Альтернативное тепло: тепловые насосы и солнечные коллекторы

Вопросы энергосбережения и экономии ресурсов в последнее время поднимаются все чаще. Еще недавно основные потребности в энергии человечество удовлетворяло за счет сжигания различных ресурсов, которые в большинстве своем относятся к невозобновляемым. Прежде всего, это, разумеется, нефть, газ, уголь и уран. Едва ли не единственным исключением является гидроэнергетика. Но ГЭС не может удовлетворить все потребности, к тому же развитие атомной энергетики сейчас находится под большим вопросом. Так уж парадоксально устроен человек: все согласны с мыслью о том, что сжигание топлива вредно для экологии, но мало кто готов сократить потребление в ущерб собственному комфорту. При этом уже несколько десятилетий ведутся разговоры о том, что запасы углеводородов когда-нибудь кончатся. Иногда называются и конкретные сроки, правда, первые из них уже прошли. Тем не менее топливо и энергия постоянно дорожают, и тенденций к обратному не наблюдается.

В любом доме основные энергетические затраты приходятся на отопление и получение горячей воды, остальные — на работу электроприборов. Сократить потребление электричества возможно, приборы каждого нового поколения гораздо более экономичны, чем их «предки». С отоплением сложнее, для снижения затрат требуется целый комплекс дорогостоящих мер, направленных на утепление жилья.

Увеличение стоимости топлива заставляет все чаще обращать внимание на альтернативные источники, которые раньше ввиду экзотичности, сложности и дороговизны практически не использовались. Все такие источники можно разделить на две группы: первая, к примеру ветряки и солнечные батареи, вырабатывает электричество, вторая собирает тепловую энергию, которая буквально «валяется под ногами» и падает на нас с неба. К ней относятся гелиостанции и тепловые насосы.

У каждой из этих групп своя «зона ответственности». Энергии, полученной от солнечной батареи и даже ветряка, вряд ли хватит для обогрева, преобразовать тепло воды в электрический ток со сколько-нибудь заметным КПД тоже не удастся. Установки, вырабатывающие электроэнергию, экономически оправданны не во всех регионах, в отличие от систем «альтернативного отопления», которые можно использовать практически везде с высокой степенью эффективности. Сейчас во многих странах Европы и США эти системы вырабатывают довольно значительную долю тепловой энергии, и этот рынок очень быстро развивается. Преимуществом таких устройств является низкая себестоимость энергии, экологическая безопасность и отсутствие вредных выбросов, а также частичная или даже полная автономность.

СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ

Гелиоустановки, т. е. устройства для получения энергии от Солнца, можно разделить на солнечные батареи, вырабатывающие электричество, и коллекторы, используемые для нагрева воды. Несмотря на все конструкторские ухищрения, КПД солнечной батареи до сих пор остается не слишком высоким. Вероятно, в дальнейшем ситуация изменится, но пока к ним прибегают крайне редко. А вот с помощью солнечного коллектора вполне реально собрать довольно ощутимое количество тепла, причем практически бесплатно.

Плоский, или плоскопанельный, коллектор
Представляет собой короб, накрытый стеклом. Внутри размещается змеевик — изогнутая медная трубка, к которой приварены пластины — абсорберы. Возможно и более сложное строение в виде параллельно расположенных трубок. Это делается для уменьшения сопротивления, возникающего при прохождении теплоносителя. Солнце нагревает пластины, те передают тепло трубке, а она в свою очередь — циркулирующей в ней жидкости. Конструкция проста, но часть энергии неизбежно рассеется в окружающий воздух за счет конвекции. Для сбора максимального количества энергии требуется обеспечить как можно большее поглощение тепла на пластинах абсорбера и уменьшить тепловые потери в самой панели. Общеизвестно, что лучше всего поглощают тепло черные тела, но использование обычной краски не дает хороших результатов. Чаще применяют селективное покрытие абсорберов, которое препятствует конвекционным потерям энергии. Нижнюю часть короба заполняют утеплителем — слоем минеральной ваты.

