Энергию можно получать не только напрямую от Солнца. Есть куда более близкие к нам низкотемпературные источники, а именно воздух, вода и почва. Отобрать энергию поможет устройство, называемое тепловым насосом. Такие установки сложнее и дороже солнечных коллекторов, но более эффективны и способны собирать тепловую энергию из окружающей среды вне зависимости от погоды. Принцип действия довольно прост: теплоноситель поступает к установке, охлаждается в ней на несколько градусов, а полученную энергию можно использовать для нагревания воды и обогрева помещений.

Основной элемент системы - сам тепловой насос, устанавливаемый в помещении. Чаще всего, чтобы объяснить его принцип действия, используют метафору «холодильник наоборот».

В контуре насоса циркулирует фреон - жидкость с низкой температурой кипения. В испарителе фреон превращается в пар и отбирает тепло от теплоносителя наружного контура системы. Затем пар сжимается компрессором, при этом его температура повышается. Горячий сжатый пар поступает в конденсатор, передает тепло на теплообменник, соединяющийся с системами отопления и горячего водоснабжения, а сам снова превращается в жидкость. Далее за счет перепада давлений фреон проходит через дроссельный клапан и снова попадает в испаритель, после чего цикл повторяется.

Иногда вместо водяного отопления используется воздушное, т. е. в качестве теплоносителя выступает воздух. Сами корпуса насосов, устанавливаемых в помещении, имеют надежную шумо- и виброизоляцию компрессора и работают практически бесшумно. Как уже упоминалось, источниками энергии могут быть воздух, вода или грунт. В соответствии с этим все насосы делятся на три категории. Отдельно упоминать насосы, в которых в роли горячего теплоносителя выступает воздух, мы не будем: принцип работы системы у них аналогичен, а доля на рынке невелика «Воздух-вода». По принципу действия эти насосы сходны с кондиционерами. Стоят они относительно недорого, монтируются просто. Такие насосы, как и кондиционеры, выпускают в вариантах «моно» или «сплит». Моноблоки можно монтировать снаружи здания, при этом экономится место и решается проблема шума. При внутренней установке моноблок получает и возвращает наружный воздух через шланги.

В сплит-системе используются два блока: наружный с вентилятором и испарителем и внутренний с конденсатором и автоматикой управления. Компрессор может располагаться в любом из блоков. Недостаток - плохая работа зимой: чем холоднее воздух, тем сложнее отобрать у него энергию. При температурах воздуха ниже десяти-двадцати градусов мороза насос практически перестает работать. Некоторый интерес представляет установка такого насоса в систему вентиляции дома Выходящий воздух имеет температуру порядка 15-25 °С, использовать это тепло можно, хотя большой производительности ждать, разумеется, не приходится.

«Вода-вода». Даже зимой в водоемах температура воды составляет 4 °С, а в скважинах - еще больше, т.е. насосы, использующие воду в качестве теплоносителя, способны работать при любом морозе. Теплоноситель подается с помощью обычного насоса, в качестве его источника может выступать пруд, река или скважина. Отработавшая вода сливается в тот же водоем или соседнюю скважину. По энергоэффективности такие насосы наиболее экономичны, немногим сложнее воздушных, однако и у них есть недостатки. Примерный требуемый расход воды для небольшого дома составляет несколько кубометров в час. Близко расположенные водоемы есть далеко не у каждого дома. Использовать скважины реально не во всех случаях. Грунт должен быть достаточно проницаем, чтобы обеспечить быстрое пополнение воды в эксплуатационной и понижение уровня в нагнетательной скважинах. Обычно рекомендуемый перепад высоты от теплового насоса до зеркала источника - не более 15-20 м, с его увеличением возрастают затраты на перекачку. Внешняя вода обычно содержит примеси, так что потребуются меры по ее предварительной очистке. Периодически придется проводить чистку контура первичного теплообменника Не следует забывать и о защите системы при возможном замерзании воды зимой.

«Рассол-вода». Грунт - самый стабильный источник тепловой энергии, получающий ее как от солнца, так и от земного ядра. Влияние Солнца на температуру почвы ощущается на глубинах до 6-8 м, на уровне ниже 10 м ее температура практически постоянна, не зависит от времени года и понемногу увеличивается с возрастанием глубины. Разумеется, «принести» грунт к насосу не получится, отбор осуществляется с помощью теплоносителя (чаще всего гликолевого антифриза), текущего по пластиковым или металлопластиковым трубам, проложенным в его толще. Такие насосы относятся к замкнутым системам и, несмотря на дороговизну, занимают большую часть рынка. Однажды установленный контур способен служить не менее сотни лет. Теплообменник в таких системах может быть двух типов.

