В нашей стране, богатой месторождениями природного газа, проблемы получения тепловой энергии никогда не стояли так остро, как в странах Западной Европы. Возможно, именно поэтому в области развития альтернативной энергетики Россия намного отстает от своих западных соседей. Мы настолько привыкли к традиционным источникам тепла и низким ценам на энергоносители, что даже не задумываемся о возможности использования альтернативных систем, а возобновляемые источники энергии для большинства из нас по-прежнему остаются чем-то совершенно экзотическим и не имеющим отношения к повседневной реальности. К сожалению, запасы газа медленно, но неуклонно снижаются, цены на газ столь же неуклонно растут и вопросы получения дешевой тепловой энергии с каждым днем становятся все более актуальными.
Высокий уровень экономичности, экологической безопасности и эксплуатационного комфорта обеспечивают тепловые насосы, получившие широчайшее распространение в Западной Европе, США и Японии, но почти не известные российскому потребителю. О принципе работы, конструктивных особенностях, достоинствах и недостатках тепловых насосов мы попросили рассказать Сергея Визирова — руководителя направления «Тепловые насосы» компании ЭКО-ПРОЕКТ.
Устройство и принцип действия теплового насоса
- Давайте начнем с самого начала. Давно ли был изобретен тепловой насос?
СВ:Исследования в этой области велись достаточно давно, но только в середине XIX века английский физик лорд Кельвин, — один из основоположников термодинамики и кинетической теории газов, предложил практическую схему теплонасосной системы, названную им умножителем тепла. Эта идея была успешно реализована при создании холодильной техники и в настоящее время в каждом бытовом холодильнике работает тепловой насос, принцип действия которого был сформулирован Уильямом Томсоном (именно так звали лорда Кельвина).
- Когда тепловые насосы впервые применили для отопления зданий?
СВ:Первая установка, предназначенная для отопления и горячего водоснабжения (ГВС) с использованием тепла окружающего воздуха, была создана в Англии в 30-х годах XX века. В 1952 году в США было выпущено уже около 1000 установок такого типа, ну а массовое производство тепловых насосов, предназначенных для систем отопления и получения горячей воды, началось в конце 60-х — начале 70-х годов прошлого века.
Резкий рост интереса к геотермальным тепловым насосам был вызван энергетическим кризисом 70-х годов. В дальнейшем, спрос на оборудование этого типа начал снижаться, что было обусловлено как падением цен на нефть, так и невысокой надежностью тепловых насосов первого поколения. Вторая волна интереса к геотермальным источникам энергии пришлась на 90-е годы прошлого века, и была связана с постепенным осознанием серьезности экологических проблем, а также с новым витком роста цен на первичные источники энергии. Важную роль сыграло и появление новых технологий, внедрение которых значительно повысило надежность и эксплуатационное удобство систем отопления на базе тепловых насосов.
- Как работает тепловой насос?
СВ:Принцип действия теплового насоса аналогичен принципу работы холодильника. Он представляет собой замкнутый контур (рис.1), состоящий из испарителя, компрессора, конденсатора и расширительного клапана, связанных между собой системой трубопроводов, по которой циркулирует хладагент (фреон). Но тепловой насос, как таковой, является лишь частью системы отопления. В частности, испаритель теплового насоса 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), циркулирующему через испаритель, который, по сути, также является теплообменником.
Схема теплового насоса
Забирая тепловую энергию окружающей среды из первого контура, хладагент теплового насоса нагревается и переходит из жидкого состояния в газообразное (испаряется). Компрессор сжимает нагретый газообразный хладагент, обеспечивая его «подкачку» до более высокого температурного уровня. Следует отметить, что компрессор — единственный агрегат теплового насоса, потребляющий электроэнергию (мы не учитываем систему управления, для работы которой требуется пренебрежимо малое количество энергии).
Из компрессора горячий фреон попадает в конденсатор. Здесь хладагент отдает полученное ранее тепло в циркуляционный контур системы водяного отопления (третий контур), переходя в жидкое состояние. Остаточное давление снижается в расширительном клапане, после чего фреон возвращается в испаритель и цикл начинается заново
Типы тепловых насосов и особенности их применения
- В чем заключается принципиальное отличие тепловых насосов разных типов?
СВ: По принципу действия воздушные, грунтовые и водяные тепловые насосы не отличаются друг от друга. Отличие заключается в разнице конструкции первого контура теплообменника.
