О тепловом насосе замолвите слово...

Захотелось написать о тепловых насосах - "как оно есть на самом деле", с точки зрения практики. Поскольку среди знакомых я известен как "физик", практики с расчётами всякого странного непрофильного у меня много, и при расчёте/установке двух систем ТН с грунтовым контуром я участвовал. (Все, кто знаком с "говорят, ты программист тут надо винду поставить", легко поймут, как так получилось).

Сначала 3.5 минуты очень простой теории. Тепловой насос - это холодильник, машина, которая охлаждает холодное и вытащенным теплом нагревает тёплое (точнее, наоборот: холодильник - это один из случаев теплового насоса, но холодильник-то все видели и знают). Этот процесс, согласно второму закону термодинамики, требует вложения механической (электрической или любой другой низкоэнтропийной) энергии. И чем меньше разница температур, тем меньше нужно вложить электрических ватт на каждый ватт перекаченного тепла. Идеальная машина, работающая по обратному циклу Карно, тратила бы в Тгор/(Тгор-Тхол) меньше электричества на каждый перекачаный ватт (NB: температуры тут абсолютные, "градусы цельсия + 273", это важно).

Реальные машины в 2-5 раз хуже идеальной, так что на практике получается в разы больше, но принцип остаётся тем же: чем меньше разница температур, тем выгоднее тепловой насос. Это основной, фундаментальный факт, из которого прямо следует всё остальное на практике, все технические решения с их сложностями, плюсами, минусами, вся экономика напрямую следуют из этого.

Скажем, если мы забираем тепло при 0С и нагреваем что-то с 30С, то теоретический КПЭ (коэффициент преобразования энергии) равен чему-то там около е = 313/(313-273) ~= 10. Плюс 1, то есть, в сумме ~= 11. (Потому что мы скидываем потраченную нами механическую энергию в тепло на "горячей" стороне, и вся она нам в плюс - тоже идёт в нагрев. Если мы охлаждаем (холодильник, кондиционер), то это рассеянное тепло нам для целевой функции бесполезно, и там единички не прибавляется.) На практике машины в несколько раз хуже идеальной, так что обычный кондей даст КПЭ что-то там около 4-5 (ну, 5 - это очень хорошие машины). 

Для любого ТН доступны графики - зависимость КПЭ от температур на входе и на выходе. Их (помимо всего прочего) нужно внимательно смотреть перед решением о покупке. 

Важно ещё понимать, что для на любом теплообмене теряются градусы. Скажем, если ТН греет воду, которая греет пол, который греет воздух, то нужен большой перепад температур, чтобы в компактном теплообменнике достаточно быстро греть воду, нужен перепад температур, чтобы греть пол, и пол тоже должен быть горячее воздуха, чтобы греть воздух. На каждом этапе нужен тепловой напор в несколько градусов, и если их просуммировать, то выходит, что ТН греет воду до куда более высокой температуры, чем нужно... а помним: больше разница температур - больше затраты электричества. Лишняя разница температур - это напрямую затраты бабла на эксплуатации.

Всё.

...

Теперь, зная эти основы, посмотрим: где можно взять "холодное" тепло для нагрева жилища или горячей воды. 

• Самое простое и доступное везде - воздух.

И да, так делают: нынче многие, почти все кондеи умеют работать в режиме отопления. Проблем тут две, и первая - никак не поборима: отопление требуется тогда, когда снаружи холодный воздух. И чем он холоднее, тем больше требуется отопления. Но чем воздух холоднее, тем сложнее отбирать от него тепло, тем меньше КПЭ и итоговая тепловая мощность кондея на отопление. Получается очень неудобно: когда отопление больше всего нужно, его меньше всего, зато максимальная мощность доступна именно тогда, когда нафиг не нужна.

