Солнечные коллекторы и тепловые насосы. Тепло без огня?..

Для отопления, особенно в условиях индивидуального строительства, обычно используют печи или котлы, потребляющие сгораемое топливо. Гораздо реже применяют электрический обогрев — дороговато. Но есть и более экономичные устройства, не требующие серьёзных затрат электроэнергии и не нуждающиеся в сгораемом топливе. Это солнечные коллекторы и тепловые насосы. Первые используют больше в качестве источников для создания системы ГВС, вторые могут работать и как основной источник отопления. В сложных системах их можно применять и совместно, и с другими видами теплогенераторов.

СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ

Технически подавляющее большинство солнечных коллекторов устроено довольно просто. Плоский короб, наиболее популярный размер примерно 1х2 м, накрыт сверху стеклом. Внутри находится медная трубка, по которой течёт жидкость, с приваренными к ней пластинами — абсорберами. Под ними — слой теплоизоляции (минеральной ваты). Уловленная абсорберами солнечная энергия передаётся трубке. Достаточно установить такую панель на солнце, подключить её к бойлеру, добавить циркуляционный насос для прокачки теплоносителя — и можно собирать тепловую энергию. Примерно так и выглядит большинство схем установки солнечных коллекторов. Конечно, число панелей может меняться, кроме жидкости в бойлере, нагревать можно, к примеру, воду в бассейне, но общий принцип понятен: система требует энергии только на управление и работу циркуляционного насоса (есть схемы, исключающие насос).

Для эффективного сбора тепловой энергии с помощью солнечных коллекторов важно качество исполнения: при изготовлении панелей применяют стёкла высокой прозрачности, селективное покрытие абсорбера и ряд других «мелочей». Такие панели способны собрать до 95 % тепловой энергии, с учётом потерь имеют КПД порядка 80 % и могут применяться даже зимой, при морозе минус 15–20 °C.

Для работы в северных районах как вариант можно использовать более сложные, но и более эффективные разновидности солнечных коллекторов — вакуумные. Их трубки сделаны по принципу термоса и изготовлены из высококачественного оптического стекла, наружная колба прозрачна, внутренняя — зачернена, внутри «термоса» находится теплопередающая трубка. Конструкции могут быть разными, но эффективность выше: тепловые потери через «термос» минимальны. По сравнению с плоскими панелями такие модули получаются сложнее и дороже, но вакуумные коллекторы собирают тепла примерно в 1,2–1,4 раза больше, хорошо работают зимой, к тому же способны получать энергию от рассеянного и отражённого света (в облачную погоду и от снежного наста).

В жаркое время года может оказаться, что система солнечных коллекторов вырабатывает даже слишком много тепла, больше, чем требуется. Это не очень серьёзная проблема, но возможно явление стагнации: «собирать» тепло уже некуда и незачем, насос остановится, а жидкость в коллекторе через некоторое время нагреется так, что начнёт кипеть. Обычно с этим борются «в ручном режиме». Можно открыть кран и слить перегретую воду или прикрыть часть панелей. Некоторые системы при возникновении угрозы перегрева автоматически сливают теплоноситель из панелей солнечных коллекторов в бак: всё равно объём этой воды измеряется буквально несколькими литрами. В более сложных системах поступают проще: избыток тепловой энергии с помощью дополнительного теплообменника сбрасывают, например, в бассейн. «Вскипятить» бассейн вряд ли удастся. Вообще говоря, чем более горячая вода требуется, тем больше и тепловых потерь, так что проблема перегрева не настолько актуальна: пока вся жидкость в бойлере нагреется до критической температуры, пройдёт много времени.

Конечно, чем холоднее, тем энергии будет меньше, и со снижением наружной температуры наступит момент, когда затраты на перекачку жидкости насосом будут больше, чем количество собранной энергии. По ночам система тоже, разумеется, работать не будет — придётся обходиться запасами воды в бойлере. Но всё равно большую часть года с помощью солнечного коллектора можно получать практически бесплатную энергию. А в несколько самых морозных дней в году, или если понадобится дополнительный нагрев воды, можно воспользоваться и другими источниками. Поэтому коллекторы чаще всего применяют в составе бивалентных систем с возможностью догрева воды с помощью ТЭНа или теплогенератора любого типа. Стоимость полученной энергии всё равно окажется меньше, чем от других источников тепла.

Системы солнечных коллекторов удобны ещё и тем, что их можно с небольшими затратами подключить к уже имеющейся системе отопления и горячего водоснабжения. В простом случае достаточно бывает заменить или ввести в систему дополнительный бойлер. Возможен вариант, когда сначала делают основную систему с заранее предусмотренной возможностью «апгрейда», а в дальнейшем дополняют её коллекторами. Впрочем, вариантов тут много.

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Этот способ отопления не требует использования сгораемого топлива. Понадобится только электроэнергия, но в количестве в разы меньшем, чем при отоплении с помощью ТЭНов. Фактически принцип действия тепловых насосов такой же, как в холодильнике, только «наоборот».

