Blue Flower

Рост дачного и коттеджного строительства с соответствующей необходимостью обогрева помещений и отсутствие газификации( а в некоторых районах Подмосковья даже ее перспектив) делают актуальным поиск альтернативных способов обогрева домов.
Стоимость эксплуатации систем обогрева на жидком(диз. топливо и жидкий газ) и твердом (уголь,дрова,пеллеты) топливе довольно значительна и требует больших начальных вложений (оборудование,топливохранилища и т.д)
Вместе с тем, условия в ближайшем Подмосковье (север,запад ,северо-запад от Москвы) позволяют для отопления использовать геотермальное тепло с применением теплового насоса.
 В указанных районах обычно присутствуют глинистые почвы либо суглинки с высоким водосодержанием, а стратегические запасы воды в известняках залегают достаточно глубок (80-120 метров)- именно такие условия идеальны для «отъема тепла» из почвы с последующим его использованием для отопления домов.
Изначально идея «теплового насоса» принадлежит ученому –исследователю лорду Кельвину -он называл это устройство «умножитель тепла».
 Технически доступно- «тепловой насос» -это «холодильник наоборот»-  в любой холодильной машине есть источник тепла, источник холода, компрессор для перекачки фреона и устройство дросселирования.

 

 

Как и холодильная машина, тепловой насос потребляет энергию на реализацию термодинамического цикла (привод компрессора). Коэффициент преобразования теплового насоса ( «производительность» или СОР) – отношение теплопроизводительности к энергопотреблению - зависит от уровня температур испарителя и конденсатора  и изменяется в диапазоне от 2,5 до 5, т. е. на 1КВт подведенной электрической энергии на «выходе»( в виде тепла) можно получить от 2,5 до 5 (в зависимости от соотношения температуры входа и выхода) киловатт тепловой энергии.

 

Нагретый фреон при дросселировании (внезапном расширении) сильно охлаждается,  поэтому, имея источник низкотемпературного тепла, можно осуществить перенос (и умножение) этого тепла с отдачей в требуемом месте, а значит нагревом (или охлаждением). Зная основной физический принцип процесса можно определить практическое применение.
Для целей нагрева можно использовать тепло воды (если рядом есть проточный водоем), тепло воздуха или тепло грунта, а также такие «экзотические» источники тепловой энергии как , например, выпуск вентиляции из здания, температура сливных вод и т.д

 


1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛА ГРУНТА (ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ)

Известно, что температура земли с глубины 8-10 метров и глубже(до водоносного горизонта, вторгаться в который запрещено без соответствующих согласований) остается постоянной в течении всего года и равна (+8 С) .

 

До 8 метров глубины происходят сезонные колебания температуры.
По этой причине использование тепла земли разумно с глубины от 4 метров и до наиболее возможной глубины - чем больше - тем лучше( не «вторгаясь» в известняковый слой артезианского водоснабжения).
Существуют (принципиально) три способа использования тепла земли :
- геозонды в глубоких вертикальных скважинах
- так называемые – «гелиозонды» (глубиной до 10 метров)
- земляной коллектор (раскладка трубы на глубине ~ 2,5 метра).
Геозонды представляют из себя конструкцию из трубопроводов диаметром 32 мм обычно из трубы ПНД. Поскольку основная задача геозонда - забрать тепло из земли, бурится скважина без обсадной трубы, в которую вставляется зонд, состоящий из одной или двух (под 90?) U – образных зондов, после чего скважина тампонируется (бетонируется).
Теплосъем с 1 метра глубины (глубже 8 метров) составляет  гарантированно:
для обводненных глин и суглинков- 45 Вт/м.п при одинарном U-образном зонде
                                       - 55 Вт/м.п при 2-ном зонде
Для сухих глин и суглинков 40-50 Вт/м.п
Для песчаных грунтов 30-35 Вт/м.п
До глубины 8 метров рекомендуется выбирать теплоотдачу на 20% меньше.

