Теплонасосные системы отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования (охлаждения) воздуха, использующие низкопотенциальную энергию грунта, воды или воздуха, получили широчайшее распространение в Западной Европе, США и Японии, но почти неизвестны у нас в стране. Что из себя представляет тепловой насос и зачем он нужен рядовому российскому потребителю, в том числе застройщику проектов домов?    

Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от теплоотдатчика с низкой температурой (чаще всего окружающей среды) к теплоприемнику с высокой температурой. Для его работы необходима затрата внешней энергии (например, механической, электрической, химической). Процессы, происходящие в тепловом насосе, подобны процессам, осуществляемым рабочим телом в холодильной машине, с той разницей, что назначение холодильной машины — производство холода, а теплового насоса — производство теплоты (Большая советская энциклопедия, 3-е изд.). 

Принцип действия

С конструктивной точки зрения тепловой насос представляет собой замкнутый контур, состоящий из испарителя, компрессора, конденсатора и расширительного клапана (дросселя), соединенных между собой системой трубопроводов, по которой циркулирует хладагент (фреон). Но тепловой насос, как таковой, является лишь частью теплонасосной системы отопления. В частности, его испаритель  непосредственно связан с первым контуром системы, который представляет собой грунтовый, водяной или воздушный теплообменник, предназначенный для передачи низкопотенциальной энергии грунта, грунтовых вод или воздуха хладагенту (второй контур).

Забирая тепловую энергию окружающей среды из первого контура, хладагент теплового насоса нагревается, вскипает и переходит из жидкого состояния в газообразное (испаряется). Компрессор сжимает нагретый газообразный хладагент, при этом температура фреона повышается.

Из компрессора горячий фреон попадает в конденсатор, где  охлаждается, отдавая полученное ранее тепло в циркуляционный контур системы водяного отопления здания (третий контур). Выходя из дросселя, газообразный хладагент расширяется, его температура резко уменьшается, в результате чего фреон переходит в жидкую фазу, возвращается в испаритель, и цикл начинается заново.

Различные типы тепловых насосных систем и их особенности

Тепловой насос с теплообменниками, арматурой, насосами и т. п. называется тепловой насосной системой. Основное отличие различных типов таких систем заключается в разнице конструкции первого контура теплообменника, которая зависит от того, какой источник низкопотенциальной тепловой энергии (грунт, вода или воздух) и какая система отопления (водяная или воздушная) используются в данном случае. Таким образом, первое слово в названии системы, например грунт — вода, обозначает источник тепла (в данном случае грунт), а второе —  потребителя этого тепла (водяной контур отопления).

Большое распространение получили грунтовые (грунт — вода, грунт — воздух) системы, использующие тепло поверхностных слоев земли. В этом случае тепловая энергия грунта отбирается теплоносителем (обычно незамерзающая жидкость на основе пропиленгликоля или этиленгликоля), который циркулирует по расположенному в грунте теплообменнику первого контура   и прокачивается через испаритель теплового насоса, отдавая эту энергию хладагенту. Теплоноситель нередко именуют солевым раствором, а то и просто рассолом, хотя в действительности раствор соли для этих целей практически не применяется.

Грунтовый тепловой насос — достаточно универсальная система, которую можно использовать практически повсеместно. Существуют две разновидности грунтовых теплообменников:  горизонтальный коллектор и геотермальный зонд.

Горизонтальный грунтовый коллектор представляет собой систему труб, уложенных  на глубине 1,5—2 м (ниже уровня промерзания).  Трубы, по которым циркулирует теплоноситель (рассол), размещают в специально вырытых  траншеях либо укладывают  при проведении работ по благоустройству участка, связанных со снятием и перемещением толстых слоев грунта. Трубы могут соединяться между собой последовательно или параллельно, располагаться в одной плоскости или образовывать пространственную спираль — принцип действия горизонтального коллектора от этого не меняется.