Значит ли это, что кондей (ТН "воздух-воздух") бесполезен? Не, нифига. Во-первых, как расскажет любой продаван, есть машины (конкретно пример: "Мицубиси", серия "Зубадан"), которые нормально работают при -20С и имеют КПЭ около 2. Два больше одного у электрокотла, как ни крути. Во-вторых, много где (к географии ещё вернёмся) значительная часть отопительного сезона проходит при более высоких температурах, а чем теплее снаружи - тем выгоднее воздушный ТН. В межсезонье, весной-осенью ТН "воздух-воздух) вполне может быть единственным источником тепла, и он отлично комбинируется с печкой, например. Топить печку, когда снаружи 0..+10С не очень удобно - либо перетоп, либо топить нужно понемногу и часто (что для печки нехорошо), кондей в режиме отопления закрывает вопрос полностью.

По плюсам:

- ставятся такие машины просто, дёшево и быстро, за день, никаких особо сложных и дорогих работ не требуют. Купил, приехали, поставили, всё - в тот же день работает;

- сами по себе они недорогие, и это вещь в себе - сам себе и котёл, и система отопления, поставил - всё сразу есть;

- плюс, как ни крути, кондей с функцией обогрева - машина двойного назначения: жарко - холодит, прохладно - греет. 

- КПЭ относительно высок, потому что ТН "воздух-воздух" греет воздух без посредников.

Из таких уж явных минусов:

- основной системой отопления может быть лишь на югах (из русских югов это юг Краснодарского края и Крым, и то с оговорками);

- шум (от компрессора, от внутреннего и от наружнего блоков - ещё и аэродинамический, воздуха нужно гонять много и быстро);

- вода и всё с ней связанное: она то конденсируется на внутреннем блоке, то замерзает на внешнем, то на внутреннем пыль копится и всякая микронечисть плодится. Производители с этим борятся с переменным успехом. Часто даже полным, но тут нужно специально смотреть и проверять: скажем, далеко не все кондеи могут работать на отопление при температуре улицы ниже нуля - наружный блок может обмерзать;

- температуры ниже нуля могут загнать теплононоситель и машину в целом в неэффективную зону работы. Есть машины, которые это могут легко и штатно, но это нужно отдельно спрашивать и проверять. Это не недостаток технологии, но машины бывают очень разными, при покупке об этом нужно знать и это нужно учитывать, чтоб потом не было "я купил ваш дико дорогой разрекламированный "мерседес", а он по льду ездит плохо, в воде тонет просто тонет нафиг".

В целом для южных и приморских регионов может быть частью неплохого решения, если нет трубопроводного газа. Не нужно зацикливаться на пиковых морозах - для них есть печка (или электронагрев, или что там ещё). Нужно смотреть на профиль температур по году. Если 5 месяцев в году ТН работает со средним КПЭ три, и только два месяца нужно догреваться чистым электричеством, то это не значит, что ТН бесполезен. В сумме по году выходит очень приличная экономия при очень небольших затратах (ну, конечно, если устраивают остальные недостатки воздушного ТН).

Есть ТН "воздух-вода". Наружный блок - как обычно (как огромный наружный блок кондея), а внутри - тёплая вода идёт в тёплый пол. Это удобно тем, что внутри нет шума и воздушных потоков, кроме того, второй ступенью можно обеспечить ГВС (внутри установки ещё один ТН помельче берёт горячую воду 25-30С первого как источник тепла и догоняет до требуемой для бытовой горячей воды температуры 60-70С). Их ставят в южных странах, иногда ставят у нас, рекламируют в России, но... они пригодны для более южных стран, где в основном отопление идёт при наружних небольших плюсах. У них меньше полный КПЭ (помните про потери градусов на теплообмене?), они дороже в эксплуатации, они сильно дороже из-за теплообменников и требуют, чтобы у дома уже был тёплый пол (без этого вообще бесполезны).