Для получения тепла от грунта, температура которого почти не подвержена сезонным колебаниям, используют грунтовые тепловые насосы или системы «солевой раствор-вода», иногда именуемые «рассол-вода». Некоторая путаница в названиях обусловлена принципом действия данной системы: тепловая энергия грунта отбирается солевым раствором (рассолом), который циркулирует по горизонтальному грунтовому теплообменнику первого контура или системе вертикальных зондов и прокачивается через испаритель теплового насоса, отдавая эту энергию хладагенту. Поскольку через тепловой насос прокачивается не грунт, а солевой раствор, название «солевой раствор-вода» все-таки представляется более правильным. Что бы окончательно запутать читателя скажем, что в действительности «солевой раствор» — это незамерзающая жидкость на основе пропиленгликоля или этиленгликоля, не содержащая соли.
Водяной тепловой насос использует энергию грунтовых вод, которые прокачиваются (или проливаются) через испаритель теплового насоса. Грунтовые воды имеют постоянную температуру и обладают высокой теплоотдачей, что и обеспечивает повышенную эффективность и стабильность системы «вода-вода».
Использование окружающего воздуха в качестве источника тепловой энергии не требует устройства дополнительного контура для сбора низкопотенциального тепла, поэтому первоначальные затраты на установку теплового насоса «воздух-вода» гораздо ниже, чем для других типов тепловых насосов. Однако низкая температура воздуха в зимний период значительно снижает эффективность воздушного теплового насоса в холодное время года (в сравнении с тепловыми насосами других видов).
- В каких случаях выгоднее использовать насос того, или иного типа?
СВ: С точки зрения эффективности наиболее предпочтительным является тепловой насос, использующий энергию подземных грунтовых вод («вода-вода»). Но для использования установки такого типа необходимо наличие под участком достаточного количества грунтовых вод (для стандартного коттеджа площадью 200—300 м2 объемный расход воды должен составлять примерно 2—3 м3/час), причем крайне желательно, чтобы водоносные слои находились сравнительно неглубоко (30—40 м). Совпадение этих двух параметров случается нечасто. Обычно водоносные слои требуемой производительности располагаются достаточно глубоко, а слои мелкого залегания (10—20 м), как правило, не способны обеспечить требуемый дебит.
Еще одно условие, ограничивающее возможность использования энергии грунтовых вод — это качество воды. Высокое содержание грязи или железа приводит к тому, что теплообменники будут быстро забиваться, и техника выйдет из строя. Впрочем, вопрос качества воды не является определяющим. Существуют некоторые инженерные решения, позволяющие обойти эту проблему. В частности, возможно применение не пластинчатых, а трубчатых теплообменников, которые отличаются значительно большими проходными сечениями, а потому не столь чувствительны к качеству воды.
Тем не менее, как я уже говорил, совпадение этих параметров встречается не часто, поэтому из более чем 120 объектов, реализованных нами в России, всего три объекта малоэтажного строительства оборудованы установками типа «вода-вода». И это не смотря на то, что обычно мы предлагаем заказчику в первую очередь рассмотреть вопрос реализации именно водяного теплового насоса, как самого эффективного.
- Где расположены эти объекты?
СВ:Объекты с насосами «вода-вода» находятся в Московской области, но если говорить в общем — география наших объектов очень обширна, причем большая их часть находится не в Москве, а в Ленинградской области.
- Под Петербургом тоже нет условий для использования установок «вода-вода»?
СВ: Санкт Петербург, как известно, построен на болотах. И это действительно так: в Ленинградской области достаточно теплые водонасыщенные горизонты располагаются на глубине всего 1,5—2 м. Водонасыщенность данных горизонтов недостаточна для обеспечения работы систем «вода-вода», но условия в этой местности прекрасно подходят для использования горизонтальных грунтовых (солевых) коллекторов. Устройство таких коллекторов не требует проведения буровых работ, это достаточно дешевый вариант, поэтому практически все наши петербургские объекты оборудованы установками с горизонтальным грунтовым контуром. Это тот самый редкий случай, когда вопрос реализации систем «вода-вода» даже не рассматривается, поскольку технология устройства горизонтальных коллекторов в данном регионе отработана до мелочей.
- Степень отработанности технологий влияет на стоимость системы в целом?
