Будущее - за тепловыми насосами

К 2020 году Европейский Союз намерен добиться 20%-ной экономии энергии. Возможно ли выполнение этой задачи? И возможно ли это в России? Существуют ли технологии, позволяющие значительно удешевить энергию, необходимую для содержания зданий, без ухудшения комфорта в помещениях? По всем прогнозам - будущее за отопительными системами на основе тепловых насосов.

Только цифры

В Европе до 40% потребления энергии приходится на эксплуатацию зданий. Из этого объема почти все - 85% тратится на обогрев и охлаждение помещений и только 15% - на освещение. Поэтому в европейских странах на сегодняшний день вопрос отопления и охлаждения помещений, а также снабжения зданий горячей водой решается, можно сказать, по умолчанию - с помощью тепловых насосов, которые существенно потеснили традиционные газовые, жидкотопливные, твердотопливные котлы.

Тепловые насосы были изобретены в 50-х годах ХХ века, и в последние 15-20 лет приобрели большое распространение в мире благодаря своей экономичности и высокой эффективности. Например, только в Германии сегодня насчитывается около 80 заводов по производству тепловых насосов. Из них только компания Stiebel Eltron, занимая 20% рынка Германии, ежегодно выпускает и устанавливает около 60 тысяч тепловых насосов. В России - пока только около 500 в год, причем в эту цифру входят все производители тепловых насосов, работающие на российском рынке.

На сегодняшний день в Европе отопительные системы на основе тепловых насосов - дело такое же привычное, как у нас в России газовое отопление

Геотермальные (грунтовые) тепловые насосы наиболее эффективны в условиях холодной России. Эффективность воздушного теплового насоса зимой сильно зависит от температуры окружающего воздуха: при -20°C он просто отключается. А установка тепловых насосов, использующих водоемы и грунтовые воды с применением глубокого бурения требует согласований и разрешений, да и стоит дороже

По прогнозам Мирового энергетического комитета, к 2020 году в развитых странах мира теплоснабжение с использованием тепловых насосов составит 75%. А что же в России? Ежегодно в нашей стране устанавливают несколько сотен тепловых насосов. На сегодняшний день уже функционирующих геотермальных установок насчитывается около трех тысяч суммарной мощностью порядка 100 000 кВт. В масштабах страны ежегодная экономия составляет больше 1 миллиарда рублей! Рассмотрим несколько наглядных примеров.


Геотермальная система отопления в частном доме

Загородный дом с гаражом общей площадью 150 кв. м с горизонтальным коллектором и пассивным охлаждением.

Мощность системы - 7,8 кВт

Потребление электроэнергии - 1,8 кВт

Стоимость электроэнергии - 5 руб./кВт

Экономия в год - 26 000 кВт (=129 800 руб.)

Стоимость геотермальной системы с установкой - 850 000 руб.

Срок окупаемости - 6,5 лет

Исходные данные

Дом выходного дня. Расположен в Нижегородской области. Первый этаж дома построен из арболитовых (древесно-цементных) блоков. Арболит, как строительный и теплоизоляцонный материал, уже сам по себе хорошо удерживает тепло и позволяет существенно экономить на отоплении помещений благодаря своей низкой теплопроводности. Кроме того, арболит не сильно нагревается в жару, что тоже важно в загородном строительстве.

В зависимости от плотности коэффициент теплопроводности арболита составляет 0,8- 1,7 Вт/ (м* 0С). Для сравнения: коэффициент теплопроводности керамического кирпича 0,6-0,95 Вт/ (м* 0С), силикатного кирпича - 0,85-1,15; газобетона - 0,18-0,28; пенобетона - 0,14-0,38; дерева - 0,15

Второй этаж дома - мансардный, выполнен по каркасной технологии с утеплением каменной ватой Rockwool Лайт Баттс Скандик. Выполнено качественное утепление кровли, пола. Установлены пластиковые окна с энергосберегающими двухкамерными стеклопакетами. Все это позволило избежать теплопотерь и спроектировать оптимальную систему отопления без излишнего запаса мощности, что положительно сказалось и на стоимости системы в целом.

Поскольку дом расположен в местности, где нет газа, а стоимость электроэнергии достаточно высока (5 руб./ З кВт), остановились на геотермальной системе отопления на основе теплового насоса. Такая система позволяет не только обогревать дом зимой, но и снабжать его горячей водой, а летом - охлаждать помещения без кондиционера, практически бесплатно. Что и требовалось на данном объекте.

