воды в котором ограничена 35°С. Находят применение и смешанные решения (теплый пол плюс радиаторы).

Первичный контур

Поскольку получить в личное распоряжение часть акватории открытого водоема для укладки на его дно первичного контура с теплоносителем довольно проблематично, наиболее предпочтительным источником тепла оказывается грунт. Возможны два варианта получения низкопотенциального тепла из грунта: либо с помощью горизонтально коллектора в виде уложенных в траншеи пластиковых труб, либо с помощью вертикального геотермального зонда из скважины глубиной 20-300 м.

Преимущество горизонтального коллектора – относительно невысокие затраты на его организацию. Однако для этого необходим свободный земельный участок.

Суммарная длина труб горизонтального коллектора и общая площадь участка под него рассчитываются по формулам в зависимости от требуемой мощности теплонасоса, удельного теплосъема (количества тепла, снимаемого с каждого метра трубы коллектора) и рекомендуемого расстояния между трубами (шага укладки), которое должно быть таким, чтобы грунт не промерзал. Для дома площадью 100 м2 длина коллектора составит 300-400 м.

Теплосъем с горизонтального коллектора зависит от глубины его укладки, качества грунта, наличия грунтовых вод и некоторых других параметров. В предварительных расчетах принимают величину 20 Вт/м, а конкретно по грунтам показатели таковы: сухой песок – 10 Вт/м, сухая глина – 20 Вт/м, влажная глина – 25 Вт/м, глина с большим содержанием воды – 35 Вт/м.

Вертикальный геотермальный зонд размещается в специально пробуренной скважине, в которую погружаются U-образные металло-пластиковые или пластиковые трубы. Как правило, в одну скважину вставляется две петли, после чего она заливается бентонитовым раствором. Расстояние между скважинами должно быть больше 5 м.

Глубина скважины определяется расчетом. Вместо одной большой скважины, для которой может потребоваться разрешение природоохранных организаций, бурят несколько неглубоких. В целом вертикальный зонд обходится гораздо дороже, чем горизонтальный коллектор, но если участок небольшой, альтернативы бурению нет.

Для предварительных расчетов удельный теплосъем в среднем принимают равным 50 Вт/м, но конкретные показатели по виду грунтов выглядят так

• сухие осадочные породы – 20 Вт/м;
• каменистая почва и насыщенные водой осадочные породы – 50 Вт/м;
• каменные породы с высокой теплопроводностью – 70 Вт/м;
• подземные воды – 80 Вт/м.
• Подбор диаметров труб проводится исходя из потерь давления для требуемого расхода теплоносителя.

За информацией о геологии необходимо обращаться к специализированным компаниям, занимающимся бурением.

В целом тепловые насосы типа «грунт-вода» способны полностью удовлетворять потребности индивидуального дома в тепле. Режим эксплуатации теплонасосной установки без дополнительного источника тепла называется моновалентным. Но, 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. Такой режим называется бивалентным.

Работа теплового насоса в бивалентном режиме, предусматривающая включение дополнительного теплогенератора в периоды, когда температура воздуха опускается ниже определенной (-5°С – в южных регионах, – 10°С – в центральных), является наиболее целесообразной. Это позволяет снизить стоимость теплового насоса и работ по монтажу первичного контура (прокладка траншей, бурение скважин и т.п.), которая сильно увеличивается при возрастании мощности установки.

Исходные данные

Чтобы инсталлировать в доме систему отопления на основе теплового насоса, необходимо обратиться в организацию, имеющую опыт разработки проектов, установки и наладки такого оборудования и соответствующие лицензии. Разумеется, стоит говорить только о продукции авторитетных западных производителей, доказавших качество своего оборудования годами успешной эксплуатации.

Для подбора теплонасосного оборудования для конкретного здания его владелец должен предоставить специалистам фирмы такую информацию:

• генплан участка с указанием на территории строений и деревьев;
• поэтажный план здания с указанием высоты и площади отапливаемых помещений;
• данные о материалах стен и крыши здания с указанием толщины слоев в конструкции;
• данные об окнах (количество оконных проемов и их размеры, материал рам, количество воздушных камер и качество стекол в стеклопакетах);
• имеющаяся электрическая мощность в кВт;
• планируемое отопление (радиаторное, теплый пол, смешанное).

На основании предоставленной клиентом информации оцениваются теплопотери здания и подбирается оборудование необходимой мощности. Отдельно рассматривается возможность использования теплового насоса для подготовки горячей воды и кондиционирования воздуха в летний период. Естественно, это влечет за собой установку дополнительного оборудования, а, следовательно, усложнение системы и увеличение ее сметной стоимости. Часто подбор оборудования в необходимой комплектации выполняют специалисты компании-производителя. Так взаимодействует с украинскими партнерами швейцарская компания RIEDO CLIMA AG (генеральный дистрибьютор – фирма «ПЛАСТ»). Она предоставляет технико-экономическое обоснование проекта и рассчитывает ориентировочную стоимость теплонасосного оборудования для конкретного объекта. Выполнение работ по укладке горизонтального коллектора или вертикального зонда производят квалифицированные местные подрядчики.