Вторая жизнь солнечного тепла (часть 2)

Продолжение. Начало статьи - читать

Вертикальный грунтовый зонд
Грунт на глубине 15 м и ниже от поверхности земли имеет зимой и летом одну и ту же температуру, близкую к 8 °С. При создании грунтового зонда трубопровод опускают в скважину, в последующем бетонируя её специальным раствором повышенной теплопроводности. Если более глубокие слои грунта имеют худшие показатели теплосъёма или на первый план выходят соображения экономии средств, целесообразнее бывает пробурить несколько неглубоких скважин; главное - получить в сумме расчётную глубину. Погонная теплоотдача грунта падает с началом эксплуатации зонда, но постепенно стабилизируется и через пять лет почти достигает исходных величин. Среднее значение погонной теплоотдачи с метра длины зонда составляет 50-60 Вт. Так, для теплового насоса производительностью 10 кВт потребуется скважина глубиной до 200 м.

Горизонтальный грунтовый коллектор
Горизонтальный коллектор зарывают в землю на 20 см ниже глубины промерзания, чаще всего укладывая его змейкой. Минимальное расстояние между петлями - 0,6-1,0 м. При каменистой почве под коллектором устраивают песчаную подушку, а сверху засыпают мягким грунтом, чтобы избежать повреждения трубопровода. Желательно, чтобы грунт
был влажным, в идеале - с близкими подземными водами. Если он сухой, длину коллектора придётся увеличить. Ориентировочное значение удельной теплоотдачи грунта составит 20-30 Вт/м2, и для теплового насоса производительностью 10 кВт понадобится до 500 м трубопровода.
Горизонтальный коллектор можно уложить на площади земли от 4 до 6 соток, при этом и ландшафт, и плодородность почвы останутся без изменений, но строить что-либо или сажать растения с глубокими корнями и густой развесистой кроной на данном участке нельзя.

Подземные воды (колодезные скважины)
Грунтовые воды являются наиболее эффективным источником тепла, поскольку их постоянная в течение года температура 5-8 °С обеспечивает самую высокую среди всех используемых сред теплоотдачу. Делают две скважины, располагая их на расстоянии не менее 5 м друг от друга, - для подачи воды и для сброса её после теплового насоса. Из первой грунтовые воды подаются в установку с помощью погружного насоса, а затем через вторую вновь попадают в грунт. При монтаже такого теплового насоса дебит подающей скважины на глубине 15 м должен быть достаточным и она должна находиться выше по течению подземных вод, чем вторая скважина. При подаче воды с большой глубины или при производительности установки свыше 30 кВт насос потребляет довольно много электроэнергии, качество воды зачастую не соответствует требованиям (понадобится монтаж и регулярное техническое обслуживание испарителя), а дебит скважины с течением времени может снизиться.

Водоём
При использовании в качестве источника энергии ближайшего водоёма трубопровод укладывают на дно. Но есть три обязательных условия - водоём должен быть проточным, не промерзать до дна зимой и иметь достаточный объём воды. На погонный метр трубопровода устанавливают около 5 кг груза для исключения всплытия. Ориентировочное значение погонной теплоотдачи составит 35 Вт/м, и для производительности 10 кВт придётся уложить трубопровод длиной порядка 300 м.

Атмосферный воздух
Как и кондиционер, работающий в режиме нагрева, тепловой насос сокращает потребление энергии на подачу тепла и горячей воды в дом до 75%, но при температуре атмосферного воздуха выше -10 °С. В случае более низких температур установка ступенями подключает электрические ТЭНы, поэтому её энергоэффективность постепенно падает. А при морозах от -20 °С работает только электрический нагрев.

Конструкция установки
Согласно общепринятой классификации климатического оборудования, установку для теплового насоса с жидкими теплоносителями в наружном и внутреннем контурах и способностью работать в режимах нагрева и охлаждения правильнее назвать реверсивным чиллером с водяным охлаждением. При небольшой мощности она обычно содержит все необходимые функциональные компоненты: циркуляционный насос наружного контура с реле давления, конденсатор, испаритель, компрессор, дроссельный клапан, насос системы отопления дома, контроллер. Иногда также имеется встроенный водонагреватель объёмом 150-180 л и/или контур пассивного охлаждения, электронагреватель. Остаётся подключить к установке три контура: наружный - для съёма тепла из окружающей среды, внутренний - для отопления жилища и, в случае надобности, контур для приготовления горячей воды.