В Эстонии (и Питере, скажем) установку ТН "воздух-вода" по последним годам можно обсуждать (и не факт, что это будет гут), всё зависит от конкретных местных чисел, цен и предложений. Но для бОльшей части России (кроме Краснодара-Сочи-Крыма и т.п.) они, КМК, бесполезны: слишком дорого как дополнительная система, слишком малый КПЭ для основной. Плюс моё личное субъективное: я видел такие системы в жизни... наружние теплообменники для полноценного отопления - большие, и шума от них тоже много, и стоЯт они вплотную к дому. Надо ли оно?

Есть интересный подвид таких систем, совмещённый с приточно-вытяжной вентиляцией. Идея в том, что тепло забирается из выходящего после рекуператора) из дома воздуха, охлаждая его до температуры ниже уличной) и отдаётся входящему в вентиляцию и воде для тёплого пола/ГВС. Для больших офисных зданий, где велики потери именно на вентиляцию, кондеи всё равно обязательный причиндал, а системы большие и удалены от людей - ну, может быть неплохим решением. Для частных домов (предлагаются и небольшие) - это чуть лучше варианта выше. Лучше. Но лишь чуть. :) Опять же, дом уже должен иметь систему приточно-вытяжной механической вентиляции.

• Второе по популярности решение - брать зимой тепло из грунта (которое критиковалось тут странным образом ранее).

Идея очень проста: зимой воздух холодный, но грунт-то - грунт, он тёплый. Про гиперболическую зависимость от разницы температур помним? Это очень сильная зависимость. При температуре в грунтовом контуре +5С и температуре в системе отопления +27С КПЭ у нормальных машин порядка 5. Это много, экономия в 5 раз - это хорошо. Но система эта более сложная в проектировании и установке, и есть несколько вещей, которые обязательно нужно смотреть (и до установки, и во время) в совокупности.

Во-первых, пойду от печки. Эффективность теплового насоса, работающего на тёплый пол, сильно (очень сильно!) зависит от тёплого пола. Многие этого не понимают и откровенно тупят. Так вот, тупить не надо: помните про разницу температур. Чем горячее вода в системе отопления, тем больше электричества тратится, тем меньше ТН даёт тепла. Тёплый пол под ТН лучше делать по всем правилам: ставятся металлические распределители тепла, толстый линолиум с теплоизоляцией - противопоказан, 3мм пенополиэтилен под ламинат тоже ухудшает теплоотдачу. Вы знаете свои вкусы и привычки, так что подумайте заранее... если у вас будет лежать толстенный ковёр на 20 квадратных метров из 30 квадратов гостиной, то как, нафиг, тёплый пол будет греть через него комнату? Скорее всего, очень плохо будет греть. Тут не нужно даже знать никакой физики, тут просто подумать на шаг вперёд. Автоматика, конечно, будет стараться, температура теплоносителя поднимется до 40С, на оставшихся квадратах пол будет очень тёплым... но это же напрямую горят ваши деньги. Если вы любите пол в коврах, то ТН с тёплым полом не принесёт вам выгод как в рекламе, реальный КПЭ будет меньше. 

Плюс очень важно общее утепление дома и температура дома. Если у вас теплопотери такие, что нужно обеспечить отоплением 150Вт на квадратный метр, то учтите, что теплоотдача тёплого пола - что-то там порядка 8-10Вт с квадрата на каждый градус разницы между полом и воздухом. 150Вт делим на 8Вт, получаем почти 20С. Если у вас в комнате уже +20С, то вам нужен пол уже в почти +40С, это недопустимо! Санитарный предел: 35С (выше у вас будут проблемы с сердцем, с ногами, с иммунитетом, в общем - честно, ну не нужно этого делать). А если вы любите в гостиной +25С, то вот вам предел на разницу - 10С, и предел на теплопотери дома - порядка 80-100Вт/м2 (10кВт на 100м2 дом) в самый сильный мороз. Это вовсе не жёсткие ограничения, это не сильно утеплённый дом, но это нужно учесть: ТН имеет смысл только в утеплённом доме. 

