Энергия трех стихий

Одним из наиболее эффективных способов получения дешевого тепла является тепловой насос, использующий неисчерпаемую энергию воздуха, воды или грунта. Такие системы уже давно и успешно применяются во всем мире, позволяя минимизировать издержки на отопление как частных и высотных домов, так и промышленных построек самого разного назначения, получая к тому же бесплатную горячую воду. Летом такие устройства могут работать как кондиционеры. В Америке ежегодно производится около 1 млн геотермальных тепловых насосов. Причем норма использования исключительно таких систем при строительстве новых общественных зданий закреплена Федеральным законодательством США. В Швеции тепловые насосы обеспечивают 50% всего отопления. В Германии предусмотрена госдотация на установку тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт мощности. По прогнозам Всемирной энергетической комиссии, к 2020 г. доля геотермальных тепловых насосов в теплоснабжении составит 75%. В нашей стране эти системы пока слабо распространены, ведь стоят они весьма недешево. Но постоянное повышение тарифов на энергоносители с лихвой оправдывает эти затраты.

Сферы применения

Тепловые насосы избавлены от большинства недостатков централизованного теплоснабжения — так, в отличие от газовых, а также жидкостных и твердотопливных котлов, они характеризуются отличными показателями экономичности, вследствие чего ежемесячные расходы уменьшаются в 2–10 раз. Кроме того, тепловые насосы имеют длительный срок службы до капитального ремонта (до 15–25 отопительных сезонов) и работают полностью в автоматическом режиме.

Наиболее эффективны тепловые насосы в промышленном секторе: они могут круглогодично бесплатно подогревать воду для нужд горячего водоснабжения, техническую воду на производственные потребности, отапливать крупные площади, а также поддерживать в них комфортную температуру летом. Наиболее высокий потенциал для насосов — в пищевой и текстильной промышленности, гостиничном хозяйстве, где расход горячей воды особенно высок. Их также успешно применяют на предприятиях, где производятся технологические промышленные процессы сушки, разделения веществ, дистилляции и пр. Насосы поддерживают оптимальный микроклимат в спортивных и киноконцертных комплексах, бассейнах, на животноводческих фермах. Одна из самых благодатных сфер для тепловых насосов — теплицы, где комфортная температура имеет принципиальное значение. Успешно используют устройство и для охлаждения ледовых катков, с его помощью можно подогревать крыши и размораживать дорожки ото льда.

При применении в частном доме тепловой насос удачно дополнит или полностью заменит уже имеющуюся тепловую схему бесплатным источником тепла, позволит значительно экономить на подогреве воды и отоплении, поддержании нужной температуры "теплых" водяных полов. С помощью ТН нагревают воду в бассейне. Летом тепловые насосы можно переключить на режим охлаждения помещения, в этом случае они работают как кондиционеры.

Холодильник наоборот

Тепловой насос использует тепло, рассеянное в окружающей среде — в земле, воде или воздухе, доставляя его в систему отопления здания. Принцип его работы аналогичен холодильнику. Только в холодильнике тепло переносится из внутренней камеры на заднюю стенку, а в тепловом насосе — из окружающей среды в систему отопления. Причем работает он настолько продуктивно, что нет необходимости в каком-либо дополнительном топливе.

Для получения тепла незамерзающая жидкость (антифриз) течет по трубе, расположенной в почве или водоеме возле здания, к тепловому насосу. Насосный агрегат, подобно холодильнику, отбирает тепло, охлаждая антифриз. Полученное тепло отдается системе отопления и/или на подогрев горячей воды. Жидкость снова течет по трубе в наружном грунте или воде, ее температура снова повышается и опять поступает к насосу. Воздушные насосы работают по принципу кондиционера.