Свои требования предъявляются и к стеклу. Оно должно быть достаточно прочным, т. е. толстым, чтобы выдерживать град. Одновременно оно обязано быть максимально прозрачным, и тут как раз наоборот — чем тоньше, тем лучше. Важно и качество обработки поверхности. Обычно в ход идет закаленное оптическое стекло, в котором максимально снижено содержание металлов. Его коэффициент светопропускания превышает 90 %. Для сравнения, у обычных оконных стекол этот коэффициент может составлять примерно 80–85 %. Каждый лишний процент здесь важен, ведь вся энергия, задержанная стеклом, до абсорбера просто не дойдет и пропадет без толку.

Полностью избавиться от конвекционных потерь в плоском коллекторе не удастся. Как ни крути, абсорбер будет отдавать часть энергии «на улицу», в воздух. В большинстве случаев с этим приходится смириться, хотя производители и предпринимают различные ухищрения с целью минимизации потерь. В современных моделях корпус тщательно герметизируют. Это препятствует попаданию внутрь пыли и влаги, увеличивает коррозионную стойкость элементов и препятствует образованию конденсата на внутренней поверхности стекла. Конденсат, в соответствии с законами физики, выпадает по утрам и препятствует прохождению солнечных лучей. Днем-то он, конечно, испарится, но до этого панель будет работать не в полную силу. Иногда корпус заполняют инертным аргоном. Теплопроводность аргона ниже, значит, потери еще снижаются.

Конвективные потери неизбежно возрастают при уменьшении температуры окружающего воздуха. При отрицательных температурах эффективность плоских коллекторов невелика: солнца обычно и так немного, а большая часть собранного на абсорбере тепла уйдет впустую, в воздух. Способ избавиться от таких потерь прост — надо удалить воздух.

Вакуумные коллекторы
Откачивать воздух из плоского ящика не имеет смысла, конструкция окажется чересчур хрупкой. Поэтому в вакуумных коллекторах используются параллельно расположенные трубчатые стеклянные элементы, собираемые в модуль. Трубки сделаны по принципу термоса и изготовлены из высококачественного оптического стекла. Внутреннюю часть трубки иногда гранят или делают U‑образной. Конечно, 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 отраженного света (в облачную погоду и от снежного наста). Существуют различные конструкции модулей: в простых для замены трубок при их повреждении придется сливать теплоноситель из системы, более сложные допускают замену «на ходу».

Прямопроточные вакуумные коллекторы. Внутрь стеклянной колбы устанавливается коаксиальная медная трубка с приваренной абсорбирующей пластиной. Холодный теплоноситель течет по внутренней части трубки, в ее конце перетекает во внешний контур, нагревается, перетекает в магистральную трубу модуля, а затем и в общую магистраль.

Вакуумные коллекторы с принципом «тепловой трубы». Стеклянная колба такая же, а вот принцип работы совершенно иной. Внутри герметичной медной или стеклянной тепловой трубки находится небольшое количество жидкого теплоносителя: воды, антифриза или аммиака. Чтобы уменьшить температуру кипения, из трубки можно откачать часть воздуха. Один конец трубки выводится наружу и вставляется в теплообменник. Нагретый теплоноситель вскипает, пар поднимается наверх, передает тепло воде, конденсируется и стекает обратно. Это наиболее технически совершенная на данный момент конструкция, к тому же замена трубок при необходимости очень проста. Единственное ограничение — такие коллекторы нельзя устанавливать горизонтально, собирающая магистраль должна находиться выше трубок.

Другие элементы гелиосистемы
Модули коллекторов можно установить на горизонтальной или вертикальной плоскости, закрепить на крыше или встроить в нее. Для этого понадобятся различного рода крепежные элементы, поставляемые производителями отдельно. Однотипные модули допускают возможность соединения в «батарею». При монтаже особое внимание следует уделить расположению модулей. Понятно, что максимально эффективная работа будет в том случае, если солнечные лучи падают на поверхность строго перпендикулярно. Сделать следящее устройство, разворачивающее модули, в принципе возможно, такие разработки есть, но на практике эти решения почти не применяются: стоимость аппаратуры окажется выше цены всей гелиосистемы. Следует учесть и то, что Солнце зимой поднимается ниже, чем летом, а значит, оптимальный угол наклона модулей различается. В северных районах их можно поставить вертикально и улавливать лучи, отраженные от снежного наста. Если для работы достаточно одного–пяти модулей, их обычно соединяют последовательно, один за другим. При одновременной установке большого количества модулей возможно параллельное соединение отдельных частей системы с целью уменьшения потерь на сопротивление протеканию теплоносителя.

