Тепловой насос в загородном доме

Тепловой насос в загородном доме

В 1852 году выдающийся английский физик лорд Кельвин изложил идею удивительной машины, которую он назвал умножителем тепла. Спустя четыре года в Швейцарии была запущена первая подобная установка, послужившая прототипом современных тепловых насосов. Но по-настоящему гениальное изобретение оценили лишь в 30-х годах прошлого века. В Европе и США появились системы отопления, использующие тепло окружающей среды.

За несколько десятилетий тепловые насосы убедительно доказали свою энергетическую эффективность, экологическую безопасность, экономичность, надёжность и долговечность.

Компрессионные тепловые насосы иногда называют холодильниками наоборот. И те и другие агрегаты роднит общий принцип действия: отобрать тепло в одном месте (будь то холодильная камера или окружающая среда) и перенести в другое (сбросить на задней стенке холодильника или же передать в систему отопления). И внешне тепловые насосы похожи на респектабельные холодильные шкафы. Однако внутри у них яблочку негде упасть — весь объём до отказа забит технической начинкой. К тому же в отличие от своих бытовых «родственников» тепловой насос в магазине не продаётся. Да и от одного такого «перевёрнутого » холодильника нет никакого толка.

Тепловой насос — это, по сути, промежуточное звено в трёхконтурной системе теплоснабжения. Первый замкнутый контур собирает рассеянное тепло от одного из низкотемпературных источников — воды или земли. (Этот контур отсутствует у тепловых насосов, отбирающих тепло у воздуха, — по сути, так устроены кондиционеры, способные работать в режиме обогрева.) Для этого коллектор либо закапывают в почву ниже глубины промерзания, либо погружают в скважину или на дно водоёма. Внутри циркулирует незамерзающая жидкость, или, как её ещё называют, рассол (раствор этилен- или пропиленгликоля). Нагретый природным теплом антифриз поступает в тепловой насос (он же — второй замкнутый контур). Этот агрегат, как и бытовой холодильник, состоит из четырёх основных компонентов: испарителя, конденсатора, компрессора и дроссельного клапана. Они объединены общим трубопроводом, заполненным хладагентом (в тепловых насосах в основном используют хлор- и фторсодержащие вещества — фреоны, которые закипают при температуре ниже — 3 °С). В испарителе жидкий хладагент закипает, поглощая тепло первого контура. Охлаждённый теплоноситель возвращается за следующей порцией тепловой энергии. В свою очередь газообразный хладагент поступает в компрессор, а затем в конденсатор. Газ снова превращается в жидкость. Процесс сопровождается выделением тепла, которое передаётся третьему, отопительному, контуру (системе водяного отопления здания). Затем жидкий фреон продавливается через дроссель в испаритель и цикл повторяется. Некоторые модели тепловых насосов способны работать в инверсионном режиме, то есть не только отапливать, но и охлаждать дом.

Система отопления на основе теплового насоса

На российском рынке в основном представлены тепловые насосы европейского производства: Buderus, Vaillant, Viessmann, Stiebel Eltron — все Германия; Heliotherm, Австрия; Thermia, Швеция; Climaveneta, Италия; G-Mar, Чехия и др. Среди отечественных производителей отметим НПО «Энергия» (производство промышленных тепловых насосов), НПФ ЭКИП, НПФ «Тритон» и фирму «Корса».

Тепловой насос Logatherm WPS класса «рассол — вода» («грунт – вода») мощностью 22, 33, 45, 52 и 60 кВт. Коэффициент преобразования — до 5 ед. Максимальная температура нагрева воды для систем горячего водоснабжения — 65 °С. Производитель — компания Buderus

Когда применяют тепловой насос?

Надо признать, что пока тепловые насосы используют в основном от безысходности — когда применение традиционных топливных ресурсов либо невозможно (участок находится в природоохранной зоне), либо чересчур дорого. Скажем, купили хозяева домик в деревне. Старую хибару снесли, на её месте построили приличный коттедж. Спрашивается, как обогревать дом, если на всё хозяйство выделено 5 кВт электрической мощности? Завозить цистернами дизельное топливо или сжиженный газ и хранить на участке — слишком накладно, хлопотно, а главное, опасно. А тепловой насос работает самостоятельно, лишь бы только было электричество. Причём на каждый киловатт потребляемой электроэнергии агрегат выдаёт до четырёх и более киловатт тепла (правда, здесь не всё так просто, многое зависит от системы отопления). Для сравнения: электронагреватели работают один к одному.