Получается, что тепловые насосы перекачивают рассеянную тепловую энергию природных источников в относительно высокопотенциальное тепло для обогрева объекта. Примерно 75% отопительной энергии собирается бесплатно из природы: грунта, воды, воздуха — и только 25% необходимо затратить для работы самой системы. Иными словами, владельцы тепловых насосов экономят 3/4 средств, которые они бы регулярно тратили на дизтопливо, газ или электроэнергию для традиционного отопления. Такое оборудование способно не только отапливать, но и обеспечивать горячее водоснабжение, а также осуществлять кондиционирование воздуха. Для этого в тепловых насосах есть реверсивный клапан, позволяющий ТН работать в обратном режиме.

Чтобы компрессор насоса работал (поддерживал высокое давление и циркуляцию), его надо подключить к электричеству, то есть энергия в любом случае затрачивается. Но на каждый киловатт электроэнергии тепловой насос вырабатывает 2,5–6 кВт тепловой энергии. Соотношение вырабатываемой и потребляемой энергии составляют коэффициент трансформации (или преобразования теплоты, COP). Он демонстрирует эффективность теплового насоса. Считается, что оборудование хорошо работает, если соотношение между расходом и производством не меньше трех (на 1кВт электроэнергии вырабатывает 3 кВт) и выше. Чаще всего производитель в технической документации на свои изделия указывает COP в трех рабочих режимах (оптимальный и два возможных на краях рабочего диапазона ТН). На эти цифры стоит обратить внимание при покупке оборудования.

Почва, воздух и вода

По виду теплоносителя насосы делят на грунтовые, водные и воздушные. Эффективность и выбор определенного источника тепловой энергии зависит исключительно от климатических условий и от типа местности (наличие водоема, состав почвы, насколько глубоко расположены грунтовые воды и т. п.).

Оптимальный вариант по соотношению цена-качество для большинства областей Украины — грунтовые тепловые насосы. Такие насосы широко используют в частных домах, где есть относительно большой приусадебный участок. Поскольку земля не самый лучший проводник тепла, для получения необходимой мощности коллектор должен быть большим по размеру (требуется площадь в два раза больше отапливаемой). Положительным качеством теплопередачи земли является то, что коллектор теплового насоса закапывается в землю на небольшую глубину, на 30–50 см ниже уровня промерзания почвы, что упрощает монтаж. В северных и восточных областях (Луганской, Харьковской, Полтавской, Сумской, Киевской и Черниговской) глубина промерзания не превышает 100 см, в южных (Николаевской, Одесской, Херсонской) — 60 см, в остальных — 80 см. Поскольку при постоянном выкачивании тепла может возникать эффект замораживания грунта — его температура в месте укладки коллектора снижается и насос не достигает заявленной мощности, — необходимо правильно рассчитывать площадь коллектора и расстояние между его трубками. Грунтовый ТН имеет достаточно большой коэффициент преобразования (до 6), а цена его ниже водного. Кроме того, даже в самые сильные морозы под землей на глубине до двух метров температура не опускается ниже + 2–30, а на глубине 10 м весь год стабильно около +100.

Водные устройства можно разделить на два подвида — со скважинами и на водоеме. В первом случае вода берется из одной скважины, из воды выкачивается тепло и она сливается во вторую скважину. Второй подвид использует трубу-коллектор, погруженную в водоем (пруд, озеро, реку, море). Каждая из моделей имеет преимущества и недостатки. Насосы, работающие со скважинами, обладают самыми стабильными характеристиками, практически не зависящими от внешней температуры. Вода является хорошим проводником тепла, ее температура в скважине всегда постоянна, а количество при правильном бурении практически не ограничено. К недостаткам такой системы можно отнести ее высокую стоимость (поскольку для функционирования устройства требуется дополнительное оборудование). Кроме того, само бурение может стать весьма ощутимой статьей расхода. Сделать скважину тоже не всегда просто ввиду природных условий (слишком большой глубине залегания воды, наличию породы в месте бурения). Кроме того, законом запрещено бурение для установки ТН в черте города.

