На Северо-Западе постепенно приживается скандинавский опыт использования тепловых насосов для обогрева зданий. Тепловой насос — это холодильная установка, только наоборот. В холодильнике тепло отбирается от помещенных в него продуктов и выбрасывается во внешнюю среду, а тепловой насос забирает его из окружающей среды и передает в систему отопления или горячего водоснабжения. Перенос тепла обеспечивается жидкой рабочей средой, находящейся в испарителе под низким давлением. Температура среды с внешней стороны испарителя выше температуры кипения рабочей жидкости, и тепло передается от более нагретой среды к менее нагретой. Жидкость закипает, испаряется и совершается теплопередача.

Окружающие нас воздух, вода и почва нагреваются от солнечной энергии. Ее запасов на ближайшие пару миллионов лет хватит.

Шесть пар

Виды теплоносителей внешнего (накапливающего тепло) и внутреннего (передающего тепло в систему отопления) контуров определяют типовую схему установки. Их всего шесть: «воздух-вода», «вода-вода», «грунт-вода», «воздух-воздух», «вода-воздух» и «грунт-воздух».

Схемы, по которым тепло отбирается из окружающего воздуха и передается в помещение или отопительную систему, широко используют в теплых странах, например в Испании, Италии. Эти же тепловые насосы выполняют и функцию «natural cooling», то есть обеспечивают 
максимальный комфорт в жаркие дни. По сути это кондиционер с франкойлом (теплообменником).

Схему «воздух-вода» в наших условиях можно использовать в зданиях современной постройки как в сочетании с электронагревательной вставкой, так и в моновалентном режиме, но со значительным снижением КПД в холодное время года. Воздух внутри зданий также можно использовать в качестве отопительного источника, но только в особых условиях, когда, например, утилизируется тепло отходящих газов с промышленных предприятий.

Для тепловых насосов «воздух-вода» и «вода-воздух» найдено и другое применение: подогрев воды в бассейнах, в том числе открытых (уличных) и охлаждение воды в купели бани или сауны.

Попытки использовать схемы «вода-вода» и «вода-воздух» в наших условиях удовлетворительных результатов не дали: вода в открытых естественных водоемах слишком холодная. Однако при наличии «обратной» воды, например с очистных сооружений, такие схемы будут эффективны. Финские соседи применяют их на многих промышленных предприятиях.

Самые дорогие, но и самые эффективные схемы — «грунт-вода» и «грунт-воздух». Если рабочий контур достаточно заглублен, они не зависят от времени года.

В Швеции насчитывается около 500 000 таких установок, в Норвегии — примерно 70 000, в Финляндии — приблизительно 50 000.

Теплосодержащим считается верхний слой грунта толщиной от 1,2 до 1,5 метров. Тепло получают с помощью теплообменника, который находится на незастроенной площадке поблизости от здания, нуждающегося в отоплении. Тепло, поступающее из более глубоких слоев, составляет лишь 0,063–0,1 Вт/кв.м и в качестве источника не используется.

Площадь необходимой поверхности зависит от климатических условий.

В качестве источника тепла особенно подходит суглинок, сильно насыщенный водой. Чтобы получить тепло, необходимо проложить в грунте пластиковые трубы в несколько контуров. Рекомендуемая обычно длина контура труб — 100 м. Все трубопроводы в доме и вводы через стену должны быть теплоизолированы и не пропускать пар.

У схемы с горизонтально расположенными грунтовыми коллекторами два главных недостатка. Первый — потребность в довольно большом открытом участке, на котором нельзя размещать какие-либо строения, а также сажать деревья и кустарники с мощной корневой системой. Второй — значительное падение эффективности теплового насоса с середины и до конца отопительного сезона.

Для нашей территории с ее непродолжительным и холодным летом, за которое грунт не успевает собрать достаточное количество тепла, а так же для небольших участков в качестве альтернативы грунтовому коллектору выступают грунтовые вертикальные зонды. Грунтовый зонд — это две петли двойных U-образных пластиковых труб в одной скважине. Опыт показывает, что удельный тепловой поток сильно колеблется и находится между 10 и 20 Вт на один метр зонда.

Рабочая жидкость (рассол) течет по двум трубам из распределителя вниз, а по двум другим  — возвращается наверх. Другой вариант — коаксиальные пластиковые трубы («труба в трубе»): внутренняя для подачи рассола и внешняя для возврата.