Впрочем, тепловые насосы выбирают не только обитатели сельской глубинки. Владельцы участков, соседствующих с газовой магистралью, отказываются от своего «счастья» ради автономности и экологической безопасности владения. С точки зрения финансовой выгоды тепловые насосы пока проигрывают котлам, работающим на магистральном газе. Но цены на теплоносители растут, и эта тенденция усиливается. Подключение к газовой трубе — тоже недешёвое удовольствие, да ещё обременённое бюрократическими процедурами. А в дальнейшем газовый трест в любое время может снизить или вовсе прекратить подачу топлива. Словом, инвестиции в тепловые насосы — не такая уж высокая плата за независимость.

Компания Zehnder (Германия) предлагает универсальный энергораспределительный блок Zehnder ComfoBox, состоящий из теплового насоса класса «грунт — вода» и вентиляционного блока. Предназначен для отопления, приточно-вытяжной вентиляции и подготовки горячей воды. Забирает тепло (до 95 %) у отработанного воздуха и передаёт его поступающему свежему воздуху.

Тепловые насосы пользуются большим успехом во многих странах мира. Общий объём продаж давно перевалил за 100 млрд долларов США. Скажем, в Швеции такие агрегаты вырабатывают около 70 % тепловой энергии. Отрадно отметить, что и у нас тепловые насосы постепенно завоёвывают благосклонность обеспеченных потребителей. Спрос на такое оборудование хоть и медленно, но неуклонно растёт. Массовому распространению альтернативной отопительной техники препятствуют разные обстоятельства. В первую очередь это высокие затраты на монтаж оборудования и обустройство контура съёма тепла. Популярность тепловых насосов в Германии, Швеции и других европейских странах во многом обусловлена государственной поддержкой. Владельцы такой техники получают субсидии, оплачивают счета за электричество по льготным тарифам и т. д. Понятно, что нашим соотечественникам на подобные поблажки пока рассчитывать не приходится. Добавим, российских потребителей настораживает новизна и непривычность теплонасосной техники. Сказывается недостаток объективной информации.

Прежде чем решиться на установку теплового насоса, необходимо выяснить, существуют ли условия для применения такого оборудования. Во-первых, выделенная электрическая мощность должна быть достаточной, чтобы питать циркуляционные насосы и компрессор. Для дома площадью более 200 м² это примерно 6 — 7 кВт. Во-вторых, на участке должно быть пространство для размещения контура теплосъёма. И в-третьих, хозяева должны быть готовы инвестировать в систему отопления солидную сумму. Обычно стоимость всего геотермального комплекса «грунт — вода» (оборудование плюс монтаж) превышает миллион рублей. Заметно сократить затраты можно за счёт прокладки горизонтального коллектора. Но такой вариант далеко не всегда устраивает хозяев, особенно если уже выполнено благоустройство участка, проложены наружные коммуникации и т. д. Применение зонда связано с дорогостоящими буровыми работами. Кстати, бурение также не может не повредить владению. Тяжёлая бурильная установка оставляет в грунте глубокие следы. Чтобы протянуть трубопровод от места бурения, нужно прокопать траншею. Словом, тепловой насос лучше предусмотреть ещё на стадии проектирования или хотя бы строительства дома.