Выбор типа грунтового коллектора

Поскольку площадь участка большая, здесь остановились на горизонтальном способе укладки труб коллектора. По стоимости такой вид коллектора дешевле, чем вертикальный (с бурением скважин). Трубы уложили на глубину ниже уровня промерзания почвы (около двух метров). 109 метров подземных труб заняли примерно 120 кв.м площади участка.

В доме установлен тепловой насос мощностью 7,8 кВт производства немецкой компании Stiebel Eltron

Горизонтальный грунтовый коллектор (теплообменник) представляет собой контур труб, которые расположены под землей горизонтально. Теплоемкий раствор (так называемый рассол или соляной раствор - смесь воды и этиленгликоля или смесь воды и полипропиленгликоля, бытового антифриза) под землей проходит по грунтовому коллектору, собирая тепло и отдавая его тепловому насосу, который догревает теплоноситель до нужной температуры

Экономия ресурсов

В доме установлен тепловой насос мощностью 7,8 кВт производства немецкой компании Stiebel Eltron. При этом на 1 кВт потребленной электроэнергии тепловой насос выдает до 5 кВт тепловой энергии. Это значит, что, выдавая 7,8 кВт тепловой энергии, электричества из сети потребляется всего 1,8 кВт (это в 5 раз меньше, чем потребляет электрокотел). Это особенно важно, если электрические мощности, выделенные на дом, ограничены.

Тепловой насос в данном случае работает в тандеме с низкотемпературной водяной системой "теплый пол", что делает работу отопительной системы еще более экономичной. Кроме того, поскольку отопительная система на основе тепловых насосов может работать и на охлаждение помещений летом, то отпадает необходимость в покупке и установке кондиционеров (как известно, это существенная статья расходов).

Правда, при горизонтальной установке коллектора возможно только пассивное (то есть естественное) охлаждение, но этот способ экономичнее, чем активное охлаждение. При пассивном режиме охлаждения тепловой насос не используется: охлаждение теплоносителя осуществляется с помощью незамерзающей жидкости геотермального коллектора посредством дополнительного пластинчатого теплообменника и, в данном случае, теплых полов, через которые и осуществляется охлаждение помещений. Тепловой насос используется только для приготовления горячей воды.

Дмитрий Макаренко, владелец дома - Подобный дом по аналогичному проекту у меня есть в городе. Решил повторить как дом выходного дня. Первый раз тепловой насос увидел в 2007 году в Финляндии и сейчас при постройке дома решил установить тепловой насос немецкого производителя Stiebel Eltron. Я изучал этот вопрос: в данном оборудовании даже и ломаться-то нечему. Поэтому обратился к официальному представителю Stiebel Eltron в Поволжском регионе. Все сделали быстро, качественно - меня все устраивает.

Выбор такой системы отопления связана прежде всего с тем, что в данном поселке нет газа, и перспективы его подключения, мягко говоря, неизвестны. Имея опыт эксплуатации подобного дома, подсчитал: если бы было электрическое отопление - платил бы десятки тысяч рублей в месяц, а так - укладываюсь в 5000 рублей. Плюс бесплатное кондиционирование летом. Кроме того, удобное управление через GSM-модуль: желаемую температуру можно задавать даже на большом расстоянии от дома - это позволяет рационально использовать тепло и экономить деньги. Благодаря низкой теплопроводности и паропроницаемости газосиликатных блоков, дома из этого материала получаются теплыми и комфортными

Загородный дом площадью 170 кв. м с вертикальным коллектором и активным охлаждением

Мощность системы - 7,8 кВт

Потребление электроэнергии - 1,8 кВт

Стоимость электроэнергии - 5 руб./кВт

Экономия в год - 26 000 кВт (=129 800 руб.)

Стоимость геотермальной системы с установкой - 1 100 000 руб.

Срок окупаемости - 7,7 лет

Исходные данные

Дом расположен в Нижегородской области, в местности, где нет газа. Первый этаж дома построен из газосиликатных блоков с дополнительным утеплением каменной ватой Rockwool, второй мансардный этаж - по каркасной технологии. Выполнено качественное утепление кровли, пола. Установлены пластиковые окна с энергосберегающими двухкамерными стеклопакетами. Все это учитывалось при расчете мощности отопительной системы.

Задачи системы: обогрев дома, обеспечение горячей водой и кондиционирование. В доме установлен тепловой насос производства немецкой компании Stiebel Eltron мощностью 7,8 кВт.