Сами по себе солнечные коллекторы — всего лишь часть системы, причем не самая дорогая. Для обеспечения горячей водой необходим теплоизолированный накопительный бак с устройствами контроля и управления. В одноконтурных системах в коллектор поступает та вода, которая в дальнейшем расходуется из бака. Преимущества — простота, высокий КПД, недостатки — повышенные требования к чистоте и жесткости воды, образование накипи и коррозия от растворенного в воде кислорода. К тому же зимой вода может замерзнуть, повредив установку. В двухконтурных системах используется отдельный контур теплоносителя, который передает энергию воде с помощью теплообменника, обычно змеевика, встроенного в бак. В качестве теплоносителя, как правило, используют специальные антифризы с низкой температурой замерзания. Преимущества — высокая надежность и долговечность системы, высокая коррозионная стойкость и отсутствие выпадения солей в контуре. Недостаток — немного уменьшается эффективность работы и требуется периодическая, раз в пять–семь лет, замена антифриза.

Помимо этого, различают системы с естественной циркуляцией (термосифонные), когда горячий теплоноситель поднимается в бак, располагающийся выше коллектора, и системы с принудительной циркуляцией, у которых в контур встраивается небольшой насос. Также по типу заполнения теплоносителем различают системы постоянного заполнения и самоопорожняющиеся. В первом случае (при двухконтурной системе) в конструкцию вводится мембранный бак, компенсирующий тепловое расширение, и клапан для удаления воздуха из системы. В самоопорожняющихся коллекторах объем контура больше объема теплоносителя. При отключении насоса гелиоконтура жидкость из коллектора сливается в бак. Такой тип системы особенно удобен при периодическом проживании: теплоноситель служит дольше.

За работой системы в целом следит контроллер, управляющий циркуляционными насосами и нагревательными элементами. Часто большинство элементов системы собраны с баком воедино, что упрощает монтаж и техническое обслуживание. На коллекторе и внутри бака устанавливают датчики температуры. Система включается, когда температура теплоносителя в коллекторе начинает превышать температуру воды в баке. Понятно, что, если теплоноситель холоднее воды, включать циркуляцию бессмысленно. Иногда предусматриваются и другие датчики, измеряющие температуру в помещении и на улице. В современных установках контроллер — сложное электронное устройство, позволяющее работать по различным программам.

Чтобы получить больше тепла и не зависеть от солнечной погоды, баки оснащают системами дополнительного подогрева: тэном, а иногда и еще несколькими контурами, которые могут работать от котла или теплового насоса. Тут есть еще одно интересное преимущество. Днем основной приток энергии придет от коллектора, а ночью, возможно, потребуется дополнительный электроподогрев. При использовании многотарифного счетчика горячая вода будет доступна в любое время суток, а затраты на электричество существенно снизятся.

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Энергию можно получать не только напрямую от Солнца. Есть куда более близкие к нам низкотемпературные источники, а именно воздух, вода и почва. Отобрать энергию поможет устройство, называемое тепловым насосом. Такие установки сложнее и дороже солнечных коллекторов, но более эффективны и способны собирать тепловую энергию из окружающей среды вне зависимости от погоды. Принцип действия довольно прост: теплоноситель поступает к установке, охлаждается в ней на несколько градусов, а полученную энергию можно использовать для нагревания воды и обогрева помещений.

Основной элемент системы — сам тепловой насос, устанавливаемый в помещении. Чаще всего, чтобы объяснить его принцип действия, используют метафору «холодильник наоборот».