Тепловой насос WPF 16 класса «вода – вода» мощностью 16 кВт (Stiebel Eltron) отапливает коттедж площадью 330 м². Забор воды — из скважины, пробурённой в подвале дома. Сброс охлаждённого теплоносителя — в поглощающий колодец. Проектирование и монтаж — компания Veles GreenHeat

Тепловые насосы некоторых типов оборудованы встроенными ТЭНами. Дополнительный источник тепла повышает эксплуатационную надежность на случай аварийного сбоя, служит для целей термической дезинфекции водонагревателя. Например, на участке с зарытым горизонтальным контуром съёма тепла рабочие самовольно решили выкопать яму и задели трубопровод. В результате из коллектора вылился антифриз, и тепловой насос вышел из строя. На дворе — поздняя осень. Устранить повреждение удалось лишь через неделю. И всё это время дом согревал встроенный ТЭН. Поддержку дополнительного теплогенератора можно учесть при подборе теплового насоса и проектировании системы. Скажем, до — 12 °С греет только тепловой насос, а при более низкой температуре подключается ТЭН. Кстати, к концу отопительного периода производительность теплового насоса снижается. Грунт вокруг контура съёма тепла охлаждается, поступление тепла из окружающих слоев земли уменьшается. Этот факт учитывается на этапе проектирования либо подбором теплового насоса в соответствии с его графиками производительности, либо за счёт дополнительного теплогенератора.

Тепловые насосы требуют особого подхода к проектированию и комплектации системы отопления. Такие агрегаты практически невозможно совместить с привычными горячими радиаторами. Поэтому для обогрева дома используют низкотемпературные отопительные приборы, а также водяные тёплые полы и стены. В результате уровень комфорта жилища существенно повышается. К тому же чем ниже расчётные температуры системы отопления, тем ниже годовое суммарное электропотребление теплового насоса. В напольных и настенных системах водяного отопления температура теплоносителя, как правило, не превышает +40 °С. Возле пола устанавливается максимальная температура воздуха (22 — 26 °С). Тёплые воздушные потоки поднимаются вверх и на высоте 1,5 -2 м остывают до температуры 18 — 20 °С. Взметающих пыль сквозняков нет и в помине. Система напольного отопления позволяет регулировать «погоду в доме». Например, в отсутствие хозяев температура снижается до допустимого минимума, а незадолго до их возвращения повышается до оптимального уровня. Температурное регулирование системы отопления производится в автоматическом режиме (ручной режим также возможен). Что касается низкотемпературных радиаторов, то эти отопительные приборы не пересушивают воздух и безопасны, то есть не обжигают при прикосновении.

В последние годы большое внимание уделяется технологиям строительства энергосберегающих и так называемых пассивных домов. Главное их преимущество — эффективное использование тепла и минимизация его потерь. Иными словами, выработанное тепло почти полностью остаётся в доме. При этом достигается максимальная экономия энергоресурсов, в том числе и геотермального происхождения. Действительно, зачем прилагать столько усилий, чтобы в конечном итоге отапливать улицу? Энергосбережение требует комплексного подхода. При проектировании следует избегать выступов и других элементов, для которых характерно появление локальных теплопроводных участков («мостиков холода»). Необходимо обеспечить высокое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций: утеплить стены, установить энергосберегающие окна и т. д. Чтобы снизить «воздушные» теплопотери, нужно создать систему принудительной вентиляции с рекуператором тепла. Тогда приточный воздух будет обогреваться теплом отработанных вытяжных потоков. Вентиляционная задачка решается и другим способом. Домашнее тепло улавливается воздушным тепловым насосом и передаётся.

Схема системы отопления на основе блока Zehnder ComfoBox 1. Отверстие и трубо провод для подачи свежего воздуха 2. Тепловой насос и вентблок 3. Подача свежего подогретого воздуха в помещения 4. Отвод отработанных воздушных масс

Тепловые насосы способны работать как в моновалентном, так и в бивалентном режиме. В первом случае теплонасосная установка служит единственным генератором тепла в здании. При бивалентном режиме тепловой насос входит в отопительный комплекс, включающий котельную технику разного типа, а также другие альтернативные генераторы тепловой энергии (солнечные коллекторы, энергетические биогенераторы и др.). Скажем, тепловые насосы системы «воздух — вода» используются для отопления и горячего водоснабжения (в том числе подогрева воды в бассейне) в тёплое время года. Зимой дополнительно запускают котлы на жидком или газообразном топливе. К тому же воздушный тепловой насос отлично работаете грунтовым «собратом».

Откуда берется тепло?