Выбор типа грунтового коллектора

Площадь земельного участка небольшая, поэтому здесь выбрана вертикальная система установки коллекторов (скважины). В данном случае понадобилось бурение пяти скважин, каждая глубиной 30 м, в которые установлены геотермальные зонды. Стоит вертикальная установка дороже горизонтальных примерно на 20% от всей стоимости системы под ключ. Зато занимает меньше места, дает более стабильную по температуре энергию, более высокий КПД системы и возможность как пассивного, так и активного охлаждения летом.

Пассивное и активное охлаждение помещений

При горизонтальном способе укладки коллекторов возможно только пассивное (то есть естественное) охлаждение. Активный способ охлаждения использует тепловой насос (в летнем цикле) для того, чтобы понизить температуру теплоносителя, который циркулирует в системе отопления, через фанкойлы. Активное охлаждение включается летом только тогда, когда мощности пассивного становится недостаточно (например, утром и вечером работает пассивное, а днем - активное охлаждение).

Система оснащена погодозависимой автоматикой. К тому же можно запрограммировать режимы работы: например, "недельное расписание"

Вертикальные грунтовые коллекторы представляют собой теплообменники, которые состоят из одной или двух параллельных труб U-образной формы (так называемые зонды), и в грунте устанавливаются вертикально в скважины

Кондиционирование помещений дома осуществляется с помощью напольных фанкойлов, которые дают мягкое, комфортное охлаждение без сквозняков.

Конечно, установка фанкойлов потребовала дополнительных первоначальных затрат, примерно сопоставимых с установкой традиционных кондиционеров. Однако в эксплуатации система охлаждения на основе теплонасосного оборудования значительно дешевле, так как потребление электроэнергии на порядок ниже.

Есть и другие преимущества охлаждения с помощью фанкойлов перед обычными кондиционерами:

все просто, нет сложной техники (например, компрессора и др.);

нет фреона, который небезопасен для человека;

температура выходящего воздуха из фанкойла не провоцирует простудные заболевания;

в отличие от кондиционеров можно использовать при открытых окнах и дверях;

при монтаже не требуется установка наружных блоков кондиционирования.

Ирина Беленко, хозяйка дома - Мы посоветовались, посчитали и решили, что установка теплового насоса экономит наши деньги. Вести газопровод - это очень дорого, электричество также очень дорогое сейчас. Поэтому мы выбрали геотермальный тепловой насос. Это экологически чистая система, пожаробезопасная. Большой плюс, что летом эта система будет работать вместо кондиционера.

Установка совмещена с системой "теплый пол": у меня маленький ребенок, поэтому теплые полы - это огромный плюс. В отличие от радиаторов они дают мягкое тепло зимой и мягкое охлаждение летом, без сквозняков. Поэтому малыш может спокойно играть, сидя на полу. Кроме того, эта установка очень удобна и легка в управлении: специалисты запрограммировали систему, дальше она работает в автоматическом режиме.

Геотермальная система отопления на АЗС

Автозаправочный комплекс площадью 350 кв. м

Мощность системы - 32 кВт

Потребление электроэнергии - 8 кВт

Стоимость электроэнергии - 5 руб./кВт

Экономия в год - 100 000 кВт (= до 500 000 руб.)

Срок окупаемости - 4,4 года

История эксперимента

В 2010 году руководство компании "Лукойл-Волганефтепродукт" приняло решение провести эксперимент: впервые в России в сети АЗС "Лукойл" для того, чтобы сравнить эксплуатационные затраты на обогрев, горячую воду и кондиционирование, были построены по соседству два идентичных автозаправочных комплекса - каждый площадью 350 кв.м с мини-маркетом и кафе-баром. Отличия - в разных системах отопления, водонагрева и кондиционирования. На одной АЗС все эти задачи решаются с помощью электрокотлов и традиционных кондиционеров, на другой - с помощью тепловых насосов, теплых полов и фанкойлов.

Эксперимент длится уже четвертый год, ведется еже квартальная статистика, и явную победу в графе "снижение эксплуатационных затрат" одерживает геотермальная система на основе тепловых насосов.

