Альтернативные источники отопления и водоснабжения — тепловые насосы и солнечные коллекторы

Тепло — одна из основных потребностей человека. Мало построить дом, нужно позаботиться и о его отоплении, причём с максимально возможным комфортом и желательно с минимумом затрат. Как это часто бывает, одно противоречит другому. Но в случае индивидуального отопления дома есть и положительные моменты: чем сложнее система отопления, тем больше возможностей сэкономить на нём в довольно ближней перспективе, буквально за несколько лет эксплуатации. В этой рубрике как раз и показаны примеры комплексных решений с использованием альтернативных источников теплоснабжения, которые становятся всё более популярными. Об отоплении лучше всего задуматься ещё на стадии проектирования, но и перевести уже существующее строение на более дешёвые энергоносители тоже вполне реально.

ОСНОВНОЙ ИСТОЧНИК ОТОПЛЕНИЯ

Это первое, что понадобится для обогрева здания, и от его выбора зависит в конечном счёте стоимость самого отопления, которое должно служить многие десятилетия. Вариантов достаточно, большинство из них связано со сжиганием органики. Самый часто применяющийся — дровяное отопление с помощью печи или котла. Это топливо не в дефиците, приобрести его несложно, но отдельно стоящей печью несколько комнат не протопить, а тепловые нагрузки на жидкостную систему отопления будут значительными: срок её службы уменьшится. Добиться постоянного равномерного обогрева вряд ли удастся, к тому же придётся загружать вручную дрова и удалять золу. То же относится к отоплению с помощью угля: системы автоматизации подачи топлива на небольших объектах не применяются. Зато технически это самые простые и дешёвые способы: минимум автоматики, в качестве «термодатчиков» выступают сами жильцы, а топить можно не только покупными дровами, но и остатками снесённых строений и другими отходами деревообработки — что под руку попадётся. Кстати, самый простой метод — нарубить дрова в ближайшем лесу — не годится: может прийти лесник и прогнать «добытчиков» оплачивать штраф. Более или менее безнаказанно из леса можно унести только сухие деревья диаметром не более 12 см (зависит от особенностей законодательства в регионе).

Довольно интересно с точки зрения обогрева использование пеллетных котлов, работающих на специально производимых гранулах из прессованных древесных опилок. Это направление сейчас развивается довольно активно. Автоматизировать подачу пеллет в котёл просто, хотя золу всё равно придётся удалять.

Жидкотопливные котлы уже по-настоящему можно отнести к автономным системам. Они требуют приобретения и установки ёмкостей для хранения топлива, зато заполнять их надо будет нечасто. Большинство из них работают на дизельном топливе, хотя встречаются разновидности на лёгком мазуте. Другие виды жидкого топлива в нашей стране почти не применяются.

Газовые котлы могут работать или на сжиженном газе, тогда для хранения его запасов потребуется монтаж ёмкости — газгольдера, или на природном. Последнее обойдётся дешевле всего, но только в одном случае: если газовая труба уже подведена к дому. Даже если газопровод есть «где-то поблизости», подключение выльется в круглую сумму.

Вариант отопления с помощью электричества (большая часть электроэнергии тоже получается за счёт сжигания невозобновляемых ресурсов) рассматриваем только как крайний: это самый дорогой способ обогрева, к тому же требующий значительной выделенной электрической мощности, что не всегда реально в конкретных условиях. Однако можно использовать электричество для работы теплового насоса, при этом затраты снизятся в разы. Но об этом варианте скажем ниже.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ

Однако для обеспечения всех потребностей в отоплении и ГВС нам совершенно не обязательно пользоваться одним источником. Тепловое оборудование стоит недёшево, и чем оно мощнее, тем дороже, а максимальная отдача от него требуется довольно редко, только в период сильных морозов. Можно сделать так: поставить сравнительно небольшой котёл, мощности которого хватит для «сольной» работы в относительно тёплые дни, а при похолодании подключать дополнительный источник обогрева, например, электрический подогрев теплоносителя в накопительном баке. Такой способ, кстати, часто используют ещё и в системе ГВС, если она связана с системой отопления: при небольшом расходе воды её подогревает котёл, а если воды потребовалось много и температура в бойлере сильно упала, подключается тэн.

Вместо тэнов мы можем использовать и любой другой источник, независимый, вроде печей или тепловых пушек, или объединённый в одно целое с системой отопления, например дополнительный котёл, такой же, как основной, или другой. Заодно частично решается проблема резервирования отопления: если один обогреватель потребует остановки на техобслуживание или ремонт, совсем без тепла дом не останется.

Однако вопрос резервирования и вообще выбора дополнительного источника — это даже не второй, это третий вопрос. Второй может звучать так: «Каким образом после выбора основного источника минимизировать расходы?». К этому вопросу мы вернёмся в самом конце статьи, а пока остановимся на двух вариантах отопительных систем, которые обойдутся дешевле, чем простое сжигание топлива или электричества в котле. Первый из них можно рассматривать как основной, второй — как дополнительный, но оба они используют альтернативные, возобновляемые источники энергии.