Сложность монтажа — общая проблема для всех водных моделей, повышающая их цену. Зато тепловые насосы этого вида имеют высокий коэффициент преобразования (до шести), обладают высокой эффективностью и надежностью вне зависимости от региона. Так что, если возле вашего дома есть озеро или пруд, — это идеальный вариант. Разумеется, при условии, что вы готовы заплатить за водный ТН на 20% больше, чем, к примеру, за грунтовый.

Воздушные системы — самый доступный по цене и простой в установке вид теплового насоса. Для его монтажа нужно лишь установить наружный блок и соединить его трубками с внутренним. Соответственно, не приходится, как в случае с другими видами ТН, бурить скважины или закапывать земляной контур. Наружный блок может устанавливаться на крыше, стене дома или на грунте на специальной основе. К недостаткам воздушных тепловых насосов относят ограниченный диапазон рабочих температур (от минус 7 до минус 150) и невысокий коэффициент преобразования (от двух до четырех в зависимости от температуры воздуха). При сильных морозах на стороне испарителя не хватает энергии для испарения фреона, и насос перестает работать. Также при низких температурах на теплообменнике может образовываться лед, что приводит к ухудшению теплопередачи, а в итоге поломке как вентилятора, так и самого испарителя. Для размораживания теплообменника применяется горячий фреон, а это ухудшает и без того невысокий коэффициент преобразования. Такое оборудование прекрасно функционирует в южных регионах Украины, где климат максимально мягкий, а зимы теплые, но не подходит для остальных областей.

Тепловые насосы могут использовать не только грунтовое, водное и воздушное тепло, но и искусственные источники — канализационные стоки, промышленные сбросы, тепло технологических процессов и пр. Такие источники особенно эффективны для промышленных ТН. Идеальная схема — это когда производственный процесс базируется на активном использовании воды. После того как она сливается, ее тепло отбирает тепловой насос. Таким образом, получается замкнутый цикл, и сроки окупаемости системы минимальны, порядка одного года.

Как избежать потерь

Продукция известных мировых марок мало отличается по техническим характеристикам, поскольку в ее производстве используют комплектующие одних и тех же предприятий. Основной узел ТН, определяющий его эффективность и надежность, компрессор, как правило, выпускают японские фирмы, такие как Mitsubishi, Daikin, Sanyo, Hitachi и др. Ресурс этого оборудования составляет не менее 100 тыс. часов, что соответствует 15–25 годам. Заметное влияние на стоимость оборудования оказывает комплектация, наличие дополнительных опций, тип используемого фреона (применение экологически безопасного R410-a удорожает устройство на 10–15%).

Производят тепловые насосы и отечественные предприятия (например, "ВДЕ-Украина", компания "Атмосистемы"), но такой продукции на рынке немного. Дизайн наших устройств проще, чем у зарубежных аналогов, но украинские насосы обладают двумя неоспоримыми преимуществами: более низкой ценой (на 10–15%) и адаптацией к климату Украины (рассчитаны на эффективную работу при более низких температурах). При этом качество нашей техники довольно высокое.

Выбрать тепловой насос так, чтобы не замерзнуть и не разориться, не будучи специалистом, сложно, но есть параметры, которые довольно легко самостоятельно рассчитать. Прежде всего, необходимо определиться с мощностью устройства — зависит от тепловой нагрузки дома. В стандартных решениях этот показатель устанавливают, принимая во внимание, что отопительная нагрузка для одного квадратного метра при высоте потолков в 2,5 м составляет 50 Вт (температура в помещении будет порядка +22). Обычно расчеты по тепловой нагрузке выполняются исходя из нормативных температур для помещений, однако реальные показатели очень индивидуальны, поскольку пожелания людей существенно различаются. Повышение комнатной температуры на один градус увеличивает соответственно расход энергии на 5–6% в год.