 

 

«ГЕЛИОЗОНДЫ»- представляют из себя скрученную в спираль трубу диаметром 20/25мм, наружный диаметр «гелиозонда» составляет 300 мм. Пробурив скважины глубиной до 15 метров, в них погружают гелиозонды и затем бетонируют. Величины теплоотдачи земли аналогичны изложенным выше.

 

Земляной коллектор – обычно устраивают на глубине ниже глубины промерзания грунта (2-2,5 м .) разложив змеевик из трубопроводов с шагом 0,5-1 метр. После раскладки коллектор засыпается грунтом.
 Подмосковье относится скорее к северной климатической зоне, поэтому использование гелиозондов и земляных коллекторов целесообразно лишь при большом их количестве (площади) , что занимает довольно большую территорию земельного участка и становится довольно затратным . При этом следует учитывать, что при теплоотдаче земли происходит охлаждение грунта- не рекомендуется никаких посадок в зоне размещения таких теплообменников –все равно ничего расти не будет.

 

 

Использование геозондов в глубоких  вертикальных скважинах на наш взгляд наиболее эффективно по теплоотдаче и экономически оправдано. Бурение одной скважины большей глубины всегда экономически и технологически выгоднее бурения нескольких меньшей глубины.
Следует учитывать, что при необходимости бурения скважин более одной, их следует располагать на расстоянии не менее 8 метров одна от другой для исключения взаимного влияния и соответствующего снижения теплоотдачи грунта.

 

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛА ВОЗДУХА.
В воздухе, с температурой до -7? С также имеется некоторое количество низкопотенциального тепла, которое можно использовать для нужд отопления. Принцип теплового насоса в этом случае тот же, единственно , вариантов использования тепла для отопления может быть два -либо через воздушный обогрев помещения, либо с использованием водо- фреонового теплообменника и последующей передачей тепла в систему отопления здания. Особенно хорошо эта система работает при температуре от +7 до -2 (переходный предосенний период).     Кроме извлечения тепла из воздуха улицы, можно с помощью такого решения извлекать тепло, обычно теряемое с удаляемым из здания через систему вентиляции воздухом.
При использовании специализированной системы вентиляции здания обычно принимают кратность воздухообмена(замену всего объема воздуха в здании в час) от 2до 4, т.е. от 2 до 4 раз в течении часа обменивается весь нагретый объем воздуха в помещениях. При этом , естественно, он предварительно должен быть нагрет до комфортной температуры внутри помещений (это обычно 15-22? С в зависимости от назначения помещений в доме). Соответственно, если установить на вентиляционной шахте теплообменник с тепловым насосом, можно уменьшить потери тепла с удаляемым воздухом системы вентиляции.
  

 

1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛА ВОДЫ БЛИЗЛЕЖАЩЕГО ВОДОЕМА.
Если ваш дом (объект) расположен на берегу проточного водоема -Вы можете для его отопления использовать низкопотенциальное тепло воды .
На дне устраивается коллектор из труб с шагом 500мм - 1 метр, реализуются мероприятия, предотвращающие его всплытие и заморозку в зимний период (обычно водоемы промерзают на глубину до1- 1,5 метров. Температура воды в водоеме позволит осуществить теплосъем приблизительно 20- 30Вт/м2. Поскольку при работе теплового насоса из подводного коллектора забирается тепло, в случае использования непроточного водоема, существует опасность его заморозить , по этой причине применять такую систему в озерах, прудах и колодцах не рекомендуется.
Способы теплосъема более-менее понятны, перейдем, собственно к тепловому насосу.
Конструкция его довольна проста: в состав входят два теплообменника- испаритель и конденсатор, компрессор( обычно спиральный) для сжатия фреона, устройство дросселирования (расширения) сжатого фреона с соответствующим уменьшением температуры. Подводя низкопотенциальное тепло от грунта(воды,воздуха) к испарителю, за счет осуществления термодинамического цикла в тепловом насосе можно получить на выходе из теплообменника конденсатора теплоноситель с большим теплосодержанием, который затем можно использовать для целей отопления.