Энергия добывается из окружающей среды: воздуха, воды или грунта. В помещении или, реже, прямо на улице ставится сам насос, через него прокачивается воздух или жидкость, которые охлаждаются в насосе, а отбираемое тепло используется для нагрева теплоносителя — жидкости или воздуха. Причём нам не слишком важна температура теплоносителя наружного контура — мы просто делаем его чуть холоднее. Много тепла отбирать незачем, это приводит к возрастанию энергозатрат, проще менять скорость прокачивания теплоносителя. Таким образом мы можем греть либо теплоноситель системы отопления, либо непосредственно воздух в доме.

Соответственно и все насосы подразделяются на шесть видов: они могут отбирать тепло у воздуха, воды или грунта и независимо от источника тепла отдавать его в воздух или жидкостную систему отопления. В первую очередь указывается наружный источник тепла, во вторую — тип внутреннего теплоносителя. Основная характеристика насоса — его эффективность (СОР: Coefficient Of Performance), т. е. отношение тепловой производительности к затратам энергии. Тут могут указываться разные значения: энергопотребление только компрессора, всей системы или даже некий «средний» с учётом работы дополнительных ТЭНов. Чтобы понять особенности встретившейся методики подсчёта, надо посмотреть их в соответствующем стандарте. А в общем, несколько значений СОР указывается в основных параметрах любого теплового насоса, при разных температурах источника тепла и теплоносителя, подаваемого в помещение. Найти несложно, это строка, в которой есть что-то типа «А–7/W30», в ней заодно указан и тип насоса: А — «воздух», W — «вода», В — «грунт» (или «рассол» — конечно, эта буква может встретиться только в первой части обозначения), а цифра — температура. Кстати, «–7» означает именно –7 °C, а не +7, как можно подумать на первый взгляд.

Наиболее эффективны в наших условиях грунтовые насосы, получающие энергию от земли. Тут есть два варианта создания первичного теплообменника — системы труб для отбора тепла у земли. Если использовать тепло верхнего слоя почвы, прогреваемого солнцем, нам потребуются масштабные земляные работы на значительной площади, но копать придётся на небольшую глубину — 2-3 метра. Для этого нужен участок площадью в сотни квадратных метров, свободный от строений и деревьев, словом, без тени. Это так называемые грунтовые коллекторы.

Немного дороже обойдётся вертикальное бурение (грунтовые зонды), зато и свободная площадь им нужна небольшая. Чтобы отопить дом среднего размера, потребуются зонды общей глубиной в несколько сот метров. Точный расчёт напрямую зависит от типа грунта, а стоимость бурения — от глубины. Для сокращения затрат пробуривают несколько зондов глубиной 50–100 метров неподалёку друг от друга. Температура на глубинах, начиная от 8–10 метров, в общем, одинакова, «подпитка» теплом идёт от ядра Земли.

В обоих случаях после раскапывания или бурения укладывают теплообменник — трубу, через систему распределителей подсоединяемую к насосам, и засыпают её. Технические особенности укладки теплообменника, конечно, есть, но не будем на них останавливаться, всё равно вряд ли его будут раскапывать: срок службы исчисляется десятками и сотнями лет.

Примерно так же выглядит первичный теплообменник «водяных» тепловых насосов: его контур или «притапливают» в подходящем водоёме, или используют пару скважин: вода забирается из одной, проходит через теплообменник насоса и сливается во вторую скважину. Конечно, такую конструкцию можно использовать только там, где грунт достаточно проницаем.

«Воздушному» тепловому насосу первичный контур не нужен, воздух с помощью вентилятора подаётся прямо в первичный теплообменник самого насоса. Но он менее эффективен при низких температурах.

Примечательно, что с помощью тепловых насосов можно и собирать тепловую энергию, и отдавать её наружу для охлаждения дома в летний период (такой модуль часто предлагается в качестве опции). Различают активное и пассивное охлаждение. При активном насос работает «как холодильник» (по такому же принципу работает и кондиционер). При пассивном компрессор отключён, теплоноситель из первичного контура забирает тепло у вторичного напрямую через отдельный теплообменник. В жару вода и грунт обычно холоднее, чем воздух, так что технически это несложно.

Что касается внутреннего контура, т. е. самой системы отопления здания, то воздушное отопление стоит дешевле, но сделать с его помощью раздельное регулирование по разным комнатам вряд ли удастся. Жидкостное, наоборот, позволяет лучше регулировать температуру, что в итоге приведёт к уменьшению затрат на эксплуатацию. Рабочий коэффициент отопления для насосов — от 3-4 («воздух–») до 5-6 («грунт–»), это дешевле, чем жидкое топливо, и очень близко по цене к газовому отоплению.

Чаще всего у нас предлагаются тепловые насосы с системой жидкостного отопления, а в качестве источника энергии может использоваться и грунт, и вода, и воздух. Некоторые модели тепловых насосов и солнечных коллекторов мы рассмотрим на следующих страницах.

Ликбез опубликован в летнем выпуске журнала «Все для стройки и ремонта» серии «Потребитель» (ЛЕТО 2013)