Горизонтальный коллектор. В качестве первичного контура теплообмена используются трубы, укладываемые на большой площади и относительно небольшой глубине, порядка одного-трех метров. В зависимости от особенностей грунта и рельефа выделенного участка подбирается схема укладки: зигзаг, петли, змейки, горизонтальные или вертикальные спирали разных форм. Обычно используются несколько параллельно соединенных контуров, подключенных к общему распределительному коллектору. Чтобы не тратить энергию на прокачку жидкости через всю систему, в теплую погоду часть контуров можно перекрывать. Для горизонтальных коллекторов основной источник тепла - солнечная радиация, поэтому для эффективного теплосъема площадь, под которой расположен коллектор, в дальнейшем можно использовать только в качестве газона или лужайки. Затенять ее деревьями или тем более ставить строения нельзя. Размер такой лужайки может в два-три раза превышать отапливаемую площадь дома, что не всегда приемлемо. Если поблизости найдется подходящий водоем, коллектор лучше поместить в воду.

Вертикальный грунтовой зонд. Трубы теплообменника опускают в скважину большой глубины. Стоимость работ возрастает с увеличением глубины бурения, поэтому вместо одной глубокой скважины обычно предпочитают пробурить несколько глубиной 50-100 м. Бурение стоит дороже, чем открытые земляные работы по установке горизонтального коллектора, но занимаемая площадь минимальна, к тому же расчетная температура грунта несколько выше. Они составляет 7-10 С в зависимости от его вида, а значит, уменьшается расчетная длина трубопровода. Чаще всего используется U-образная конструкция зонда: в скважину на все ее глубину опускают две петли труб, реже другое их количество. Возможно также коаксиальное расположение: по внутренней трубе «рассол» с помощью циркуляционного насоса подается вниз, а поднимается к испарителю по одной либо нескольким наружным. Затем скважину с трубами заполняют цементной смесью, что обеспечивает стабильный теплообмен и защиту труб. Иногда вместо бурения скважин можно обойтись забивкой свай, на которых ставится строение с заранее залитыми в них зондами. Разумеется, такой вариант возможен только при новом строительстве.

Эффективность насосов.

Многие насосы не только используются для получения тепла, но и работают в обратном режиме, охлаждая помещение в жаркий лень, правда, для этого требуется дополнительное оборудование. Для определения эффективности прибегнем к сравнению с традиционными системами, т.е. тепловыми котлами и холодильными установками. Коэффициент трансформации показывает, какую тепловую мощность насос производит на один затраченный киловатт электроэнергии, и зависит от нескольких параметров. Чем меньше разность температур в первичном контуре и между ним и нагреваемой жидкостью, тем он выше. Обычно низкотемпературный теплоноситель в контуре теплового насоса уменьшает свою температуру на 3-5 °С. Отбирать больше тепла невыгодно, дешевле увеличить прокачиваемый объем теплоносителя. Высокотемпературный теплоноситель способен максимально нагреваться до 50-60 °С, а во многих случаях достаточно и 35 °С. Коэффициент трансформации записывается в форме: B0/W50 или, к примеру, A35/W20. Цифры означают расчетную температуру в первичном и отопительном контурах, буквы - тип теплоносителя (от английских слов «brine», «water» и «atmosphere» - «рассол», «вода» и «воздух»). Таким образом, в первом случае перед нами тепловой насос типа «рассол-вода», работающий на отопление, а во втором - «воздух-вода», включенный в режим охлаждения. Средний коэффициент трансформации для насосов типа «воздух-вода» составляет 2,5-3,5 (A2/W35), «вода-вода» - 5-6 (W10/W35), «рассол-вода» - 4-5 (BO/W35). При дальнейшем увеличении температуры на каждый градус коэффициент уменьшается примерно на 2,5%.

Прочее оборудование.