Туда же, ту же в строку и чисто экономические аргументы: посмотрите, сколько стОит грунтовый ТН на 15кВт. Потом посмотрите, сколько стОит на 5кВт. Оцените эту разницу - почти миллион в рублях (а то и больше). Нафига? До определённого момента выгоднее утеплять дом, чем увеличивать мощность ТН, проблему нужно смотреть в комплексе.

Из этого же следует ещё один смешной прикол, источник критики ТН как технологии у жертв злобных (или добрых, но просто тупых) продаванов. Мощность ТН - довольно дорогая. Компрессор дорогой, теплообменники дорогие, грунтовый контур дорогой... это всё дорого, да. Поэтому, что делают умные и экономные буржуи (тут без сарказма)? Допустим, они посчитали, что 2 недели в году им требуется мощность 7кВт, одну неделю - 10кВт, а всё остальное время хватит 5кВт. Они ставят в 5кВт ТН электрокотёл на 5кВт и заставляют автоматику ТН догревать чистым электричеством, если мощности компрессора не хватает. Почти любой ТН имеет внутри электрокотёл - это правильно и выгодно. Что делают продаваны? Они смотрят пиковую мощность установки и ставят покупателям как 10кВт... не смотря на профили нагрузки, не смотря на потребление дома... вообще бездумно. Что происходит? Правильно: пол-зимы потребляемая мощность по теплу 7кВт и 2кВт чистого электронагревателя просаживают КПЭ до полутора. Жертва продаванов смотрит на счёт, смотрит на свою кебенейматику, которая обошлась в круглую сумму и начинает посулать проклятья... нет, не продаванам и своей глупости, но изобретателям тепловых насосов и тем, кто ими доволен и честно об этом говорил. :) 

Не надо так делать: смотрите на свой профиль потребления, смотрите в характеристики ТН - мощность компрессора там и электрокотла всегда указывается отдельно, производители вовсе не хотят вас обмануть. Обман случится только если вы сами этого очень уж захотите и сделаете известную позу "сделайте мне красиво! плачУ!". Обычно такие люди потом не только платят, но и плачут. Правило простое: минимум 70-80% тепловой нагрузки должно закрываться ТН.

Один из способов решить проблему пиков и даже сэкономить - увеличить тепловую инерцию системы: "шведская плита", монтирование тёплого пола в утеплённый плитный фундамент, можно увеличить размер теплоаккумулятора. Вне пиковых холодов это ещё и позволяет использовать по бОльшей части дешёвое "ночное" электричество, автоматика это часто позволяет. Это увеличивает безопасность дома - хорошо утеплённый дом с большими баками-аккумуляторами запросто "проедет" на одной тепловой инерции несколько дней. Это ещё выгодно ещё и потому, что уменьшает число включений-выглючений компрессора, прямая выгода в экономии ресурса (в отличие от некоторых заявлений, ТН работают десятки лет подряд, одна из систем из моего небогатого опыта работает 12 лет без всяких проблем и заканчиваться не собирается, лет через 20-25 может потребоваться заменить компрессор - несколько сотен евро вместе с работой).

И только теперь добрались до, собссно, грунтового контура.

Частные решения по месту могут быть оригинальными и куда более эффективными, но в основной массе контуры делаются двух видов - скважины и поверхностные коллекторы.

Попросту: поверхностные дешевле и рекомендуются в регионах с тёплыми зимами, скважины дороже, но выгоднее и отбиваются потом (и для холодных регионов лучше).

Установка поверхностного дёшева (можно и вообще без техники - затакжикить канаву или даже копать самостоятельно, хоть это и очень много-долго), но требует перерывать участок. Копается канава, туда кидается обычная полиэтиленовая труба спиралью, закапывается канава. Засады с поверхностными коллекторами в бОльшем количестве нюансов. Нужно знать почву, нужно знать глубину промерзания, средние температуры и профили по году, желательно осадки, нужно прицениться к местности (некоторые вещи типа высокой верховодки могут сильно менять оптимум и влиять на цену). Глубина и шаг канав рассчитываются (просто кинуть как-то наугад - сыграть в лотерею, в лотерею редко выигрывают). Если используются типовые решения, обязательно проследить, чтобы они были типовыми для данной местности. Типовые решения для Франции совсем не те, что для Подмосковья или Прибалтики (хотя и там, и там, и там ТН могут быть установлены с большой выгодой и пользой). Если ТН у вас редкость, лучше попросить референтное решение для своей местности, которое работает не менее 3 лет (за это время полигон примерно выходит на новые средние значения) - посмотреть, прицениться. 