В контуре насоса циркулирует фреон — жидкость с низкой температурой кипения. В испарителе фреон превращается в пар
и отбирает тепло от теплоносителя наружного контура системы. Затем пар сжимается компрессором, при этом его температура повышается. Горячий сжатый пар поступает в конденсатор, передает тепло на теплообменник, соединяющийся с системами отопления и горячего водоснабжения,
а сам снова превращается в жидкость. Далее за счет перепада давлений фреон проходит через дроссельный клапан и снова попадает в испаритель, после чего цикл повторяется.

Иногда вместо водяного отопления используется воздушное, т. е. в качестве теплоносителя выступает воздух. Сами корпуса насосов, устанавливаемых в помещении, имеют надежную шумо- и виброизоляцию компрессора и работают практически бесшумно.

Как уже упоминалось, источниками энергии могут быть воздух, вода или грунт. В соответствии с этим все насосы делятся на три категории. Отдельно упоминать насосы, в которых в роли горячего теплоносителя выступает воздух, мы не будем: принцип работы системы у них аналогичен, а доля на рынке невелика.

«Воздух-вода». По принципу действия эти насосы сходны с кондиционерами. Стоят они относительно недорого, монтируются просто. Такие насосы, как и кондиционеры, выпускают в вариантах «моно» или «сплит». Моноблоки можно монтировать снаружи здания, при этом экономится место и решается проблема шума. При внутренней установке моноблок получает и возвращает наружный воздух через шланги.

В сплит-системе используются два блока: наружный с вентилятором и испарителем и внутренний с конденсатором и автоматикой управления. Компрессор может располагаться в любом из блоков. Недостаток — плохая работа зимой: чем холоднее воздух, тем сложнее отобрать у него энергию. При температурах воздуха ниже десяти-двадцати градусов мороза насос практически перестает работать. Некоторый интерес представляет установка такого насоса в систему вентиляции дома. Выходящий воздух имеет температуру порядка 15–25 °C, использовать это тепло можно, хотя большой производительности ждать, разумеется, не приходится.

«Вода-вода». Даже зимой в водоемах температура воды составляет 4 °C, а в скважинах — еще больше, т. е. насосы, использующие воду в качестве теплоносителя, способны работать при любом морозе. Теплоноситель подается с помощью обычного насоса, в качестве его источника может выступать пруд, река или скважина. Отработавшая вода сливается в тот же водоем или соседнюю скважину. По энергоэффективности такие насосы наиболее экономичны, немногим сложнее воздушных, однако и у них есть недостатки. Примерный требуемый расход воды для небольшого дома составляет несколько кубометров в час. Близко расположенные водоемы есть далеко не у каждого дома. Использовать скважины реально не во всех случаях. Грунт должен быть достаточно проницаем, чтобы обеспечить быстрое пополнение воды в эксплуатационной и понижение уровня в нагнетательной скважинах. Обычно рекомендуемый перепад высоты от теплового насоса до зеркала источника — не более 15–20 м, с его увеличением возрастают затраты на перекачку. Внешняя вода обычно содержит примеси, так что потребуются меры по ее предварительной очистке. Периодически придется проводить чистку контура первичного теплообменника. Не следует забывать и о защите системы при возможном замерзании воды зимой.

«Рассол-вода». Грунт — самый стабильный источник тепловой энергии, получающий ее как от солнца, так и от земного ядра. Влияние Солнца на температуру почвы ощущается на глубинах до 6–8 м, на уровне ниже 10 м ее температура практически постоянна, не зависит от времени года и понемногу увеличивается с возрастанием глубины.

Разумеется, «принести» грунт к насосу не получится, отбор осуществляется с помощью теплоносителя (чаще всего гликолевого антифриза), текущего по пластиковым или металлопластиковым трубам, проложенным в его толще. Такие насосы относятся к замкнутым системам и, несмотря на дороговизну, занимают большую часть рынка. Однажды установленный контур способен служить не менее сотни лет. Теплообменник в таких системах может быть двух типов.