Можно существенно сэкономить на установке теплового насоса, хорошо утеплив дом. Наиболее распространенные причины потери тепла — отсутствие тепловой изоляции над потолком, наличие мостиков холода у окон. Если изолировать эти зоны, для обогрева помещения потребуется тепловой насос гораздо меньшей мощности. Так, например, если для обеспечения нужд дома в 300 кв. м с высокими показателями теплопотерь продавцы рекомендуют ТН в 25–30 кВт, то для хорошо изолированного помещения достаточно будет устройства в 12 кВт. Причем, даже учитывая высокие затраты на дополнительную теплоизоляцию, провести ее экономически целесообразно. Разница в конечной стоимости установки насосов разных мощностей значительна, она может покрыть 60–80% расходов на утепление и отделку дома. Желательно также, чтобы дом был оборудован современной низкотемпературной системой отопления (например, водным "теплым полом", панельными радиаторами с повышенной теплоотдачей с единицы площади).

Учитывая, что теплонасосы разных фирм отличаются степенью комплектации и объемами работ при установке, стоит обратить внимание на общую стоимость системы с монтажом. Некоторые производители не укомплектовывают ТН циркуляционными насосами, которые продают отдельно. Или требуют использования теплоносителя (антифриза) исключительно собственного производства, цена которого значительно выше альтернативной, и т. д. Основополагающее значение имеет правильный монтаж устройства. И не только потому, что это почти половина стоимости всей системы. Малейшие огрехи приведут к неэффективной работе оборудования, и оно быстро выйдет из строя. Поэтому стоит обращаться лишь к услугам давно работающих на рынке монтажных организаций. Причем в их активе должно быть несколько проектов по установке именно тепловых насосов.

Экономическая эффективность

Главные составляющие стоимости установки — это цена оборудования, монтажа и пусконаладочных работ. Цена для бытовых систем составляет порядка 700–1 тыс. евро за 1 кВт мощности, для промышленных установок — 150–300 евро за 1 кВт. Самые дешевые — это воздушные установки (700 евро для бытовых и 150–200 евро за 1 кВт для промышленных систем). Наиболее дорогие водные модели — от 1 тыс. евро за 1 кВт для частных и от 300–400 евро для промышленных тепловых систем.

Поскольку монтаж требует высокой квалификации и предполагает значительный объем работ (по времени это примерно три–четыре недели), то и обходится он недешево, примерно в 40% от стоимости всей системы. Пусконаладочные затраты (проверка работы системы в целом, установка контройлера, отвечающего за работу всех программ, в том числе температурных) составляют что для бытового, что для промышленного оборудования примерно 700–800 евро. Следует принимать во внимание и эксплуатационные затраты при использовании ТН (речь идет о потребляемом электричестве). Поскольку теплонасосное устройство стоит недешево, а тарифы на энергоносители в Украине все еще существенно ниже европейских, то и сроки окупаемости тепловых насосов будут достаточно высокими. Для бытовых систем это семь–девять лет, для промышленных — три–четыре года (чем мощнее установка, тем быстрее она окупается). Как показывает практика, наиболее экономически выгодно использовать насосы в бизнесе, поскольку тарифы на энергоносители для юридических лиц выше, чем для частных (по газу — в два раза, по электроэнергии — втрое).

Дешевле всего бытовые насосы обойдутся владельцам частных домов и коттеджей в южных регионах — можно использовать относительно недорогие и простые в монтаже воздушные установки. Пользователи утверждают, что вырабатываемого ими тепла хватает даже в зимний период года. Жителям более прохладных регионов придется выбирать между более дорогими грунтовыми и водными устройствами. Как бы то ни было, применение тепловых насосов весьма эффективное вложение средств, в том числе в условиях нашей климатической зоны.

Продавцы о тепловых насосах

Александр Крайнюков, директор компании "Термоимпульс"

Можно сформулировать два основных требования к дому, который планируется отапливать тепловым насосом. Первое — максимально низкие удельные теплопотери здания, не более 70 Вт/кв. м. Для сравнения, удельные теплопотери панельных жилых домов, построенных во времена СССР, составляют около 150 Вт/кв. м, а новые термодома в Западной Европе имеют удельные теплопотери около 30–40 Вт/кв. м. Так что, прежде чем устанавливать отопительное оборудование, нужно сделать качественную теплоизоляцию дома. Второе — оборудование домов современной низкотемпературной системой отопления (например, водный "теплый пол", панельные радиаторы с повышенной теплоотдачей с единицы площади).