 

 

От чего зависит эффективность теплового насоса.

 

 

Коэффициент умножения энергии (СОР) зависит от нескольких факторов:
- конструкции собственно теплового насоса(в основном определяется типом компрессора)
- степени повышения температуры в тепловом  насосе Тсист.отопл- Т источника тепла (чем меньше разность температур - тем больше СОР)
- типа теплообменников  (для воздушных ТН обычно СОР 2-3, для водяных 3-5
Некоторые производители заявляют СОР на уровне 6,5- 7, но это с применением специальных теплоносителей и инженерных решений .
Для «реальной жизни» и перепада температур Т?30?,  можно считать СОР водо -водяной системы равным 4,а для воздушной системы при тех же разницах температур, СОР =3 в силу особенностей эффективности теплообменников разного типа.
 
 Для снижения затрат на эксплуатацию системы обогрева дома (а эти затраты могут быть весьма значительными при неразумной организации системы обогрева) необходимо изначально строить теплый дом или утеплить имеющийся.
Из чего складываются теплопотери дома и  что необходимо предпринять для получения дома с малыми теплопотерями.
Тепловая энергия в частном доме тратится на  обогрев помещений и нагрев горячей воды, при наличии специализированной системы вентиляции- еще и на нагрев приточного воздуха. Основные пути теплопотерь здания – это теплопотери в землю (через пол),через стены, окна, кровлю.
 Очень важен материал из которого построены стены . Применение различных материалов и решений предполагает соответствующую толщину стен при одинаковых тепловых характеристиках стен .

 

 

Немаловажен также учет кратности воздухообмена системы вентиляции – чем более чистый воздух требуется в помещении –тем больше тепловой энергии  потребует его нагрев. Для обычного частного дома без специальной системы вентиляции принимают кратность воздухообмена  0,5-1(не более), т. к. при  значениях кратности больше 1 суммарные теплопотери дома значительно превысят  необходимые 50-70 Вт/м2.


Какие практические мероприятия надо предпринимать для уменьшения тепло -потерь дома.

 

1. Для устройства системы отопления на основе геотермального тепла желательно , чтобы отапливаемая площадь помещений дома не превышала 300-400 квадратных метров- самые оптимальные дома по нашим расчетам- 100-250 квадратных метров( в этом случае получаются оптимальные по нашему мнению соотношения: «затраты- получаемый эффект»).
2. Простое ориентирование дома на местности окнами на юг может обеспечить прирост (уменьшение затрат)до 20% .
3. Установка не отапливаемой застекленной веранды (желательно по периметру дома) сильно уменьшает теплопотери через окна и стены.
4. Площадь остекления дома желательно не делать более 1/8 от площади поверхности стен для уменьшения теплопотерь через окна.
5. Наличие даже не отапливаемого подвального помещения заметно снижает теплопотери в землю.
6. Окна должны иметь минимум двойное остекление.
7. Утепление и теплоизолирование чердака может позволить сэкономить до 20% на отопление.
8. Использовать для стен современные материалы и решения с низкой теплопроводностью.
9. Дом желательно утеплить снаружи ( по нашим расчетам , для стандартного дома из пеноблока толщиной 300 мм., наружное теплоизолирование пенополистиролом толщиной 50мм., позволяет уменьшить теплопотери дома на 20%).
 
Кроме конструктивных путей уменьшения теплопотерь, существуют также мероприятия, связанные с эксплуатацией дома:
1. Использование таймера в отопительной системе позволит экономить тепло за счет уменьшения уровня обогрева в периоды, когда в доме никого нет.
2. Использование системы с регулированием температуры  комнатными термостатами уменьшает теплопотери за счет обеспечения разных уровней температур по помещениям.
3. Закрывая двери, отделяющие отапливаемые помещения от не отапливаемых , можно также уменьшать теплопотери соответствующих помещений.
4. Экономия горячей воды (~60% тепловой энергии дома тратится на разогрев бойлера ГВС), использование водо- водяных теплообменников мгновенного нагрева вместо бойлера ГВС- в этом случае на нагрев тратится только энергия, именно сейчас необходимая Вам для получения требуемого количества горячей воды.
5. Применение в котельной бака- аккумулятора тепла большой емкости (500-1000 л.) и 2-х тарифного электросчетчика позволит получать более дешевую тепловую энергию в ночное время (когда ее стоимость значительно меньше).
 