Типовые величины теплоотдачи основных видов почвы при горизонтальной укладке трубопровода*

Свойства почвы	Удельная теплоотдача, Вт/м2
Связный грунт с остаточной влажностью	30
Несвязный грунт сухой	10
Связный грунт влажный	20-30
Видонасыщенный песок, щебень	40

'При коэффициенте теплопередачи 4, глубине укладки 1,5-1,7м и ежегодном времени теплосъёма до 1800 ч.

Буферный накопитель воды обеспечит устойчивую работу системы отопления, а кроме того, позволит максимально использовать дешёвый ночной тариф оплаты электроэнергии, чтобы покрыть в дневное время (частично либо полностью) потребность в тепле за счёт содержащейся в накопителе тепловой энергии. Важно применять при создании установок проверенные годами схемные решения, а также рассчитанный с запасом и грамотно исполненный контур съёма тепла.

Дополнительный электронагреватель
В тепловом насосе, как правило, предусматривают электронагреватель. Каково его назначение? Дело в том, что номинальную мощность установки рассчитывают исходя из максимальной потребности в тепле, то есть для покрытия тепловой нагрузки в самый холодный зимний день в году. Так, для Санкт-Петербурга, например, минимальная расчётная температура -26 'С. Однако, согласно многолетним наблюдениям, количество дней с такой температурой за отопительный период невелико, соответственно создавать контур съёма тепла на максимальную мощность будет неоправданно дорого.
Для выбора соотношения мощностей теплового насоса и электронагревателя строят интегральный график. Из него следует, что при поступлении тепла от двух источников - теплового насоса, работающего с номинальной мощностью, например, 60% от расчётной нагрузки, и электронагревателя, первый за год даст приблизительно 92% тепловой энергии, а второй - около 8%. Такое распределение выбрано потому, что производство тепла первым источником стоит дешевле. Это позволяет снизить капитальные затраты и срок окупаемости всей установки. Определяющим фактором окажется не стоимость самих устройств, а величина расходов на создание наружнего контура съёма тепла с земли либо воды (если источником тепла служит вода, затраты на энергопотребление повысятся за счёт включения в систему всасывающего насоса).

Основные правила обеспечения высокой энергоэффективности
При использовании теплового насоса необходимо соблюдать три правила:
1. Дом следует хорошо утеплить - теплопотери не должны превышать 80 Вт/м2. Чем лучше теплоизолировано здание, тем экономичнее работа теплового насоса. Именно по этой причине его часто устанавливают в пассивных домах (№ 3-4 журнала «Новый Дом» за 2009 г.).
2. Чем значительнее разница температур теплоносителей на входе и выходе установки, тем меньше коэффициент Ктп - за счёт большего расхода электроэнергии. Поэтому выгоднее подключать тепловой насос к низкотемпературным системам отопления - водяному полу или рекуператору приточно-вытяжной вентиляции.
3. Бивалентная схема с дополнительным генератором тепла «выравнивает» энергоэффективность установки в течение года. Поскольку количество действительно холодных дней не превышает 10-15% от длительности отопительного сезона, то производительность теплового насоса обычно берут равной 75-80% от расчётной на отопление. Она будет покрывать все потребности дома в тепле до тех пор, пока уличная температура не опустится ниже определённого уровня (температуры бивалентное), например -10 °С. С этого момента в работу включается второй генератор тепла и микроклимат в коттедже поддерживается двумя одновременно работающими установками.
Первоначальные затраты на тепловой насос и монтаж системы (без коллектора) составят от 7000 до 21 000 руб./кВт при сроке окупаемости 5-9 лет. По экономичности эксплуатации он уступает лишь газовому котлу, а применение его вместо электроотопления даёт почти четырёхкратную экономию. Что же касается экологичности, то тут тепловой насос бесспорный лидер.

О том, что нагрев воздуха в помещении с помощью кондиционера или чиллера более экономичен сточки зрения расходования первичных энергоресурсов, мы уже не раз писали в обзорах о климатических системах. Для определения эффективности работы кондиционера даже не используют хорошо известный из школьного курса физики показатель КПД (коэффициент полезного действия), отражающий потери энергии при переходе её из одной формы в другую. Работу теплового насоса оценивают с применением другого показателя - коэффициента теплопередачи Ктп, равного отношению энергии в киловаттах передаваемого воздуху тепла (холода) к потребляемой при этом от электросети и аналогичного коэффициенту энергоэффективности кондиционера (СОР или EER соответственно). У самых энергоэффективных тепловых насосов он достигает величины четыре и более, причём его значения в режиме нагрева несколько выше, чем в режиме охлаждения.