Грунтовым зондам требуется влажный каменистый или водоносный грунты, тепловая мощность в нашей местности не превышает 50 Вт/м. Если проводить расчеты исходя из этого значения, то, например, для производительности 6,5 кВт потребуется зонд длиной 130 м или два зонда по 65 метров каждый. Расстояние между двумя грунтовыми зондами при этом должно составлять 5–6 м.

Ведущей компанией, поставляющей тепловые насосы на Северо-Запад, является Viessmann (Германия). Есть предложения от Vaillant (Германия), Mammoth (США), Zubadan Inverter (Япония), Lampoassa (Финляндия), Albion Group (чешско-китайская торговая марка Brilix). Отечественные производители, например, петербургская компания «РефКом», предлагают «отверточные» варианты агрегатов «грунт-вода» при 100% импортных комплектующих с более низкой (на 15–20%) ценой. Это оборудование можно устанавливать в коттедже, на даче и даже в многоквартирных домах при соблюдении необходимых технических требований.

В землю — надолго

Окончательную стоимость установки можно определить только после выбора схемы и обследования участка. Стоимость теплового насоса зависит от его мощности и фирмы-изготовителя. Насос мощностью 5,6 кВт обойдется не дешевле 90 000 руб., 15 кВт — не менее 190 000 рублей. Насосы от Viessman, будут дороже на 15–20 %, это объясняется более полной комплектацией, гарантийными и постгарантийными обязательствами. Бурение геотермальных скважин будет стоить примерно 1300 руб./п.м. Реализация, например, схемы «вода-вода» при ее расположении не далее 50 метров от дома и мощности тепловых насосов 5,6–11,5 кВт обойдется в 240–490 тыс. руб. А стоимость геотермальной установки «воздух–вода» с тепловыми насосами Zubadan (по данным Русской инженерной компании) составит около 250 000 руб.

Сравнительный анализ экономических показателей теплоснабжения жилого дома площадью 300 кв.м с тепловым насосом («грунт-вода») и котельными установками на газе, жидком топливе и электричестве дал следующие результаты. Стоимость установки и монтажа теплового насоса дороже в 4–6 раз. Самая низкая цена — у электрокотельной. Для нее нужно и минимальное помещение (около 3 кв.м), для остальных вариантов потребуется около 6 кв.м. Зато она лидирует по расходу топлива (или электричества). Ее часовое потребление в 15,5–17 раз больше, чем у других вариантов, а годовой расход может составить около 60 000 кВт. Газовый котел потребует примерно 2500 куб.м газа, а дизельный — 8,5 тонн топлива. Для теплового насоса топлива не требуется, поэтому он наименее взрыво- и пожароопасен. Вредные выбросы есть только у газового и дизельного котлов. Чтобы их удалить, необходима система вентиляции. Срок службы газовых, жидкотопливных и электрокотлов составляет 5-8 лет (до полной замены основного оборудования), теплового насоса — до 40–50 лет. Срок окупаемости теплового насоса — 6–10 лет. По истечении 4–6 лет текущие расходы становятся сопоставимыми с остальными вариантами, а через 10 лет — в 3–4 раза ниже их. То есть геотермальная установка экономически выгодна для жилого дома, срок службы которого составляет 25–45 лет.

Экспертный курултай

Михаил Иванов, инженер техотдела ООО «Балтекс»:

– При использовании бросового тепла проблемой может стать необходимость перекачки большого количества воды. Так, для выработки 300 кВт тепла при схеме теплового насоса «вода-вода» необходимо постоянно прокачивать через теплообменник более 60 куб.м/ч воды 
с температурой более +5 °С. Для этого потребуется небольшое озеро теплой водой, что на самом деле бывает редко. Эти условия могут обеспечить очистные сооружения или технологическая линия машиностроительного производства.

Другая опасность таится в химическом составе воды. Производители тепловых насосов устанавливают жесткий регламент ее качества. Если в ней присутствуют жиры и железо, то теплообменник быстро выйдет из строя, а гарантии на оборудование будут сняты. В этом случае возможна дорогая подготовка воды. Но наша фирма устанавливает дополнительный  промежуточный теплообменник, рассчитанный на конкретный химический состав прокачиваемой воды. Такое решение тоже несколько удорожает систему, но необходимость ее капремонта через каждые 3–5 лет отпадает.

И последнее. Средняя температура грунтовых вод в Западной Европе — около +12 °С, а в нашем Северо-Западном регионе она не выше +2 °С. Этого явно недостаточно, так как для нормальной работы требуется не менее +4...+6 °С.