СВ:Конечно! Мнение, что тепловые насосы — дорогое удовольствие, в значительной степени обусловлено тем, что комплексное предложение, включающее в себя не только стоимость собственно теплового насоса, но и работ по его установке, запуску, а также сопровождающих работ нередко исходит от фирм, которые выполняют эти операции в первый раз. При этом практика показывает, что сильнее всего «задирают» ценник буровые работы, которые закладываются в смету по тем же расценкам, что и бурение на воду.
- Буровые работы для обеспечения работы систем «вода-вода» дешевле, чем обычное бурение на воду?
СВ: Технология бурения отличается принципиально, и те наши партнеры, которые имеют опыт геотермального бурения, выполняют работы по расценкам, которые в 2,5— 3 раза ниже (в пересчете на погонный метр), чем бурение на воду.
- Могут ли геотермальные скважины по совместительству выполнять функции источника питьевой воды?
СВ: Теоретически это возможно, но на практике почти не применяется. Поднимать каждый час 2-3 т воды с глубины, например, 120 м экономически невыгодно.
- Второе место по рентабельности занимает солевой насос?
СВ: Рентабельность — понятие достаточно сложное и неоднозначное. Она зависит от многих факторов, поэтому системы разных типов можно сравнивать по эффективности, которая не зависит, например, от тарифов, но сравнивать их рентабельность нельзя. Чуть позже мы вернемся к этому вопросу.
Грунтовый тепловой насос — достаточно универсальная система, которую можно использовать практически повсеместно. Существует две разновидности грунтовых теплообменников: горизонтальный коллектор и геотермальный зонд. Горизонтальный коллектор занимает сравнительно большую площадь. Так, например, для обеспечения теплом двухсотметрового коттеджа потребуется коллектор площадью 4-6 соток, состоящий из труб, уложенных на глубине 1,5—2 м. Трубы размещают в специально вырытых траншеях, либо укладывают их в процессе серьезных ландшафтных работ, связанных со снятием и перемещением толстых слоев грунта. На территории, занятой коллектором, не существует ограничений на посадку кустов и деревьев, но никакая застройка на этой площади не допускается. Основная причина заключается в том, что естественное нагревание 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.
- Геотермальные зонды не накладывают таких ограничений?
СВ: Геотермальные зонды — это тот же самый теплообменник, трубы которого расположены не горизонтально, а вертикально. В зависимости от потребной мощности количество зондов может варьировать в очень широких пределах: от 2-3 для обычного коттеджа, до 200-300, то есть целое скважинное поле, — для объектов, тепловая потребность которых измеряется в мегаваттах (МВт).
- При сравнимых характеристиках теплового насоса геотермальные зонды дороже горизонтального коллектора?
СВ: Важнейшее преимущество геотермальных зондов 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. Единственный недостаток — высокая стоимость буровых работ, которая обычно сравнима со стоимостью оборудования.
- Можно предположить, что из-за высокой стоимости устройства геотермальных зондов эти системы не пользуются большим спросом.
СВ: Ошибаетесь! В Московской области подавляющее большинство реализованных проектов приходится именно на долю систем с вертикальными коллекторами. Это, действительно, дорогой вариант, но он работает всегда и везде, и, ко всему прочему, обладает чуть большей эффективностью, чем теплообменник в виде горизонтального коллектора.
- Как влияет на работу грунтовых теплообменников вымораживание грунта?
СВ: Как я уже говорил, в нашем климате грунт полгода вымораживается, а затем в теплое время года восполняет запас тепловой энергии. Для горизонтального коллектора это восполнение происходит за счет внешних факторов (солнечная инсоляция и дождевые осадки), а для геотермальных зондов — по большей части за счет неких внутренних (глубинных) резервов. Проблемы с вымораживанием могут возникать только у горизонтальных коллекторов, и только в тех случаях, когда объем и площадь этого коллектора рассчитаны неправильно.
- Известно, что начиная с определенной глубины, температура грунта всегда остается положительной.
СВ: Да. Но только до тех пор, пока не подключили тепловой насос. На глубинах свыше 10 м температура грунта стабильно держится на уровне 8—9 0С, но при включении теплового насоса она начинает понижаться, и при правильно выполненном расчете за отопительный период температура вблизи зонда постепенно опускается до 0— -20С. При неправильном проектировании она может упасть и до -100С, что приводит к выключению тепловых насосов (ограничение по температуре источника тепла).
- На протяжении летнего периода температура грунта восстанавливается до тех же 8—9 0С?