Теплотехнические характеристики грунтового теплообменника зависят от длины труб, которую рассчитывают исходя из потребной мощности теплонасосной системы, геологии данного места (предпочтительным является влажный грунт), уровня солнечной радиации, количества солнечных дней в году и т. д. Но в любом случае площадь,  занимаемая горизонтальным коллектором, сравнительно велика. Так, например, в средней полосе России ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 пог. м трубы теплообменника, составляет 20—30 Вт. Это означает, что для обеспечения теплом двухсотметрового коттеджа потребуется коллектор площадью 400–600 м². 

На территории, под которой располагается коллектор, можно сажать  кусты и деревья,  но никакая застройка на этой площади не допускается.  Дело в том, что естественное восстановление тепловых «запасов» грунта, остывшего за зиму, происходит во многом за счет  дождевых осадков, выпадающих в летний период.  Наличие любых построек ограничивает поступление в почву атмосферных осадков, что приводит к недополучению грунтом  тепловой энергии и  в конечном итоге к снижению производительности теплового насоса.

Геотермальный зонд — другая разновидность грунтового теплообменника — представляет собой вертикальную скважину глубиной 50–150 м (иногда и более), в которой размещается U-образный или коаксиальный (труба в трубе) теплообменник. Важнейшее преимущество вертикальных грунтовых теплообменников заключается в том, что для их устройства требуется минимальная площадь. В рассмотренном выше примере (коттедж площадью 200 м²)  потребуется пробурить три скважины глубиной около 80 м на расстоянии 3 м друг от друга. Таким образом, грунтовый теплообменник фактически представляет собой десятиметровую линию с геотермическими зондами, которую можно разместить рядом с домом, забором или в любом другом удобном месте. Кроме того, тепловой режим грунта на глубине свыше 15 м формируется почти исключительно за счет тепла земных недр, поэтому работа геотермального зонда практически не зависит от температуры воздуха, интенсивности теплых летних дождей, уровня солнечной радиации, наличия построек (зонды можно устроить даже под фундаментом здания) и остается практически постоянной на протяжении всего года.

            Единственный недостаток вертикальных теплообменников — высокая стоимость  буровых работ, которая обычно сравнима со стоимостью оборудования, но этот вариант работает практически везде и ко всему прочему обладает немного большей эффективностью, чем  теплообменник в виде горизонтального коллектора. Складывается впечатление, что достоинства геотермального зонда в глазах заказчиков перевешивают его недостатки. Во всяком случае в Московской области большинство реализованных проектов коттеджей приходится на долю тепловых насосных систем с вертикальными грунтовыми теплообменниками.

            Водяные теплонасосные установки открытого типа используют энергию грунтовых вод, которые прокачиваются через испаритель теплового насоса (рис. 4).  Грунтовые воды имеют постоянную температуру и обладают высокой теплоотдачей, что обеспечивает повышенную эффективность и стабильность системы «вода — вода». Для функционирования таких установок обычно устраивают парные скважины, одна из которых служит для забора воды из подземных водоносных слоев, а вторая для возвращения использованной воды в те же слои. Открытые системы, использующие грунтовые воды, отличаются наибольшей энергетической эффективностью, но их реализация возможна только при наличии под участком водоносных слоев, способных обеспечить требуемый дебит. Желательно также, чтобы водоносные слои располагались сравнительно неглубоко (30–40 м), а вода не содержала грязи и большого количества железа. Совпадение всех перечисленных требований случается нечасто, поэтому водяные тепловые насосы открытого типа пока еще не получили широкого распространения в нашей стране, чего не скажешь, например, о скандинавских странах, где доля теплонасосных установок такого типа очень велика. Следует учитывать также и тот факт, что скважины нуждаются в периодическом обслуживании, стоимость которого может оказаться достаточно высокой. Кроме того, существует вероятность, что для реализации проекта потребуется согласование с местной администрацией.

            Закрытые водяные теплонасосные системы отличаются от грунтовых тепловых насосов только тем, что горизонтальный коллектор размещается не в грунте, а укладывается на дно водоема (озеро, река, море). В этом случае вода не имеет непосредственного контакта с испарителем теплового насоса, а отдает тепло первому контуру теплообменника. Здесь к качеству воды не предъявляется особых требований, но следует иметь в виду, что зимой в неглубоких водоемах температура нередко снижается почти до 0 ºС, поэтому эффективность теплового насоса может оказаться недостаточной. 