Горизонтальный коллектор. В качестве первичного контура теплообмена используются трубы, укладываемые на большой площади и относительно небольшой глубине, порядка одного–трех метров. В зависимости от особенностей грунта и рельефа выделенного участка подбирается схема укладки: зигзаг, петли, змейки, горизонтальные или вертикальные спирали разных форм. Обычно используются несколько параллельно соединенных контуров, подключенных
к общему распределительному коллектору. Чтобы не тратить энергию на прокачку жидкости через всю систему, в теплую погоду часть контуров можно перекрывать. Для горизонтальных коллекторов основной источник тепла — солнечная радиация, поэтому для эффективного теплосъема площадь, под которой расположен коллектор, в дальнейшем можно использовать только в качестве газона или лужайки. Затенять ее деревьями или тем более ставить строения нельзя. Размер такой лужайки может в два-три раза превышать отапливаемую площадь дома, что не всегда приемлемо. Если поблизости найдется подходящий водоем, коллектор лучше поместить в воду.

Вертикальный грунтовой зонд. Трубы теплообменника опускают в скважину большой глубины. Стоимость работ возрастает с увеличением глубины бурения, поэтому вместо одной глубокой скважины обычно предпочитают пробурить несколько глубиной 50–100 м. Бурение стоит дороже, чем открытые земляные работы по установке горизонтального коллектора, но занимаемая площадь минимальна, к тому же расчетная температура грунта несколько выше. Она составляет 7–10 °C в зависимости от его вида, а значит, уменьшается расчетная длина трубопровода. Чаще всего используется U‑образная конструкция зонда: в скважину на все ее глубину опускают две петли труб, реже другое их количество. Возможно также коаксиальное расположение: по внутренней трубе «рассол» с помощью циркуляционного насоса подается вниз, а поднимается к испарителю по одной либо нескольким наружным. Затем скважину
с трубами заполняют цементной смесью, что обеспечивает стабильный теплообмен и защиту труб. Иногда вместо бурения скважин можно обойтись забивкой свай, на которых ставится строение с заранее залитыми в них зондами. Разумеется, такой вариант возможен только при новом строительстве.

Эффективность насосов
Многие насосы не только используются для получения тепла, но и работают в обратном режиме, охлаждая помещение в жаркий день, правда, для этого требуется дополнительное оборудование.

Для определения эффективности прибегнем к сравнению с традиционными системами, т. е. тепловыми котлами и холодильными установками. Коэффициент трансформации показывает, какую тепловую мощность насос производит на один затраченный киловатт электроэнергии, и зависит от нескольких параметров. Чем меньше разность температур в первичном контуре и между ним и нагреваемой жидкостью, тем он выше. Обычно низкотемпературный теплоноситель в контуре теплового насоса уменьшает свою температуру на 3–5 °C. Отбирать больше тепла невыгодно, дешевле увеличить прокачиваемый объем теплоносителя. Высокотемпературный теплоноситель способен максимально нагреваться до 50–60 °C, а во многих случаях достаточно и 35 °C. Коэффициент трансформации записывается в форме: B0/W50 или, к примеру, A35/W20. Цифры означают расчетную температуру в первичном и отопительном контурах, буквы — тип теплоносителя (от английских слов «brine», «water» и «atmosphere» — «рассол», «вода» и «воздух»). Таким образом, в первом случае перед нами тепловой насос типа «рассол-вода», работающий на отопление, а во втором — «воздух-вода», включенный в режим охлаждения.

Средний коэффициент трансформации для насосов типа «воздух-вода» составляет 2,5–3,5 (A2/W35), «вода-вода» — 5–6 (W10/W35), «рассол-вода» — 4–5 (B0/W35). При дальнейшем увеличении температуры на каждый градус коэффициент уменьшается примерно на 2,5 %.

ПРОЧЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Для создания полноценной системы получения тепловой энергии с помощью гелио-установки или теплового насоса потребуется еще несколько элементов. Устройство накопительного бака для солнечного коллектора было описано выше. Тепловые насосы разных производителей имеют различные комплектации и схемы подключения, бывают одно- и многоконтурными (в данном случае имеется в виду количество «горячих» контуров), могут также подключаться к собственному отопительному баку или баку коллектора. В отопительный контур автономной системы обычно заливается антифриз, второй контур используется для ГВС. Конкретную схему выбирают исходя из потребностей, различные элементы могут коммутироваться в разных сочетаниях. Устройства защиты и контроллер чаще всего собраны с насосом в единое целое, а вот циркуляционные насосы, мембранные расширительные баки замкнутых контуров, системы дополнительного подогрева, различные датчики и иное оборудование могут находиться буквально «где угодно», хотя обычно многие из них все-таки скомпонованы в корпусе насоса. В последнее время появились отдельно поставляемые подключаемые к контроллеру модули, позволяющие дистанционно управлять системами через мобильную связь и Интернет. Вообще говоря, контроллер и устройства управления тепловыми насосами сложнее тех, что в накопительных баках солнечных коллекторов. Это связано с тем, что коллекторы в первую очередь используются для приготовления горячей воды, а насосы — еще и для отопления. Совместному использованию обеих этих функций коллектором ничто не мешает, но тепловой насос гораздо меньше зависит от погоды, так что в отопительный сезон ему потребуется меньшее количество энергии, получаемой от других источников. К тому же. чтобы собрать количество энергии, пригодное для отопления, понадобится неоправданно большое число модулей. Впрочем, любой современный контроллер позволяет запрограммировать различные температуры и режимы работы, в том числе совместной.

Один из интересных вариантов режима нагрева — антибактериальный. Как уже упоминалось, во многих случаях достаточно температуры в 35 °C. Это вполне комфортное значение, расход энергии при приготовлении такой воды невелик. Однако при этой температуре в воде прекрасно размножаются и всевозможные бактерии. Время от времени, по заранее заданной программе, контроллер нагревает воду в контуре ГВС до 60–65 °C. Чаще всего для этого нужен дополнительный подогрев, но время нагрева, а значит, и расход энергии на термическую дезинфекцию не слишком велики.

И последние, но самые важные для потребителя контуры системы — магистраль горячего водоснабжения и/или устройства отопления. О первом особенно упоминать не будем — это трубы, смесители, мойки, сантехническое оборудование, возможно, насосы. Что касается отопительных устройств, тут ситуация интереснее. Самое известное — различные батареи и радиаторы отопления. Конструкция их, можно сказать, проверена веками, однако имеет существенные недостатки. Прогрев помещения при использовании радиаторов неравномерен, к тому же их размер довольно велик. Тем не менее такие отопительные устройства применяются часто: их монтаж достаточно прост, а установка возможна и в старых домах. Для автономных систем применяются в основном стальные, алюминиевые и биметаллические радиаторы. Классические чугунные обладают высокой тепловой инерцией и не так эффективны. Основной недостаток — для работы радиатора теплоноситель в контуре должен быть нагрет до высокой температуры, хотя бы 50–60 °C, во многих случаях и больше. Тепловой насос способен произвести такой нагрев, но коэффициент эффективности у него уменьшится.

В последнее время все большую популярность приобретают низкотемпературные системы обогрева — теплые полы. Нас интересуют жидкостные разновидности, а электрические, с греющим кабелем, принципиально ничем (кроме высокого потребления электроэнергии) от них не отличаются. Такие отопительные системы устанавливаются при строительстве или капитальном ремонте здания. На пол укладывают теплоизолятор, а на нем размещают меандр — цельную пластиковую или стеклопластиковую трубу, изогнутую петлями. После систему обогрева заливают стяжкой. К каждому контуру можно подключить отдельный терморегулятор и датчики температуры и перегрева. Оптимальная температура для теплого пола — не более 35 °C, больше и не нужно, к тому же при нагреве до 40–50 °C стяжка начинает разрушаться. Использование теплого пола по сравнению с радиаторами позволяет сэкономить энергию и полезную площадь, к тому же обеспечивает более комфортный и быстрый обогрев: теплый воздух идет снизу вверх по всей обогреваемой площади. Недостаток — помимо более высокой стоимости, для установки требуется квалифицированный персонал и сложные расчеты с применением специальных программ.