Очень важна не только общая длина труб, но и площадь по которой они раскиданы: это даже интуитивно понятно, что если уложить 1км труб в бобину на пятачке 2х2 метра, то всё выморозится очень быстро. Минимальная длина между канавами 2-3 метра, но больше - больше. Чем больше охватываемая площадь и объём, тем легче всё прогреется летом, больше солнца, больше дождевой воды, больше доступных запасов тепла зимой.

Заметьте: в нашей местности (не франциях-германиях) в грунтовый контур заливается антифриз (температура в трубе ниже, чем температура грунта - она ж должна охлаждать). Объём труб имеет значение - вы ж будете заливать их антифризом, гидросопротивление - тоже (поэтому разложить несколько петель с коллектором может быть гораздо выгоднее, чем одну длинную, несмотря на то, что коллектор стОит денег). Но всё это такие вещи, которые уже должен считать установщик. Со стороны пользователя, незнакомого с нюансами можно лишь грубо оценить достаточность полигона... по площади он не должен быть менее 1.5-2 отапливаемых площадей в Эстонии, 2-3 в Подмосковье. Есть зависимость от грунтов и т.п., но если вам под Питером предлагают закопать трубу для 200м2 дома на лужайке перед домом 20 на 10 метров... ну, должлго и счастливо работать оно точно не будет. Пара холодных зим, и привет. Не недооценивайте требуемую площадь под полигон. 

Про мёрзлые лужайки - фигня, трава-цветы над полигоном растут нормально. Не верьте страшилкам. Деревья и кустарники непосредственно над контуром сажаться не должны, кроме того, тень, изоляция от дождя и ветра ухудшают прогрев летом. Грунт тёплый не сам по себе, некоей магией, нет, он прогревается за лето. Всё тепло, что вы вытащили за зиму, должно как-то попасть вниз за лето - учтите при планировании участка. Лучше собирать тепло внизу склона, чем вверху, лучше - на южном склоне, чем на северном и т.п.

Скважины. Их бурят и бетонируют специально обученые люди за специальные деньги, заколхозить их нельзя и пробовать не советую. Обычно приезжает бур, вынимает грунт на 30-50 метров в глубину, опускает туда одну или две пары труб, с т.н. u-зондом, наконечником, заливают всё это специальным раствором. Опять же, чем больше расстояние между скважинами и больше объём полигона - тем лучше. Тепло попадает в грунт сверху, не слушайте никакой бред про вечно тёплую землю и прогрев с глубины - это на 2-3-4 года, не более, долговременная температура определяется только поступлениями летнего тепла. Представьте себе путь тепла сверху в скважину, его должно быть как можно больше, исходите из этого. Расчёт теплосъёма прост: 30-80Вт средних ватт с погонного метра, в зависимости от грунта, то есть, если расчётно от ТН требуется 5кВт, нужно 3 скважины. Если 10кВт - 5-7. 

...

Есть целый класс решений, которые помогают восстанавливать тепло в земле летом (и даже прогревать землю до высоких температур), но их очень много разных и они пока применяются нечасто. Обсуждать их все смысла нет, хотя каждый разумный мужик, обладая твёрдыми знаниями в школьной арифметике, физике и калькулятором, сможет сам по месту решить, с чего он может (и может ли) снять дополнительные рубли экономии по месту. Принцип знаете - "чем меньше разница температур, тем выгоднее ТН", дальше сообразить несложно. Замечу только, что до десятки КПЭ догнать можно, а вот сильно перегревать "холодный" контур ТН нельзя: компрессор и его внутренний контур рассчитан на определённое давление хладагента, если весь контур будет слишком тёплый, то хладагент будет под большим давлением. Может и лопнуть.