Для создания полноценной системы получения тепловой энергии с помощью гелиоустановки или теплового насоса потребуется еще несколько элементов. Устройство накопительного бака для солнечного коллектора было описано выше. Тепловые насосы разных производителей имеют различные комплектации и схемы подключения, бывают одно- и многоконтурными (в данном случае имеется в виду количество «горячих» контуров), могут также подключаться к собственному отопительному баку или баку коллектора. В отопительный контур автономной системы обычно заливается антифриз, второй контур используется для ГВС. Конкретную схему выбирают исходя из потребностей, различные элементы могут коммутироваться в разных сочетаниях. Устройства защиты и контроллер чаще всего собраны с насосом в единое целое, а вот циркуляционные насосы, мембранные расширительные баки замкнутых контуров, системы дополнительного подогрева, различные датчики и иное оборудование могут находиться буквально «где угодно», хотя обычно многие из них все-таки скомпонованы в корпусе насоса. В последнее время появились отдельно поставляемые подключаемые к контроллеру модули, позволяющие дистанционно управлять системами через мобильную связь и Интернет.

Вообще говоря, контроллер и устройства управления тепловыми насосами сложнее тех, что в накопительных баках солнечных коллекторов. Это связано с тем, что коллекторы в первую очередь используются для приготовления горячей воды, а насосы - еще и для отопления. Совместному использованию обеих этих функций коллектором ничто не мешает, но тепловой насос гораздо меньше зависит от погоды, так что в отопительный сезон ему потребуется меньшее количество энергии, получаемой от других источников. К тому же. чтобы собрать количество энергии, пригодное для отопления, понадобится неоправданно большое число модулей. Впрочем, любой современный контроллер позволяет запрограммировать различные температуры и режимы работы, в том числе совместной. Один из интересных вариантов режима нагрева - антибактериальный. Как уже упоминалось, во многих случаях достаточно температуры в 35 °С Это вполне комфортное значение, расход энергии при приготовлении такой воды невелик. Однако при этой температуре в воде прекрасно размножаются и всевозможные бактерии. Время от времени, по заранее заданной программе, контроллер нагревает воду в контуре ГВС до 60-65 °С. Чаще всего для этого нужен дополнительный подогрев, но время нагрева, а значит, и расход энергии на термическую дезинфекцию не слишком велики.

И последние, но самые важные для потребителя контуры системы - магистраль горячего водоснабжения и/или устройства отопления. О первом особенно упоминать не будем - это трубы, смесители, мойки, сантехническое оборудование, возможно, насосы. Что касается отопительных устройств, тут ситуация интереснее. Самое известное - различные батареи и радиаторы отопления. Конструкция их, можно сказать, проверена веками, однако имеет существенные недостатки. Прогрев помещения при использовании радиаторов неравномерен, к тому же их размер довольно велик. Тем не менее такие отопительные устройства применяются часто: их монтаж достаточно прост, а установка возможна и в старых домах. Для автономных систем применяются в основном стальные, алюминиевые и биметаллические радиаторы. Классические чугунные обладают высокой тепловой инерцией и не так эффективны. Основной недостаток - для работы радиатора теплоноситель в контуре должен быть нагрет до высокой температуры, хотя бы 50-60 °С, во многих случаях и больше. Тепловой насос способен произвести такой нагрев, но коэффициент эффективности у него уменьшится. В последнее время все большую популярность приобретают низкотемпературные системы обогрева - теплые полы. Нас интересуют жидкостные разновидности, а электрические, с греющим кабелем, принципиально ничем (кроме высокого потребления электроэнергии) от них не отличаются. Такие отопительные системы устанавливаются при строительстве или капитальном ремонте здания. На пол укладывают теплоизолятор, а на нем размещают меандр - цельную пластиковую или стеклопластиковую трубу, изогнутую петлями. После систему обогрева заливают стяжкой. К каждому контуру можно подключить отдельный терморегулятор и датчики температуры и перегрева.

Оптимальная температура для теплого пола - не более 35 °С, больше и не нужно, к тому же при нагреве до 40-50 °С стяжка начинает разрушаться. Использование теплого пола по сравнению с радиаторами позволяет сэкономить энергию и полезную площадь, к тому же обеспечивает более комфортный и быстрый обогрев: теплый воздух идет снизу вверх по всей обогреваемой площади. Недостаток - помимо более высокой стоимости, для установки требуется квалифицированный персонал и сложные расчеты с применением специальных программ. Особенности расчета систем автономного теплоснабжения.