В сети интернет( на специализированных форумах и сайтах посвященных геотермальному обогреву) мы не нашли подробного обзора этой проблемы с практической точки зрения- преобладают принципиально два подхода- от подхода специализированных фирм- «платите деньги и Вам все сделают», до дилетантского «я что то закопал в землю и сколько то тепла получил».
Как говорил Менделеев Д.И : «…наука начинается там ,где начинаются измерения…»,поэтому рассмотрим основные  типичные ошибки при устройстве систем геотермального обогрева и что надо расчитывать обязательно:
1. Необходим расчет реальных теплопотерь дома на основании применяемых материалов и конструкции стен, потолков, перекрытий и т.д. и обеспечение минимально возможных теплопотерь здания на стадии строительства.
Очень часто этого не делается и реальная картина с желаемой могут отличаться в разы, что может привести к перемораживанию грунтового теплообменника с соответствующим получением «вечной мерзлоты» вокруг него и невозможностью функционирования.
Типичный пример такой ситуации – фото на сайте одной из прибалтийских фирм по продаже воздушных тепловых насосов- в летнее время наружный блок теплообменника представляет из себя глыбу льда- взяли тепла больше чем этот теплообменник был рассчитан и он просто перестал выполнять свои функции и оброс льдом

- как должно быть

-  неправильно расчитали

 

1. Необходим расчет грунтовых(или воздушных в случае воздушного теплового насоса) теплообменников на основании характеристик теплоотдачи соответствующих грунтов ,их водосодержания и т.д и собственно конструкции теплообменника- если недоразмерить- не получится требуемого количества тепла, если переразмерить- лишние нерациональные затраты.
2. Система геотермального обогрева обладает наибольшей эффективностью при низкой (30-40 градусов) температуре теплоносителя в системе отопления дома. По этой причине необходимо либо увеличивать мощность радиаторов при классической радиаторной системе отопления, либо специально расчитывать систему обогрева поверхностями- типичная ошибка- обеспечивать температуру теплоносителя на уровне 50-60градусов- в этом случае СОР системы падает и может достигать 1-2, что приводит к перегону электричества в тепло просто через дорогостоящую систему геотермального обогрева.

Расчет практического применения теплового насоса для обогрева дома в ближайшем Подмосковье

 

Наибольший практический интерес представляет расчет конкретного примера для конкретных условий.
 Если  у нас есть участок земли ? от 10 соток, район не газифицирован и перспектив газификации в обозримом будущем нет, к дому подведен электрокабель с  5 кВТ(минимально) электрической мощности,
Водоносный горизонт известняка находится на глубине 90-110 метров ( то есть типичные условия для дачи, например в районе Истры-50 км от Москвы )
 Мы решили построить дом площадью около 200-250 м2 из стеновых панелей по технологии «экопан» (osb плита(16мм) – экструдированный пенополистирол 120мм – osb-плита(12мм)), как наиболее «теплого» решения на сегодняшний день. Пластиковые окна с двойным стеклопакетом, утепленная кровля.  