Кстати, за рубежом подобные проекты очень популярны: все виды энергоносителей там стоят дорого, и при длительной эксплуатации оправдаются даже серьёзные начальные затраты. Впрочем, в некоторых странах уже приняты различного рода законы о развитии использования этих источников и государственные программы, позволяющие снизить уровень затрат. Там это связано ещё и с «борьбой за экологию». У нас на такие решения и тем более на поддержку рассчитывать пока не приходится, на первом месте другой вопрос: финансовый. Цены на энергоносители на внутреннем рынке растут быстро, причём не исключено, что не остановятся даже тогда, когда превысят мировые. Особенно если учесть, что на обогрев у нас тратится гораздо больше: для Европы чрезвычайной ситуацией считаются температуры, которые в нашей средней полосе воспринимаются как «лёгкий морозец». Надеяться на уменьшение цен как-то не приходится, в этом вряд ли поможет даже мировая революция (и вообще любая революция чаще даёт противоположный результат). Единственный возможный для частного домовладельца вариант сэкономить — меньше тратить, а для этого надо уменьшить зависимость от внешних поставок энергоносителей в пределах одного, отдельно взятого дома.

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Мы всегда можем сказать про любой предмет, в том числе про воздух или воду, что они тёплые или холодные. Но это знание такое же относительное, как и подсчёт количества волос из анекдота («пара волос на голове — это мало, а в супе — многовато»). Если вести отсчёт от шкалы Кельвина (абсолютный ноль — чуть менее –273 °С), то большую часть времени температура окружающей среды на населённой части планеты находится в пределах 250–300 градусов. Возьмём любой предмет, охладим его на 5–6 градусов — «по Кельвину» разница будет всего в пару процентов. У нас получится чуть менее тёплый (или более холодный, кому как нравится) предмет и тепло, которое мы можем использовать. Тут как раз уместен другой анекдот — «вот на эти два процента и живём». Задача сформулирована, а решение её известно довольно давно — привычный холодильник. Только он отбирает тепло из камер в окружающую среду, а нам нужен обратный процесс. Технически это немного сложнее, но вполне реально. Именно по такому принципу и работают тепловые насосы: в помещении или, реже, прямо на улице устанавливается 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 обойтись «двумя процентами» и менять скорость прокачивания теплоносителя через насос.

Итак, таким образом мы можем греть либо теплоноситель системы отопления, либо воздух в доме — два варианта. А вот для выбора источника отбора тепла у нас уже три варианта. Через насос можно прокачивать воздух, воду, а можно использовать тепло земли. Соответственно, можно насчитать шесть разновидностей тепловых насосов. В первую очередь указывается наружный источник тепла, во вторую — тип внутреннего теплоносителя, т. е. насос типа «воздух–вода» отбирает тепло у воздуха и отдаёт тепло жидкостной системе охлаждения, насос типа «вода–воздух» заберёт тепло у воды, например из скважины или водоёма, и передаст его в дом в виде нагретого воздуха. Насос типа «воздух–воздух» — это, по сути, кондиционер, только большей мощности. С «землёй» всё сложнее, её через насос не прокачать, но зато в неё можно закопать замкнутую систему труб с жидким теплоносителем первичного контура, и задача сведётся к отбору насосом тепла у жидкости. На первом месте в названии таких насосов ставится «грунт» (или «солевой раствор»), на втором — «вода» или «воздух».

Стоимость насосов зависит от их типа. И самые дорогие — грунтовые. Для них в землю надо заложить контур первичного теплообменника. И здесь есть два варианта. Если использовать тепло верхнего слоя почвы, прогреваемого солнцем, нам потребуются масштабные земляные работы на значительной площади, но копать придётся на небольшую глубину — 1-2 метра. Правда, для этого нужен участок площадью в сотни квадратных метров, свободный от строений и деревьев, в общем, без тени. Это так называемые грунтовые коллекторы.

Немного дороже обойдётся вертикальное бурение (грунтовые зонды), зато и площадь нужна не такая большая. 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 проще пробурить несколько зондов глубиной 50–100 метров неподалёку друг от друга, чем один, но на сотни метров. Температура на глубинах, начиная от 8–10 метров, в общем, одинакова, «подпитка» теплом идёт от ядра Земли.

Насосы типа «вода–» не требуют масштабных земляных работ, но пригодны, только если рядом есть водоём или достаточно проницаемый грунт, в котором можно пробурить две скважины, чтобы забирать воду из одной и перекачивать в другую, но при этом не «выкачать» подающую и не «залить» приёмную.

И наконец, насосы типа «воздух–» обойдутся дешевле всего, первичный теплообменник им не нужен.

Тут мы сталкиваемся с двумя моментами. Чем холоднее теплоноситель, тем сложнее отобрать у него тепло, и чем больше нам требуется перепад температур снаружи и внутри здания, тем больше энергии для этого потребуется. Понятно, что при снижении наружной температуры эффективность насосов несколько падает. С этой точки зрения дорогой грунтовый насос предпочтительнее водяного и тем более воздушного. Все начальные затраты компенсируются в процессе эксплуатации, ведь срок службы основных элементов системы — десятки лет.