...

Отдельно отмечу двухконтурные ТН: сначала большой насос качает тепло и поднимает температуру для отопления, потом дополнительный маленький насос греет воду для ДВС. КПЭ тут меньше (термодинамику количеством контуров не обманешь), но всё равно раза в два дешевле, чем чистый электробойлер. Ну и иногда это тупо удобно: ставится одна железяка, от неё и отопление, и горячая вода. Одна установка, одно подключение.

...

Упоминал уже, но отдельно отмечу, что размер бака-аккумулятора (и под отопление, и под ГВС) имеет значение. Чем больше - тем лучше. Обычно он несколько десятков-сотен литров, но бывают и большие.

...

Отдельно отмечу "тёплые стены". Чуть дороже пола, не всегда вообще возможны, но и теплоотдача с них (на квадрат) выше. Профит прямой: чем больше площадь теплообмена - тем меньше нужен тепловой напор, а эти градусы, как помним, - напрямую деньги при эксплуатации. Плюс бОльшая гибкость при размещении мебели-ковров. Плюс, что тоже очень важно - в комнате с большой площадью тёплых поверхностей можно иметь температуру воздуха меньше при том же (точнее, бОльшем) комфорте. Вообще, про излучательный теплообмен и ощущения тепла человеком отдельный разговор, но в целом это даёт особый, очень приятный микроклимат, знакомый каждому, кто зимой резко открыв окно, за десятки секунд проветривал комнату - одновременно и свежесть, и тепло.

...

Плюсы грунтовых ТН очевидны: 

- высокий средний КПЭ зимой. А высокий КПЭ это не только меньше расход электроэнергии, это, например, ещё и в разы меньшая постоянно подключенная мощность (кто сидит на далёком проводе от большой деревни - тот поймёт). Нормально посчитанная и поставленная система у нас даёт экономию в 3.5 раза в среднем по году по КПЭ, в сравнении с электричеством, плюс возможность использовать ночные тарифы... получается сильно дешевле газа (хотя дороже в установке).

Минусы:

- цена. Нет, не так, а так - цена! Да, отбивается довольно быстро, но на установку деньги нужны одним куском, а при строительстве и на новый дом они и так летят со свистом.

- для поверхностного контура надо перекопать участок. Для скважин - тоже, бур должен подъехать, не везде и не всегда это вообще реально.

...

Звучит сложно? Долго? Сложнее, чем "ТН - бессмысленное зелёное говно" и сложнее, чем "проведём газ - заживём, наконец, как люди"? Да.

Но тут кому что нужно. Ещё замечу, что к "зелени" (если подразумевать экологичность, "углеродный след" и всё такое) ТН имеет отношения мало: ТН - это для тех, у кого надёжное внешнее электроснабжение. На автономке (от СБ) применение ТН малореально или нереально совсем по целому ряду причин (могу изложить подробно, но не думаю, что кому-то нужно). То есть, это такая отоплялка для тех, кому очень дорого вести себе трубопроводный газ, а ставить нормальную печку и топить дровами влом. Это очень комфортное отопление, легко автоматизируется полностью, не требует никакого обслуживания, поэтому частый выбор для частников в новом доме (у нас) чуть подальше от города, но с нормальной сетью. В Эстонии по сравнению с электричеством окупается за 5-10 лет (что в сравнении с домом - ничто, и далее можно считать это инвестицией с 10-20% годовых). Это далеко не экзотика, установки их массовы, решения опробованы, экономика десятилетия как доказана. В России их пока очень мало, поэтому, КМК, эта вводная может быть кому-то полезна.

Если кто хотел понять для себя, какие есть способы топить, кроме газа - вот, ещё один из них я изложил.