            Воздушные тепловые насосы, использующие низкопотенциальное тепло уличного воздуха, отличаются простотой установки и практически не занимают места на участке. Наружный воздух продувается через испаритель, а тепло, отводимое от конденсатора, поступает в систему отопления. Нет первого контура теплообменника, а значит, не нужно бурить скважины, не нужно рыть траншеи для размещения трубопроводов грунтового коллектора, поэтому стоимость воздушных тепловых насосов (суммарно по объекту) получается ниже, чем  теплонасосных систем других типов. К сожалению,  эффективность воздушных тепловых насосов сильно зависит от температуры воздуха, что приводит к снижению производительности в зимнее время.

Эффективность теплового насоса

            Показателем эффективности теплового насоса является коэффициент преобразования или коэффициент мощности, который показывает отношение полученной тепловой энергии к количеству электрической энергии, затраченной на работу компрессора. Для тепловых насосов вода — вода величина данного коэффициента в любое время года составляет около 5. Это означает, что при потреблении 1 кВт∙ч электрической энергии установка производит 5 кВт∙ч тепловой энергии. Для грунтовых тепловых насосов (также в любое время года) эта величина лежит в диапазоне от 4 до 4,5. Коэффициент преобразования воздушных тепловых насосов уменьшается с понижением температуры на улице, и если при температуре воздуха  0 ºС эффективность системы «воздух — вода» примерно такая же, как у грунтовых систем (около 4), то при -20 ºС значение этого коэффициента не превысит 1,5. При дальнейшем снижении температуры до минимального порогового значения автоматика отключит тепловой насос, что приведет к размораживанию здания. Впрочем, сказанное не означает, что воздушные теплонасосные установки полностью лишены права на существование в наших климатических условиях.

Дублирующий генератор тепла

Применение систем «воздух — вода» оправдано при наличии еще одного (дублирующего) источника тепла, например электрического (так называемая бивалентная схема отопления). По данным многолетних метеорологических наблюдений, доля холодных дней с температурой ниже -20ºС сравнительно невелика, поэтому большую часть отопительного сезона будет задействован именно тепловой насос, а  электрический котел или генератор тепла на жидком топливе будут применяться достаточно редко.

            В случае использования грунтовых и водяных теплонасосных систем нет надобности в установке дублирующего теплогенератора, но некоторые производители выпускают модели тепловых насосов со встроенными термоэлектрическими нагревателями (ТЭН). Дело в том, что подбор теплового насоса производится после проведения теплового расчета здания, и если этот расчет дал цифру, например, 22 кВт, целесообразно устанавливать насос не с запасом, как это принято у нас, а с некоторым недобором, и в данном случае 20 кВт будет вполне достаточно. Значение 22 кВт, полученное из теплового расчета, означает, что здание будет терять 22 кВт при температуре наружного воздуха -28 ºС. При -25 ºС потери тепла будут меньше (примерно 20 кВт), а при -10 ºС еще меньше. В средней полосе России экстремально холодные дни с температурой -30 ºС и ниже случаются не так уж часто, и в такие морозные периоды  как раз можно воспользоваться дополнительным электрическим нагревателем. Практика показывает, что даже в нашем холодном климате  дополнительные затраты на электрическое отопление оказываются существенно ниже, чем экономия на капитальных затратах, полученная за счет установки оборудования меньшей мощности. Наличие резервных электрических нагревателей исключает необходимость делать систему мощнее, чем требуется, и позволяет избежать перерасхода электроэнергии, потребляемой грунтовым или водяным тепловым насосом, но с практической точки зрения использование бивалентной схемы в этом случае не является обязательным.

            Для воздушных теплонасосных установок, которые автоматически отключаются при температуре наружного воздуха минус 20–25ºС, второй теплогенератор не роскошь, а совершенно необходимое дополнение к тепловому насосу, обеспечивающее бесперебойное функционирование системы отопления даже в самые сильные морозы.