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.

Примечательно, что при использовании теплового насоса мы оказываем куда меньшее влияние на окружающую среду, чем при сжигании чего бы то ни было, от дров до урана в АЭС. Тепло, взятое из окружающей среды, в неё же и вернётся, сторонняя энергия нужна только для работы насоса, а по сравнению с электрическим обогревом её нужно в разы меньше. 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. Но есть и ещё один источник тепла, который обойдётся дешевле газа. Как основной его использовать не удастся, а как дополнительный — вполне.

СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ

Каждые 8 минут Солнце поставляет нам столько энергии, сколько человечество расходует за год, и «отщипнуть от неё кусочек» несложно. Панель солнечного коллектора (обычный размер — около 1х2 м) представляет собой плоский короб, сверху накрытый стеклом. Нижняя плоскость теплоизолируется с помощью минваты, а посередине проходит медная трубка с приваренными к ней пластинами — абсорберами. Солнечные лучи попадают на абсорберы, тепло передаётся трубке, от той — циркулирующему внутри теплоносителю, а затем, через теплообменник, в бойлер. Конструкция простая, если не считать того, что для эффективного улавливания и передачи тепла нужно прозрачное и чистое стекло, хорошая теплоизоляция панели, селективное покрытие абсорберов и множество других «мелочей». Конечно, с понижением температуры возрастают теплопотери и эффективность снижается, но современные панели способны собирать тепло и при отрицательных температурах.

Ещё более эффективны вакуумные коллекторы. 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). 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).

Недостаток солнечных коллекторов — нестабильность работы: в жару и на солнце они соберут много, а зимой — мало. Зато энергия нужна только на перекачку жидкости насосом. В качестве дополнительного контура теплоснабжения коллекторы зарекомендовали себя прекрасно, как мы увидим далее, их используют даже совместно с газовыми котлами.

РЕЗЕРВИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСЕТИ

Прежде чем перейти к реальным объектам, уже работающим или строящимся, следует остановиться и на необходимости резервирования электроснабжения. Электроэнергия требуется для работы абсолютного большинства систем, её количество зависит от типа. Для солнечных коллекторов, жидкотопливных и газовых котлов потребность измеряется в сотнях ватт, а для тепловых насосов, электрических котлов и тэнов — в киловаттах.

В первом случае, чтобы пережить отключение электроэнергии на несколько часов или день-другой, нам в принципе достаточно источника бесперебойного питания из набора аккумуляторов и инвертора 220 В. Аккумуляторы в принципе годятся и автомобильные, но могут использоваться и более дорогие, способные выдерживать более глубокие разряды без особого ущерба. Для мощных потребителей энергии логичнее использовать мини-электростанцию, желательно с устройством автозапуска (заодно от неё можно запитать и домашнюю сеть).

В Европе встречаются проекты, которые получают электричество от солнечных батарей для собственных нужд, а избыток отдают в общую сеть. Но без государственной поддержки (на которую у нас рассчитывать не приходится) такие проекты можно считать экзотикой: КПД фотоэлементов не идёт ни в какое сравнение с КПД солнечных коллекторов, и к тому же затраты на оборудование слишком велики. Тем не менее для обеспечения электропитания собственного дома вполне можно использовать и солнечные батареи. Возможно также использование для получения энергии ветряков и мини-ГЭС, но это не только «экзотика», но и в основном индивидуальные («самопальные») решения.

НЕ СОВСЕМ ПРО ОТОПЛЕНИЕ

На протяжении статьи не раз проскальзывала мысль о том, что чем больше затраты при проектировании системы и строительстве, тем меньше они при эксплуатации. Незначительное на общем фоне удорожание стоимости проекта может сэкономить десятки процентов стоимости отопления. Чем меньше разность температур между подающей и обратной магистралью источника теплоснабжения, тем меньше нужно энергии на обогрев, поэтому следует отдавать предпочтение не «горячим» радиаторным, а низкотемпературным системам отопления. Следует помнить, что снижение температуры в помещении на 1 градус приводит к уменьшению расхода энергии примерно на 6 %, так что не стоит забывать о необходимости выбора оптимальной температуры. Много помогут сэкономить и совсем недорогие способы автоматического регулирования мощности обогрева разных помещений, регулирование в зависимости от температуры в них или на улице, незначительное снижение температуры в ночное время и значительное — при отсутствии хозяев. В общем, вариантов тут много, все эти проблемы легко решаются с помощью современных блоков управления системами отопления и ГВС — контроллеров. И само собой разумеется, дом должен быть хорошо теплоизолирован, без этого никакие ухищрения результата не дадут.

Автор: Максим ГРИБОЕДОВ

Статья опубликована в зимнем выпуске журнала «Всё для стройки и ремонта» 9`2012 серии «Потребитель»