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА СИСТЕМ АВТОНОМНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Полный расчет системы может выполнить только специалист: слишком много различных факторов надо учесть. Для этого разработаны соответствующие компьютерные программы. Однако предварительный подсчет реально сделать и самостоятельно. Тепловое оборудование может работать в моновалентном или бивалентном режиме. В первом случае даже в самые холодные дни его мощность должна превышать необходимый расход энергии. На практике этот режим применяется редко: цена оборудования растет, а большую часть времени оно работает впустую. В бивалентном или моноэнергетическом режиме часть энергии поступает от других источников: тепловых котлов различных типов или электрических нагревателей. На практике оптимально, если за счет коллекторов или тепловых насосов обеспечивается 60–70 % от среднегодовой потребности (или от потребности в энергии во время проживания, если не планируется круглогодичная эксплуатация).

Типовая задача выглядит так. Требуется оптимизировать затраты по снабжению горячей водой и отоплением отдельного небольшого дома с круглогодичным проживанием. Вода и электричество подведены. Конкретные параметры дома и число людей могут варьироваться. Обычно традиционно используются печи или котлы, работающие на жидком или твердом топливе. Если есть газовый котел, задача решается довольно просто: у нас газ пока стоит дешевле, чем энергия, полученная от теплового насоса. Но, во‑первых, газ есть не везде, а стоимость его подключения (если это вообще реально) в последнее время сопоставима с ценой насоса. А во‑вторых, даже тут можно сэкономить, установив солнечный коллектор, ведь затраты на производство энергии с его помощью вообще близки к нулю: требуется только энергия на работу циркуляционного насоса. Хотя в наших условиях при наличии газового котла об альтернативах думают редко: ведь на гелиостанцию придется потратиться сразу, а окупится она только через годы.

При расчете потребления тепла в таком абстрактном доме учитываются две составляющие: горячая вода и отопление. Первую величину в течение года можно считать постоянной, вторая максимальна в зимние месяцы и падает летом практически до нуля, а то и до «отрицательной величины» (на которую все равно придется потратить некий денежный эквивалент): вместо обогрева требуется кондиционирование.

Обычно предполагается использовать гелиостанцию для приготовления горячей воды. Основных параметров тут два: число коллекторов и объем бака. Объем считается из расчета 50–100 литров в сутки на одного проживающего. Количество коллекторов зависит от множества факторов. Для расчета надо знать среднюю интенсивность потока солнечной энергии в конкретном районе по месяцам. В первую очередь важно количество энергии в летнее время (зимой поток падает в несколько раз). Экономичнее всего рассчитать так, чтобы установленные коллекторы летом полностью перекрывали потребности в горячей воде. Для расчета надо знать угол установки коллекторов, их ориентацию относительно сторон света (оптимально, разумеется, установить панель строго на юг, но это не всегда возможно), требуемую температуру горячей воды в баке, тип коллектора и еще несколько особенностей и величин. После этого можно подобрать требуемое число панелей.

Казалось бы, стоит добавить еще несколько панелей, тогда в холодное время меньше придется тратиться на дополнительный обогрев? Все не так просто. Кроме того, что сами панели и их монтаж стоят немало, надо учесть, что, если количество панелей взято «с запасом», летом возможно закипание теплоносителя прямо в них (стагнация). Этот процесс отрицательно сказывается на ресурсе антифриза и всей системы. В подобных случаях нужно либо предусмотреть возможность отведения излишков тепла, к примеру, в бассейн, либо использовать самоопорожняющиеся системы, в которых стагнация исключена в принципе. Для средней полосы применение гелиостанций оправданно в течение шести–семи месяцев в году, одной панели в 2 мІ достаточно для горячего водоснабжения одного-двух человек. Отопление с помощью солнечных коллекторов в средней полосе почти не практикуется. Слишком мало энергии они могут собрать в холодное время. Для отопления желательнее тепловой насос, а коллекторам можно оставить поддержку системы и основную работу летом.