Выбор системы отопления

Как уже говорилось, второе слово в названии теплонасосной системы (например, вода — вода или вода — воздух) определяет тип системы отопления, которые бывают только двух видов: водяные и воздушные (инфракрасные обогреватели в связке с тепловыми насосами не используются).  Проекты домов в европейских странах, а также в России обычно используют тепловые насосы совместно с системами водяного отопления. Для США и Канады традиционной является воздушная система отопления, поэтому американские компании в большинстве своем производят тепловые насосы воздух — воздух, вода — воздух и грунт — воздух.

Эффективность теплового насоса увеличивается при уменьшении разности температур испарителя и конденсатора. Другими словами, чем ниже температура теплоносителя в третьем контуре (в системе отопления), тем выше коэффициент преобразования  теплового насоса. Для нормальной работы традиционной радиаторной системы требуется температура теплоносителя 50–70 ºС, в то время как для систем напольного отопления  вполне достаточно   35–40 ºC, поэтому  теплый пол фактически является неотъемлемым элементом системы отопления в домах с тепловыми насосами.

Необходимо отметить, что тепловые насосы могут работать не только в режиме отопления, но и в режиме кондиционирования помещений. То есть путем  создания соответствующей гидравлической развязки, реализуемой при сборке котельной, обычный тепловой насос можно использовать и для работы на охлаждение. Существуют также модели тепловых насосов, имеющие внутреннее решение, позволяющее легко переходить из одного режима в другой. Оба эти варианта не отличаются сложностью и не требуют больших капиталовложений. К сожалению, обычные отопительные приборы радиаторного типа не пригодны для охлаждения воздуха, а теплые полы превращаются в ледяные, поэтому эффективное совмещение функций отопления и охлаждения возможно только при использовании воздушных систем отопления/кондиционирования.

Последний вариант изначально получил распространений в странах с жарким климатом, например в США, где тепловой насос большую часть года работает именно в режиме охлаждения.

Целесообразность использования тепловых насосов

Уровень затрат на эксплуатацию теплонасосных и газовых систем отопления  примерно одинаков, поэтому при наличии магистрального газа целесообразнее использовать газовое отопление, чем  платить полмиллиона рублей за установку теплового насоса. При этом  теплонасосная система может оказаться экономически оправданной даже в том случае, когда  газ есть на соседнем участке, поскольку практика показывает, что элементарное согласование документации на подключение к существующей магистрали  может быть сопряжено с весьма значительными затратами.

            Ну а если магистрального газа поблизости нет,  проблема выбора отопления для проекта дома и коттеджа значительно упрощается. Использовать дизельное топливо очень дорого, электричество — тоже , да и технические условия не всегда позволяют реализовать полноценную систему электрического отопления, поскольку во многих областях РФ наблюдается дефицит электроэнергии, и в такой ситуации тепловой насос может быть наиболее выгодным вариантом.

Тепловой насос окупается приблизительно через пять-семь лет. При этом он не требует наличия пожароопасных емкостей с топливом, которые нуждаются в периодической заправке, не говоря уже об отсутствии неприятных запахов и выбросов продуктов сгорания.

            К сожалению, существующие электрические сети зачастую работают на пределе возможного, поэтому при оценке целесообразности использования теплонасосных систем необходимо учитывать ограничения по присоединенной мощности для данного участка.

            Приведем простой пример. Даже в самые сильные морозы грунтовый или водяной тепловой насос, обеспечивающий теплом  коттедж площадью 250 кв. м, потребляет не более  4–5 кВт ∙ ч. В случае применения воздушного теплового насоса требования к электрической сети значительно ужесточаются, поскольку при температурах ниже -20 ºС эта сеть должна обеспечивать возможность полноценной работы дублирующего электрического котла мощностью около 20 кВт, а это, согласитесь, совсем другая история.

            Тепловые насосы выпускаются достаточно давно, конструкция  хорошо отработана, поэтому срок их службы (до капитального ремонта) обычно составляет 15–25 лет, а некоторые производители называют и большие цифры. С точки зрения эксплуатационной безопасности тепловые насосы ничем не отличаются от бытовых холодильников и намного превосходят в этом плане любые жидкотопливные и газовые котлы. На российском рынке можно найти отличные модели тепловых насосов производства компаний VAILLANT, VIESSMANN, GREE  и др.