Проще и дешевле всего качать тепло из воздуха. К сожалению, в средней полосе и севернее применение тепловых насосов класса «воздух — вода» ограничено (агрегаты разных моделей и от различных производителей работают при температуре воздуха — 5 . . . — 25 °С). Но в южных регионах такое оборудование может функционировать круглогодично. Для воздушного отопления также производятся агрегаты класса «воздух — воздух» (греют не воду в отопительном контуре, а непосредственно воздух в помещении).

Тепловой насос системы «воздух – вода» (на основе внешнего блока теплосъёма)

Тепловой насос системы «воздух – вода» (на основе внутреннего блока теплосъёма)

Тепловые насосы класса «вода — вода» преобразуют тепло подземных вод или водоёмов. В первом случае воду забирают из скважины, пробурённой на песок, прокачивают через тепловой насос и возвращают обратно в землю — сбрасывают в другую скважину. Главный недостаток такой схемы — нестабильность источника (со временем вода может «уйти»). Ещё один минус связан с легализацией возврата охлаждённой воды. Бурение водозаборной песчаной скважины не подлежит лицензированию. А вот на то, чтобы сливать в недра «отработанную» воду, потребуется особое разрешение властей. Во втором случае применение схемы «вода — вода» имеет смысл, если загородное владение расположено вблизи достаточно глубокого водоёма. Коллектор укладывают на дно речки, озера или пруда. Один погонный метр трубопровода собирает в среднем 30 Вт в час. Монтаж многометрового подводного теплообменника — дело нешуточное. Чтобы коллектор не уплыл, его прижимают ко дну грузом (из расчёта 5 кг на 1 м трубы).

Тепловой насос системы «вода — вода» (переносит тепло грунтовых вод)

Тепловой насос системы «вода — вода (использует тепло воды водоёма)

Система «грунт — вода» бывает двух типов: на основе грунтового коллектора или грунтового (геотермального) зонда. Коллектор представляет собой змеевидный пластиковый трубопровод, который закапывают в землю на 20 см ниже глубины промерзания. Ширина петель — 0,8 -1 м. Считается, что с 1 м² коллектора собирается 20 — 30 Вт-ч тепловой энергии. Для полноценного теплоснабжения небольшого дома требуется коллектор площадью в несколько соток. Порой нужно перерыть едва ли не весь участок (теневая зона дома не подходит). Впоследствии там желательно воздержаться от посадки деревьев с развитой корневой системой. Газоны, клумбы, грядки, низкорослые кусты — пожалуйста.

Тепловой насос системы «грунт — вода» (на основе грунтового коллектора)

Геотермальный зонд — это U-образный трубопровод (обычно из двух петель), который опускают в пробурённую скважину. Чем она глубже, тем лучше. Однако на практике бурение останавливают на отметке залегания водоносного (артезианского) известнякового слоя. Как правило, бурят несколько скважин. Трубы собирают «в пучок», к которому подвешивают чугунную гильзу-якорь. После погружения зонда скважины заполняют бетонитом (особая водоупорная глиняная порода — не лучший вариант) или специальной тампонажной смесью. Геотермальный зонд практически не влияет на ландшафтный дизайн участка. К тому же он собирает не только аккумулированную грунтом солнечную энергию, но и внутреннее тепло самой матушки-земли.

Тепловой насос системы «грунт — вода» (на основе зонда)

Геотермальный зонд

Реальный пример установки и использования теплового насоса №1

Владелец земельного участка вблизи озера Селигер решил построить капитальный дом площадью 350 м², а для обеспечения здания теплом выбрал тепловой насос. Хозяин обратился в компанию Veles GreenHeat (Россия), которая занимается проектированием и монтажом систем отопления на базе тепловых насосов. Специалисты компании изучили конкретную ситуацию, произвели инженерно-геологические изыскания, выполнили необходимые расчёты. На основании полученных данных была спроектирована и скомплектована система отопления дома и возведённых на участке вспомогательных построек. Кроме того, хозяину были выданы рекомендации по дополнительному утеплению наружных стен.