 

Произведем оценочный расчет для реального дома , построенного из панелей

 

 

«экопан» площадью 245 кв.метров

 

Этап 1- расчет реальных теплопотерь помещений и здания в целом.
Расчеты проводятся с применением программ расчетов теплопотерь , применяющихся при проектировании систем.
 В результате расчетов теплопотерь дома мы получили средние теплопотери дома равные 50 Вт/м2, то есть для всего дома  общие теплопотери составили 12250 Вт.
Стоимость теплового расчета – 10000 рублей.( все стоимости приведены среднерыночные по Подмосковью на май 2010 года)
 
 Этап 2- расчет необходимой глубины грунтового теплообменника.
Для реальных условий Подмосковья( примем для расчетов Истринский р-н) преобладают суглинки с высоким уровнем грунтовых вод( до 1 метра).
Реальная теплоотдача такого грунта составляет 45-50 Вт с метра глубины .
Как показано выше, реальная( которая будет работать) конструкция грунтового теплообменника должна представлять из себя глубокую скважину(несколько скважин).
Общая глубина скважин составит: 12250вт/ 50 Вт/м.п= 245 метра. С «запасом» можно принять 250-260 м, то есть 3 скважины по 85 метров( чтобы не «вторгаться» в водоносный горизонт известняка).
Стоимость бурения 3-х скважин для геозондов(без обсадных труб)с монтажом геозондов в скважины:
  255м. х 1100 р/м= 280500 руб.
Стоимость 3-х  двойных геозондов PVC Rehau длиной по 100м=107500 руб.
 
Этап 3- размещение скважин на участке и ввод геозондов в дом.
Для уменьшения длины геозондов при подводе к техническому помещению и соответствующей оптимизации объема земляных работ принимаем решение размещать скважины по углам дома (средняя- напротив технического помещения в доме). При таком расположении обеспечивается расстояние между скважинами больше 8 метров и уменьшается протяженность магистралей подвода от скважин до ввода в дом ( в техническое помещение) . Для подвода используется трубопровод геозонда.
Стоимость трубного утеплителя для магистралей ( от скважины до коллектора геозондов протяженностью 50м )- 3000 рублей.
Земляные работы( прокладка магистралей на глубине 2м с вводом в тех. помещение) -45000 рублей.
Укладка трубопроводов и ввод в дом-15000 рублей.
Коллектор геозондов 3х3- 11000 рублей.
Этап 4- тепловой насос +бойлер
Стоимость собственно теплового насоса зависит от его марки и мощности и составляет на сегодняшний день 500-800долларов за киловатт( 15000-24000 рублей).
 В среднем современные тепловые насосы позволяют обеспечить тепловую мощность  при реальном СОР равном 4.
Выберем недорогой тепловой насос мощностью до 17 КВт (марку намеренно не привожу ,чтобы не рекламировать того или иного производителя)
Для приготовления горячей воды предлагается бойлер косвенного нагрева емкостью 500 литров (объем бойлера повышен ,т.к температура воды в бойлере с тепловым насосом составит 40 градусов).
Стоимость теплового насоса 17KW- 235000 руб.
Стоимость бойлера 500 л с необходимой обвязкой -100000 руб.

 

примерный вид «теплового пункта» в составе- тепловой насос,бойлер,термоаккумулятор

 

На основании расчета 4-х этапов мы получаем принципиальное отличие дома, отапливаемого  традиционной котельной и геотеплом
 
Потребление электричества при геотермальном обогреве составит (при реальном СОР=4) порядка 3,5 КВт причем это при температуре на улице -26С( реально , поскольку такие морозы не длятся долго–меньше).
Сложив затраты по 4-м этапам – 807000 рублей мы получаем порядок «цены вопроса» отопления тепловым насосом.
 