СВ: Под влиянием атмосферных и климатических факторов температура должна восстановиться до указанного уровня. Но существует и еще один фактор. Тепловой насос, работающий в летнее время на охлаждение (режим кондиционирования), «закачивает» тепло, отбираемое из комнатного воздуха, обратно в грунт, способствуя его отогреванию.
- Кондиционирование воздуха в теплое время года является стандартной функцией систем отопления с тепловыми насосами?
СВ: Не обязательно. Существуют модификации тепловых насосов, имеющие внутреннее решение, которое обеспечивает не только отопление, но кондиционирование здания (модели с добавкой Cool в названии). Второй вариант — это некое инженерное решение вне теплового насоса, реализуемое при сборке котельной. То есть путем создания соответствующей гидравлической развязки обычный тепловой насос можно использовать для работы на охлаждение. Оба варианта не отличаются сложностью (с технической точки зрения) и не требуют больших капиталовложений. Основная проблема связана с тем, что обычные отопительные приборы радиаторного типа не пригодны для охлаждения воздуха, и эффективное совмещение функций отопления и кондиционирования в одной системе возможно только в случае использования обдуваемых воздухом теплообменников (фанкойлов).
Существует и другой вариант совмещения отопления/охлаждения, подразумевающий использование панельных систем, наиболее известным представителем которых является так называемый «теплый пол», а дальнейшим развитием — «теплые стены» и «теплые потолки».
И все же для охлаждения в жаркое время года теплый пол малопригоден. Во-первых, это не комфортно, а во-вторых — мощности теплового насоса, скорее всего, будет недостаточно. Для охлаждения нужно использовать панели, расположенные на стенах или потолке, поскольку их эффективность значительно выше.Следует отметить, что теплый пол — это техническое решение, обеспечивающее максимальную эффективность работы теплового насоса. Дело в том, что чем ниже температура теплоносителя в третьем контуре системы отопления, — тем выше эффективность теплового насоса. Для нормальной работы теплого пола вполне достаточно температуры теплоносителя 35—40 0С, а для радиаторной системы отопления требуется уже 50-70 0С, поэтому теплый пол фактически является неотъемлемым элементом системы отопления в домах с тепловыми насосами.
- Можно ли использовать тепловой насос в системе воздушного отопления?
СВ:Тепловые насосы с успехом используются как в гидравлических, так и в воздушных системах. В России, как и в Европе в целом, наибольшее распространение получили водяные системы отопления. Поэтому все европейские производители выпускают исключительно установки с тепловыми насосами типа «воздух-вода», «вода-вода» и «грунт-вода». Для США традиционной является как раз воздушная система отопления, поэтому американские компании, а также часть китайских производителей, ориентированных на американский рынок, производят тепловые насосы «воздух-воздух», «вода-воздух» и «грунт-воздух».
- Какие типы тепловых насосов наиболее популярны в нашей стране?
СВ: Исходя из собственного опыта, могу сказать, что 90-95% тепловых насосов, продаваемых в России, приходится на долю грунтовых «солевых» систем, а количество систем отопления «воздух-вода», реализованных в нашей стране, не превышает 10 штук.
- Воздушные тепловые насосы дешевле своих «грунтовых» и «водяных» собратьев. Что же препятствует их широкому распространению?
СВ: Действительно, насосы этого типа отличаются простотой установки (не нужно бурить скважины, нет необходимости в производстве масштабных грунтовых работ), а подключение насоса «воздух-вода» ни чем не отличается от подключения обычного газового котла. В отсутствие затрат на дополнительные работы воздушный тепловой насос получается дешевле (суммарно по объекту), но у него есть один существенный недостаток: обычный тепловой насос «воздух-вода» эффективно работает до температуры -20 0С. При дальнейшем понижении температуры коэффициент эффективности воздушного насоса снижается.
- Что такое коэффициент эффективности?
СВ: Коэффициент эффективности или коэффициент мощности — это основной показатель тепловых насосов, указывающий отношение полученной тепловой энергии к потребленной электрической. 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 эффективности воздушных тепловых насосов снижается с понижением температуры на улице, и если при температуре воздуха 00С эффективность системы «воздух-вода» примерно такая же, как у грунтовых систем (около 4), то при -200С значение этого коэффициента не превысит 1,5. Проще говоря, в этом режиме тепловой насос на каждый затраченный киловатт электроэнергии выдает 1,5 кВт тепловой энергии. Казалось бы, потребитель все равно в плюсе, но это не совсем так. Обычный электрический котел намного дешевле, поэтому при постоянно низком коэффициенте эффективности об окупаемости воздушного теплового насоса говорить не приходится. Кроме того, при дальнейшем снижении температуры до минимального порогового значения автоматика отключит тепловой насос, что приведет к размораживанию здания.