Перспективы применения систем с тепловыми насосами

 В настоящее время европейским лидером в области применения тепловых насосов является Швеция, в которой около 95 % систем отопления выполнено с применением тепловых насосов (преимущественно грунт — вода и вода — вода). На втором месте находится Финляндия, а на третьем Германия, энергетическая политика которой ориентирована на постоянное  снижение энергозависимости от  нефтедобывающих стран и улучшение экологической обстановки.

            В большинстве европейских странах действуют программы поддержки производителей энергии из возобновляемых источников. В частности, в Германии для стимулирования энергосберегающих технологий на начальном этапе правительство выдавало субсидии, размер которых  достигал 50 % от суммы затрат на приобретение и установку теплового насоса.  Объемы этих субсидий постепенно снижались, и в настоящее время единственной привилегией пользователей тепловых насосов является льготный тариф на электроэнергию, которая затрачивается на работу этого насоса. Но граждане Германии уже оценили достоинства теплонасосных систем, и спрос на установки такого типа не снижается даже в отсутствии государственных дотаций.

             В Финляндии частному застройщику возвращается 20 % от стоимости оборудования и 40 % (в форме налоговых вычетов) от суммы затрат на монтаж оборудования (до 2012 года было 60 %).

            В нашей стране условия для интенсивного развития возобновляемых источников энергии вообще и тепловых насосов в частности не столь благоприятны. Невысокие (пока еще) цены на газ и отсутствие заинтересованности со стороны правительства не позволяют надеяться на стремительное развитие возобновляемых источников энергии. Тем не менее интерес потенциальных потребителей к этой теме увеличивается с каждым годом, и это вполне объяснимо, поскольку во многих случаях применение теплонасосной установки является практически единственной возможностью реализации цивилизованной и экономичной системы отопления. 

Одним из наиболее известных фактов применения теплового насоса в России стало использование его в знаковом сооружении 2011 года — активном доме, сооруженном по инициативе компании VELUX и ставшим символически авангардным объектом среди энергоэффективных коттеджей. Создатели установили в нем  геотермальный тепловой насос (DHP-L Opti Pro 10), который черпает энергию буквально из-под земли. В установке использован 33-процентный раствор этиленгликоля, который  циркулирует в модулях пассивного охлаждения  скважного исполнения. Для их сооружения на территории придомового участка в шахматном порядке   были пробурены восемь скважин каждая глубиной 30 м. Стоит отметить,  что радиус  действия скважного модуля (то есть объем грунтового тепла, который он снимает) составляет  6 м. Максимально возможная температура отопительного контура составляет +55 °C. Буквально в конце июня 2012 года были подведены первые итоги эксплуатации этого действительно уникального сооружения. Одним из самых интересных показателей был, безусловно, средний сезонный коэффициент преобразования теплового насоса. Он составил около 3,6 единицы. При общей выходной мощности теплового насоса 9,4 кВт ∙ ч около 6,78 кВт ∙ ч — это энергия, полученная за счет тепла земли.

Совсем свежий пример использования тепловых насосов можно найти на объекте Natural Balance — загородном доме общей площадью 186 кв. м,  который продолжает череду проектов компании ROCKWOOL по строительству доступного энергоэффективного жилья. Дом сооружен в Набережных Челнах.

Отопление и горячее водоснабжение в этом доме обеспечивается за счет теплового насоса. На площадке за домом пробурено 10 скважин глубиной 35 м каждая, в которые опущены теплообменники (вертикальные грунтовые зонды), соединенные с установленным в доме тепловым насосом. Проектом дома предусматривалось устройство меньшего количества скважин большей глубины, но на глубине 35 м бур уперся в базальтовый пласт, поэтому пришлось сократить глубину бурения и увеличить количество скважин. Трубы, соединяющие зонды с тепловым насосом, расположены на глубине  более одного метра, поэтому площадка со скважинами  может использоваться как обычный садовый участок с плодовыми деревьями, грядками, цветами, садовыми скамейками и прочими непременными атрибутами современного загородного коттеджа. Никаких ограничений в этом смысле не существует.