Кстати, дом построен по энергосберегающей технологии «Дюрисол». Для возведения стен использовались особые пустотелые блоки из древесной щепы и цемента (щепоцементные блоки). Внутрь блоков помещаются вкладыши из пенополистирола. В целом стены из блоков «Дюрисол» имеют высокие теплотехнические показатели. Потери тепла происходят через кладочные швы. С учётом нормативных требований и проектных данных было подобрано следующее оборудование:

• модульная установка теплового насоса WPF 32 SET, включающая два агрегата тепловой мощностью по 16 кВт каждый (основные генераторы тепла);
• буферная ёмкость на 700 л (аккумулятор тепла для нормального функционирования системы, резервный источник тепловой энергии при кратковременных отключениях электричества);
• резервуар для нагрева воды объёмом 400 л и др.

1, 2. В соответствии с проектом для установки геотермального зонда на участке пробурили 12 скважин глубиной 40 м	3. От скважин к дому выкопали траншею, в которую уложили коммуникации контура теплосъёма
4, 5, 6. Ввод трубопровода выполнили в цокольной части одной из стен здания, то есть на одном уровне с предполагаемым местом монтажа теплонасосной установки
7. Геотермальный коллектор подключили к модульной установке теплового насоса	8. В геотермальный коллектор (контур теплосъёма) залили 30-процентный водный раствор этиленгликоля
9. В доме смонтировали систему водяного напольного отопления (трубы из сшитого полиэтилена от компании Rehau, Германия)	10. Оборудование теплонасосной установки смонтировали на предварительно подготовленном бетонном пандусе площадью 4 м².

Реальный пример установки и использования теплового насоса №2

Хозяева земельного надела в живописном уголке Томской области заказали для своего дома отопительную систему на базе теплового насоса Diplomat производства шведской компании Thermia. Тепловая мощность агрегата 16 кВт, мощность встроенного электронагревателя — 9 кВт. Объём бойлера (накопительной ёмкости) — 180 л. Тепловой насос подключили к горизонтальному коллектору, сформированному из полимерных труб (полиэтилен низкого давления). Контур теплосбора уложили в специально прорытые на участке траншеи. В доме смонтировали систему водяных тёплых полов. Расчёт, проектирование, комплектация оборудования и монтаж выполнила компания «Экоклимат» (Россия).

1. Неосвоенный пока участок разметили под укладку грунтового коллектора (контура теплосбора). По разметке прорыли траншеи и в них уложили петлями трубы	2. Уложенный в траншеи трубопровод контура теплосбора заводят в дом
3. Горизонтальный теплосборник подключают к тепловому насосу через специальную коллекторную группу со встроенным смесителем	5. Монтируют гидравлическую развязку потоков воды через тепловой насос и систему напольного отопления
6. Тепловой насос и сопутствующее оборудование установили в отдельном помещении в цокольном этаже. К горизонтальному коллектору теплосбора подключают расширительный бак, устанавливают воздухоотводчики и вентили. Затем контур заполняют антифризом

  К записи комментариев 5

Александр | 07 11 2012
	Здравствуйте. Здравствуйте. Приятно видеть свое фото на вашей странице. Вот только «реальный объект №2» это мой объект, находится в Томске, а не в Питере. И делали мы его 7 лет назад. Могу прислать еще фото этого объекта. И еще 120 новых. Рекомендую: ecoklimat.com. Привет хозяевам «проекта №2» и удачи в освоении геотермального отопления!!!

Александр | 07 11 2012
	На фото №1 я лично. А фото №6 вообще не с этого объекта, и тепловой насос на ней — Robust, а не Diplomat, если кто разбирается. В доме теплых полов от Термотеха нет и не было. Система отопления выполнена на фанкойлах Aermec.

deddruid | 07 11 2012
	Александр, спасибо, что так подробно прокомментировали статью. Исправлю все неточности, которые Вы отметили. Был бы очень благодарен, если бы Вы прислали фотографии хорошего качества с реальных объектов, например, через форму контактов.

Ареке | 05 12 2012
	Где взять теплонасос для термоотопления загородного дома.Подскажите посоветуйте. Заранее благодарю. Ареке. Казахстан.

deddruid | 05 12 2012
	Здравствуйте, в Казахстане, наверно, будет лучше обратиться прямо к производителю :) heat-pump.kz

  Поделитесь ссылкой на статью в социальных сетях

  Вы можете оставить свой комментарий