Для нашей страны целесообразно применение тепловых насосов, использующих тепло грунта и подземных вод, поскольку даже в самые сильные морозы глубже двух метров под землей температура не опускается ниже плюс двух-трех градусов, а на глубине 10 м весь год стабильно около плюс 10, и это действительно неисчерпаемый источник тепла. Воздух зимой, конечно, значительно холоднее грунта. Поэтому насосы, извлекающие тепло из воздуха, будут экономически эффективны или в межсезонье или только в самых южных районах Украины.

Я бы не советовал при принятии решения о покупке оборудования серьезно воспринимать рекламные уловки продавцов, которые, к примеру, говорят, что "наш воздушный тепловой насос, благодаря особой технологии производителя, будет работать и при минус 250". Да, он действительно будет работать, но когда при такой температуре потребуется нагреть воду в системе отопления до 550, коэффициент преобразования будет около 1,5. В таких условиях не рекомендуется долго эксплуатировать тепловой насос, так как его компрессор будет подвергаться экстремальным нагрузкам и может выйти из строя.

Андрей Говоров, директор ООО "ВДЕ-Україна"

Окупаемость тепловых насосов зависит от многих факторов. Целесообразнее всего их устанавливать в новостройках и изначально закладывать систему в проект дома. Таким образом можно избежать 40% дополнительных расходов, необходимых в случае инсталляции оборудования в здание с другими источниками отопления — газовым или электрическим котлом. В этом случае к отопительной системе, как правило, присоединяется тепловой насос с воздушным испарителем. Его КПД составит в этом случае один к трем (затрачивается 1 кВт энергии, производится 3 Квт). Сроки окупаемости для бытового оборудования составляют в среднем четыре года. Чем больше мощность тепловых насосов, тем быстрее они "отобьют" вложенные средства. Соответственно, наибольшая экономия и быстрые сроки окупаемости не у бытовых, а у промышленных систем, мощность которых стартует от 50 кВт. Если применять такие тепловые насосы в производственном цикле, они могут окупиться за один год, если использовать исключительно для обогрева помещения, за два-три года.

Цена всей системы как минимум на 40% складывается из монтажных работ. Очень важно, чтобы выбранная вами фирма занималась именно установкой тепловых насосов, для этого необходимы специальные знания. Попросите показать хотя бы несколько проектов, реализованных этой компанией.

Александр Кирпиченков, специалист отдела тепловых насосов, ООО "Научно-производственная фирма "Экотепло"

Рациональный выбор теплового насоса сводится в первую очередь к выбору самого главного — доступного источника тепла. Каждый источник имеет как достоинства, так и недостатки. Конечно, самый дешевый и самый простой с точки зрения монтажа — это воздух. Наиболее выгодны воздушники для установки в южных регионах, в Крыму. Кроме того, специальные низкотемпературные модели ТН могут быть полезны и выгодны для отопления зданий в густо застроенных городах, таких как Киев — там, где рядом с объектом нет других доступных источников тепла. Все воздушные тепловые насосы имеют и недостаток - сравнительно невысокий коэффициент преобразования (СОР), особенно при понижении температуры. Именно поэтому в большей части Украины имеет смысл устанавливать системы с источником тепла "вода" или "грунт". Грунтовый источник — самый стабильный и самый предсказуемый в работе, поскольку температура грунта ниже глубины промерзания — практически не изменяется, но этот вариант требует наличия свободного участка земли. Кроме того, установка такого оборудования достаточно затратная из-за земляных работ. Водяной источник тепла имеет самые высокие коэффициенты преобразовании при работе теплового насоса. Он дешевле по сравнению с устройством грунтового теплообменника, но менее предсказуемый. Как правило, заказчик не знает наперед, есть ли у него подземные воды на участке, на какой глубине они находятся, а самое главное какой дебит сможет обеспечить будущая скважина.