- В каких случаях оправдана установка воздушного теплового насоса?
СВ: Применение систем «воздух-вода» всегда оправдано при наличии еще одного (дублирующего) источника тепла, например, электрического. Дело в том, что доля холодных дней с температурой ниже -200С сравнительно невелика, поэтому большую часть года для отопления будет использоваться именно тепловой насос, а электрический котел или генератор тепла на жидком топливе будут использоваться достаточно редко.
- По-видимому, наибольший эффект от применения воздушных тепловых насосов можно получить в южных регионах РФ?
СВ: В южных регионах воздушные тепловые насосы могут применяться безо всяких ограничений. К сожалению, мы пока имеем сравнительно небольшой опыт использования тепловых насосов такого типа, и даже в относительно теплых регионах нашей огромной страны спрос на них практически отсутствует.
- В Европе тоже не любят воздушные тепловые насосы?
СВ: Исторически в скандинавских странах изначально больше обращали внимание на водяные тепловые насосы, в Германии — на грунтовые, а системы «воздух-вода» длительное время не пользовались доверием потребителей по причинам, изложенным выше. Но с тех пор изменилась не только технология (первые модели воздушных насосов работали до -10 — -150С, а современные нормально функционируют до -20 — -250С), но и отношение потребителя к тепловым насосам вообще, и к воздушным в частности. Так, например, в Германии динамика продаж систем «воздух-вода» выглядит следующим образом. В начале 2000-х годов (2003-2004 г.г.) немцы отдавали явное предпочтение грунтовым насосам, значительно меньшей популярностью пользовались системы «вода-вода», а доля воздушных тепловых насосов составляла всего около 12%. Но уже в 2009 году на долю воздушных насосов приходится более половины (52—54%) всех проданных в Германии тепловых насосов.
- Могут ли воздушные тепловые насосы использоваться для охлаждения воздуха в жаркое время года?
СВ: Для этой цели могут использоваться специальные модели воздушных тепловых насосов, незначительно отличающиеся по стоимости от обычных систем «воздух-вода».
- На сколько оправдана установка дублирующего теплогенератора в дополнение к тепловому насосу?
СВ: Если мы говорим о грунтовом или водяном тепловом насосе, то необходимость в дополнительном источнике тепла практически отсутствует. Тем не менее, многие производители нередко встраивают в свои тепловые насосы электрические нагреватели (ТЭН), позволяющие в самом крайнем случае перейти на электрическое отопление. При этом установка электрических нагревательных элементов обусловлена не низкой надежностью теплового насоса, а совершенно иными факторами. 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 -280С. При -250С потери тепла будут меньше (примерно 20 кВт), а при -100С — еще меньше. В средней полосе России экстремально холодные дни с температурой -300С и ниже случаются не так уж часто, и в такие морозные периоды вполне можно, как у нас говорят, «подтопиться» электричеством. Практика показывает, даже в нашем климате суммарная продолжительность таких экстремальных моментов обычно составляет не более 120 часов в год, причем дополнительные затраты на электрическое отопление оказываются существенно ниже, чем экономия на капитальных затратах, достигнутая за счет установки оборудования меньшей мощности. Наличие резервных ТЭНов исключает необходимость делать систему мощнее чем требуется, и избежать перерасхода электроэнергии, потребляемой грунтовым или водяным тепловым насосом. Но с практической точки зрения установка электрических нагревателей — скорее излишество, чем необходимость.
С воздушными тепловыми насосами, которые автоматически отключаются при температуре наружного воздуха -20 — -250С, — ситуация обратная: второй теплогенератор — не роскошь, а насущная необходимость. Сказанное в полной мере относится и к южным регионам РФ (включая Сочи), где расчетная температура зимнего периода -20С, а экстремальные температуры -100С — это уже бедствие. К сожалению, нельзя полностью исключить вероятность того, что в какую-то ненастную ночь температура воздуха опустится до -250С, поэтому даже в этих благодатных краях наличие второго (дублирующего) теплогенератора следует признать обязательным.
О том, как выглядит ситуация с применением тепловых насосов в разных странах ЕС и многом другом, читайте продолжение статьи "Тепловые насосы в энергетике Западной Европы и оценка целесообразности их использования в нашей стране"