При расчете отопления принимают, что тепловая потребность здания составляет 5–10 кВт/100 м. Конкретная цифра уточняется в зависимости от региона, особенностей конструкции самого здания и его теплоизоляции. Далее выбирается режим работы. Моновалентный используется редко, стоимость такого насоса сильно возрастает. Для пиковых нагрузок в морозы обычно предусматривается возможность подключения дополнительного оборудования, т. е. работа в бивалентном или моноэнергетическом режимах, когда насосом обеспечивается 50–70 % необходимой энергии. Учитывается также возможность периодического отключения подачи энергии (повышающий коэффициент 1,2) и затраты на приготовление горячей воды (0,1–0,3 кВт на человека). По этим данным определяется требуемая мощность насоса.

Для насосов типа «воздух-вода» стоимость монтажа относительно невелика. При расчете сметы на установку насоса «вода-вода» нужно прибавить затраты на бурение скважин и оборудование для перекачки воды. Но, как уже говорилось, насосы «вода-вода» применимы не везде. К тому же проект по их использованию нуждается в согласовании с соответствующими ведомствами. Чаще всего для постоянной эксплуатации предпочитают насосы «рассол-вода», и в затратах на их установку значительную часть составит монтаж рассольного контура.

Чтобы рассчитать длину труб контура, необходимо учесть состав почвы. Для земляных коллекторов величина теплосъема составляет 10–35 Вт с погонного метра, точнее, 10 Вт в песчаных почвах, 20 — в глине и до 35, если коллектор проходит в почве с большим содержанием влаги. Расстояние между трубами принимают равным 0,7–1,2 м.

С одного метра вертикальных земляных зондов можно «снять» больше. При наиболее часто встречающейся схеме, когда в одну скважину вставлены две U‑образные трубы, теплосъем в первом приближении принимают равным 50 Вт/м. Точные значения узнают, лишь выполнив бурение. Принцип абсолютно такой же: чем плотнее порода и чем больше она увлажнена, тем выше и показатели теплосъема. Обычно берут несколько зондов с минимальным расстоянием между ними 5-6 м, при этом учитывают направление движения подземных вод, чтобы охлажденная вода от одного зонда не поступала к последующим.

Теоретически возможна ситуация, когда земляной зонд за зиму отберет столько тепла из прилегающего грунта, что за лето теплопотери не успеют восполниться. Как результат, эффективность установки на следующий год снизится. Исследования по этому поводу проводились, было выяснено, что даже при довольно интенсивной эксплуатации падение температуры грунта за первый год составляет 1–3 градуса, за второй еще меньше, а в дальнейшем ощутимого снижения не происходит. Если же насос летом работает в качестве устройства охлаждения и «закачивает» тепло в почву, разница температур грунта вблизи зонда и на удалении от него очень быстро становится незначительной. Чтобы не переохладить почву, допустимый теплоотбор с погонного метра зонда не должен превышать 100 кВт*ч/год.

По этим данным рассчитывают длину контуров и объем земляных работ, а затем подбирают необходимый диаметр труб и прочее требуемое оборудование, после чего рассчитывают стоимость проекта. Как видим, расчет непростой, цена работ тоже велика, но и заявленная долговечность коллекторов системы «рассол-вода» составляет более сотни лет. Впрочем, чтобы накопить статистику и проверить правильность этого утверждения, придется подождать как минимум век.

В качестве иллюстрации предлагаем обзор современных солнечных коллекторов и тепловых насосов. Следует отметить, что конкретная цена всего комплекта оборудования в сборе с учетом монтажа рассчитывается индивидуально в каждом конкретном случае. На первый взгляд может показаться, что удовольствие обеспечить себя дешевой тепловой энергией обходится дорого. На практике же выясняется, что разовые начальные затраты достаточно быстро оправдываются. Срок окупаемости систем при текущих ценах на энергоносители 5–10 лет. Срок службы может измеряться десятками и сотнями лет, а для «капитального ремонта» обычно достаточно сменить лишь некоторые компоненты, в частности, насосы и компрессоры.

Статья опубликована в журнале «Всё для стройки и ремонта» №10`2011