Покупатели о тепловых насосах

Анатолий Мамеенко, директор ООО "Агроюгокооперация"

Наша компания решила установить в прошлом году тепловой насос в тепличном хозяйстве, расположенном в Киевской области. Преследовались две цели: охлаждать помещение летом для обеспечения в нем круглогодичного микроклимата и уменьшить затраты на отопление зимой (теплицы отапливались электрическим котлом). Были установлены два тепловые насоса производства швейцарской фирмы Elco (серия Aquatop) типа "вода-вода" суммарной мощностью 100 кВт. Для обеспечения их работы пробурены две скважины (открытый контур). Прошлым летом тепловые насосы работали на охлаждение, поддерживая в теплицах комфортную температуру плюс 24. Зимой затраты на электричество упали примерно в три раза, электрический котел при этом практически не включался. Ранее за зиму платили немногим менее 200 тыс. грн. за отопление, прошлой зимой (после установки тепловых насосов), несмотря на сильные морозы отопление обошлось в 67 тыс. грн. Нужно отметить, что все-таки для тепловых насосов важен периодический контроль и уход, ведь скважины имеют свойство время от времени забиваться. Считаем, что тепловые насосы уже себя окупили, так как альтернативные варианты, вроде установки кондиционерных системы "чиллер-фанкойл" были сравнимы по стоимости с тепловыми насосами, но не обеспечивали помещение дешевым теплом зимой.

На самом деле реальную окупаемость тепловых насосов посчитать сложно, поскольку ее необходимо соотносить с другим вариантом, который обеспечивает аналогичную функциональность. В данном случае не существовало такого варианта, поскольку электрические котлы не могут летом охлаждать, а система "чиллер-фанкойл" не может зимой отапливать. ТН же выполняют обе задачи, поэтому посчитать срок окупаемости в конкретном случае не представляется возможным. В целом мы очень довольны тепловыми насосами и будем рекомендовать их установку нашим партнерам.

Гульнара Немчина, с. Забирье, Киевская область

Мы приняли решение установить тепловой насос в наш дом (700 кв. м и закрытый бассейн 120 куб. м) в 2007 г. К тому времени дом был уже построен и отапливался газовым котлом, однако за газ приходилось выкладывать значительные суммы (даже по прежним тарифам). Обратились к специалистам и, согласно сделанным ими расчетам, наиболее выгодной для нас оказалась установка теплового насоса типа "вода-вода" мощностью 25 кВт для подогрева воды бассейна и отопления всего дома в межсезонье. Монтажники пробурили неглубокую скважину для подачи воды, с которой снималось тепло, и проложили специальную дренажную систему, через которую вода уходила обратно в грунт. Установили тепловой насос американской фирмы Climate-Master, имеющий трубчатый теплообменник, который меньше подвержен забиванию грязью и, следовательно, лучше подходит для подачи грунтовой воды. 

Эффект был получен незамедлительно: помимо снижения общего расхода газа примерно на 30%, мы еще перешли в более низкую категорию по тарифной шкале потребления газа за год, что позволило снизить стоимость отопления примерно в два раза. Кроме того, когда в позапрошлом году зимой вышел из строя газовый котел, до его починки весь дом отапливался тепловым насосом. Для создания комфортной температуры его мощности не хватало, но поддержание +15 тепловой насос обеспечил. Где-то в середине марта (зависит от температуры на улице) газовый котел полностью отключается. И все отопление дома переходит на тепловой насос, просто иногда приходится переключать его на подогрев воды в бассейне.

Из недостатков могу отметить только один: часто забивался фильтр скважины, но после того, как его поменяли на аналог с более крупной сеткой, вопрос был решен (хотя периодически и его нужно промывать). Установка теплового насоса (оборудование и работа) обошлась порядка 140 тыс. грн. и, по нашим расчетам, окупится через два года.