Особенности системы

Рядом с АЗС ниже уровня промерзания почвы проложен горизонтальный грунтовый коллектор (2 км труб). Из него теплоноситель поступает в тепловой насос и догревается до необходимой температуры, обеспечивая теплом все помещения АЗС. Причем даже в самые холодные дни, несмотря на то, что при большом потоке людей двери большую часть времени открыты и холодный воздух с улицы проникает в помещение, внутри всегда комфортная температура. Охлаждение помещений осуществляется через встроенные в потолок фанкойлы и теплые полы (таким образом, зимой теплые полы работают на обогрев, летом - на охлаждение).

Даниил Смирнов, заместитель генерального директора "Лукойл-Волганефтепродукт" -Выбор геотермальной системы отопления на основе тепловых насосов обусловлен рядом причин. Во-первых, газ - точно невыгодно, поскольку необходима прокладка газопровода. Это огромные затраты. Во-вторых, во всей Европе, в том числе в северных странах, такие установки работают уже на протяжении многих лет и не только на промышленных, но и на жилых и бытовых объектах. И они себя оправдывают. К тому же это экологично.

Сотрудники АЗС и клиенты, которые останавливаются здесь не только для того, чтобы заправить машину, но и чтобы отдохнуть, перекусить - очень довольны, в помещениях действительно хороший климат и зимой и летом. Что касается экономической выгоды - годовая экономия составляет примерно 100 тысяч киловатт электроэнергии, это полмиллиона рублей в год. На вновь возводимых АЗС большой площади с большим потоком клиентов мы и далее планируем устанавливать тепловые насосы Stiebel Eltron.

Охлаждение помещений АЗС летом осуществляется через фанкойлы, встроенные в подвесной потолок

Горячая вода хранится в водонакопителях. По сути, это тот же термос. Благодаря хорошей теплоизоляции вода, нагретая до 50°C, за неделю остывает всего на 5°C. Поэтому горячей водой АЗС снабжена круглосуточно

В системе смонтированы два отдельных контура: один работает на фанкойлы, второй - на теплые полы. Автоматика сама контролирует влажность и температуру, строит график "точки росы" в теплых полах и выдает мягкое, комфортное охлаждение. Фанкойлы работают как классические кондиционеры, только по трубам подается не фреон, а холодный рассол, который циркулирует в системе: поскольку под землей температура стабильна и одинакова - примерно +10°C, именно такую же температуру имеет воздух, поступающий из фанкойлов в помещение.

Геотермальная система отопления в монастыре

Знаменский женский монастырь.

Отапливаемая площадь - более 1000 кв. м

Суммарная мощность системы - 109 кВт

Потребление электроэнергии - 14 кВт

Стоимость электроэнергии - 5 руб./кВт

Экономия в год - 200 000 кВт (=1 000 000 руб.)

Срок окупаемости - 3,5 года

Установить геотермальную систему отопления можно даже в таких старинных постройках, как этот монастырь XV века. Старинные помещения этого древнего монастыря на Клязьме вот уже два года отапливает геотермальный насос. Жилой гостевой корпус, трапезная, храм - общая площадь больше 1000 кв. м Раньше все эти помещения отапливались с помощью электрокотлов. Однако перебои с подачей электричества подтолкнули выбрать более независимый способ энергоснабжения - тепловые насосы.

Этот способ оказался еще и более экономичным. Если раньше четыре электрокотла общей мощностью около 100 кВт тянули за собой платежи за отопление около 150 тысяч рублей в месяц, то после установки геотермальной системы на основе тепловых насосов эксплуатационные затраты на отопление снизились до 30 тысяч рублей в месяц. Это серьезная экономия.

Для отопления тысячи квадратных метров уложили горизонтальный грунтовый коллектор: более 4 км труб заняли около 5000 кв. м площади рядом с монастырем.

В храме осуществляется зональный обогрев: сюда выведен отдельный контроллер, который сам осуществляет управление климат-контролем в соответствии с запрограммированным режимом отопления храма. Например, автоматика сама переключается на зимний режим, или в отсутствие прихожан температура воздуха в помещении составляет 15,6 °C, а за два часа до начала службы автоматически повышается

Дополнительно на крыше гостевого дома установлены вакуумные солнечные коллекторы, благодаря чему почти 9 месяцев в году (с февраля по сентябрь) горячая вода нагревается фактически бесплатно

Под установку теплонасосного оборудования выделили небольшое помещение в гостевом доме площадью всего 12 кв. м. Все параметры системы запрограммированы, далее система работает в автоматическом режиме, поэтому не требует постоянного контроля

По материалам сайта: http://www.agrovodcom.ru