Для классической системы отопления на основе газовой котельной затраты примерно такие:
-стоимость подключения к газовой магистрали(все разрешения,проекты.работы,оборудование и т.д)- от 800000 рублей
- стоимость оборудования котельной (напольный котел ,бойлер 200литров,насосы.обвязка)с монтажом-240000 рублей
-стоимость дымохода и вытяжной вентиляции котельной-170000 рублей
- стоимость системы заземления котла (обязательное требование газовой службы)-40000 рублей
ИТОГО : порядка 1 250 000 рублей.
В случае отсутствия перспектив газификации реализация геотермального отопления становится экономически выгодной, но даже если есть возможность провести газ, порядки затрат на газификацию и устройство системы геотермии сопоставимы.
 Если стоимость газификации составляет  сопоставимую сумму( а она иногда реально выше), имеет смысл реализовать отопление дома тепловым насосом.
При устройстве системы отопления дома возможны два принципиальных подхода
- классическая система отопления на основе радиаторов, но при этом придется увеличивать их количество т.к по нашим оценкам ,реальная теплоотдача радиатора при уменьшении температурного напора падает в 5 раз- то есть при использовании алюминиевых радиаторов высотой 500 мм ( как имеющих наивысшую теплоотдачу секции до 200 Вт при режиме теплоотдачи 90-70 С) в случае геотермального обогрева (режим теплоотдачи 40-30 С) реальную теплоодачу одной секции следует принимать 50 Вт.
Для удобства может быть применена комбинированная схема( радиаторы и «теплый пол»)- такое решение можно рекомендовать для уже построенных домов, где на основании расчетов тепла только от  радиаторов( или только от теплого пола) недостаточно для обеспечения требуемого обогрева дома.
Расчеты затрат на систему отопления не приводим, т.к реальные затраты определяются конфигурацией и особенностями каждой системы и должны рассчитываться индивидуально

 

-система отопления на основе только низкотемпературных «теплых полов и стен»- наиболее предпочтительный вариант для геотермии- при этом можно обеспечить минимальный перепад температур между подачей и «обраткой» и соответственно обеспечить максимально возможный СОР ( до 5).

 

 

 

Что выигрывает потребитель в случае отопления геотеплом с применением теплового насоса.

 

1. Отопление дома практически реализуется при отсутствии газовых коммуникаций в районе ( необходимо только электричество)- негазифицированных районов в Подмосковье (даже ближнем)- большинство и чем дальше- тем это будет дороже.
2. Потребитель платит за тепло из расчета 3,5 КВт х8 часов( реальная продолжительность работы теплового оборудования в сутки)=30 КВт час (около 90 рублей в сутки)
3. Нет жестких требований к помещению котельной ,дымоходу ,вытяжной вентиляции из котельной (затраты на дымоход с вентиляцией из котельной могут составлять до 250000 рублей)
4. Обогрев геотеплом не требует обязательного обслуживания оборудования( что обязательно в случае газовой котельной и может составлять в год до 30000 рублей)
5. Система обогрева геотеплом реализуема даже при минимальной располагаемой электрической мощности ,подведенной к дому(даже при 5 КВт уже можно жить).
6. При отоплении дома только «теплым полом и стенами» в качестве бонуса( т.е совершенно бесплатно) получаем охлаждение в летний период- температура в земле постоянна в течение года, то есть существует принципиальная возможность обеспечения постоянной температуры в помещениях с помощью этой системы . Затраты на кондиционирование обычно сопоставимы со стоимостью устройства системы отопления и тоже потребляют электроэнергию ,только значительно больше.
7. При повышении (неминуемом) цены на газ, эксплуатационные расходы на обогрев в случае системы геотермального обогрева будут значительно ниже. Причем это уже выгоднее сейчас ,а при повышении цены газа будет еще больше.
8. Надежность теплового насоса такая же как у домашнего холодильника- ломаться особенно нечему. Чем система проще- тем надежнее.
9. Система неподнадзорна контролирующим органам, а значит коррупционно безопасна , что особенно ощутимо для офисных и общественных объектов.
10. При использовании обогрева геотермией при недостаточной теплоотдаче только от «теплового насоса» ( невозможность устройства грунтовых теплообменников в полном объеме, ограниченность в средствах на реализацию проекта и т.д) можно рекомендовать «решение, применимое в Российских условиях»- для догрева дома в особо холодный период- дополнять тепловой насос настенным газовым котлом с выхлопом его через стену и с питанием от баллона с жидким газом. По нашим расчетам одного баллона может хватить на 2-4 дня (в зависимости от площади дома,его тепловых характеристик и наружной температуры)

 

Генеральный директор компании «Барвиха–сервис» Владимир Денисов