Тепло земли на глубине 15-20 метров это стабильные +8...+10 градусов, а не горячий источник. Чтобы превратить эту температуру в отопление и горячую воду, нужен тепловой насос с компрессором, который тратит электричество. И даже с ним для горячей воды по нормативам (60-75 градусов) без электрического ТЭНа в баке не обойтись.
Почему разница температур сама по себе не греет
Главное недоразумение, с которым я сталкиваюсь: «Зимой на улице минус 25, а в земле плюс 9, разница 34 градуса, почему это тепло само не идёт в дом?». Тепло течёт только от горячего к холодному. Ваш дом внутри прогрет до +22, грунт снаружи +9. Разница 13 градусов в пользу дома. Тепло стремится наружу, а не внутрь. Чтобы перенести энергию из холодного грунта в тёплый дом, нужно затратить работу. Это как качать воду наверх: она сама не потечёт, нужен насос. Только здесь мы качаем не воду, а тепловую энергию против градиента температур.
Даже если вы прокачаете воду через землю напрямую, на выходе из грунтового контура вы получите те же +8...+10 градусов. Это холоднее, чем вода в вашем водопроводе летом. Такую воду нельзя подать в радиаторы или в кран. Нужен тепловой насос.
Как тепловой насос «высасывает» тепло из земли
Тепловой насос - это холодильник, вывернутый наизнанку. В холодильнике компрессор забирает тепло из камеры и выбрасывает его в комнату через решётку на задней стенке. В тепловом насосе компрессор забирает тепло из грунта (испаритель) и выбрасывает его в дом (конденсатор). Цепочка простая: грунтовый контур снимает низкопотенциальное тепло -> испаритель -> компрессор поднимает давление и температуру хладагента -> конденсатор отдаёт тепло в систему отопления или в бак -> дроссель сбрасывает давление, и цикл повторяется.
Компрессор тратит электричество. Но он не греет воду напрямую, как ТЭН. Он переносит тепло из одного места в другое. Поэтому на один киловатт электричества, потраченный компрессором, вы получаете 3-5 киловатт тепла. Это и есть коэффициент преобразования COP. Откуда берутся лишние киловатты? Из грунта. Вы не создаёте энергию из ничего, вы переносите её из земли в дом.
главной момент: COP 3-5 это не вечный двигатель. Это просто показатель, что 20-30% энергии вы платите по счётчику, а 70-80% забираете у грунта. Но сам грунт не бесплатный - бурение скважины или укладка коллектора стоят денег, и циркуляционные насосы тоже потребляют электричество.
Грунтовый контур: где брать тепло
Есть два основных способа «собрать» тепло с участка: вертикальный зонд и горизонтальный коллектор. Разница в цене, занимаемой площади и стабильности температуры.
| Параметр | Вертикальный зонд | Горизонтальный коллектор |
|---|---|---|
| Глубина/длина | Скважина 20-300 метров, диаметр 120-200 мм | Труба на глубине 1,5-2 метра, змейкой |
| Площадь участка | Минимальная, несколько квадратных метров | Большая, до нескольких соток |
| Стабильность температуры | Высокая, +8...+10 круглый год | Сезонные колебания, грунт над трубой остывает зимой |
| Стоимость бурения | Высокая, зависит от глубины и породы | Ниже, но нужны земляные работы |
| Риск переохлаждения | Низкий, большой объём грунта | Выше, если снимать много тепла, грунт промерзает |
Грунтовый контур нельзя перегружать. Если снимать больше тепла, чем грунт успевает восстановить, температура контура за несколько сезонов падает. COP вместе с ней. Это называется тепловое истощение. Поэтому мощность насоса и длину контура считают под конкретный дом, а не «на глаз».
Почему COP падает на горячей воде
Тепловые насосы любят низкотемпературные системы. Идеальный вариант для них - тёплый пол с температурой 30-35 градусов. COP при такой работе может быть 4-5. Но горячая вода в кране должна быть 60-75 градусов по СанПиН. Чем выше температура на выходе из конденсатора, тем больше работы должен сделать компрессор. COP для горячей воды (55-60 градусов) падает до 2,5-3. Это всё равно выгоднее, чем греть воду прямым ТЭНом (где COP=1), но разница уже не такая впечатляющая.
Практический потолок обычного теплового насоса по горячей воде - около 50-55 градусов. Выше он либо не может поднять, либо работает с COP ниже 2, что сводит экономию на нет. А СанПиН требует 60-75 градусов. И вот тут в игру вступает электрический ТЭН.
Пример расчёта. Тепловой насос с электрической мощностью компрессора 1,5 кВт и COP 3 даёт 4,5 кВт тепла. За час работы он потратит около 1,4 кВт*ч электричества. Этого хватает, чтобы нагреть 100 литров воды примерно на 38 градусов. Но чтобы поднять воду с +10 до +60, нужно 50 градусов. Насос без ТЭНа с этим не справится.
Почему без ТЭНа всё равно не обойтись
ТЭН в баке для теплового насоса выполняет две конкретные задачи. Первая - догрев до нормативов. Насос греет воду до 50-55 градусов, а ТЭН дотягивает до 60-75. Вторая - антилегионеллёзный цикл. Бактерия Legionella pneumophila активно размножается в воде при 20-45 градусах. Раз в неделю система должна прогонять бак на 65-70 градусов, чтобы убить бактерии. Тепловой насос в этом диапазоне работает неэффективно или не работает вовсе. ТЭН делает это быстро и точно.
Кроме того, ТЭН страхует систему. Когда насос в режиме разморозки, на сервисном обслуживании или когда приехали гости и разбор воды резко вырос, ТЭН берёт пиковую нагрузку на себя. Без него вы рискуете остаться без горячей воды в самый неподходящий момент.
Важно: ТЭН для бака под тепловой насос должен быть рассчитан на работу в паре с насосом. Он не должен включаться, когда насос ещё не нагрел воду до своей максимальной температуры. Иначе вы будете греть воду электричеством с COP=1, хотя могли бы использовать COP=3. Правильная автоматика и настройка термостата решают эту проблему.
Как это выглядит в реальной системе
Схема типового решения для частного дома выглядит так. Грунтовый контур (вертикальный зонд или горизонтальный коллектор) подключён к испарителю теплового насоса. Насос греет теплоноситель для отопления (тёплый пол или радиаторы) и для бака косвенного нагрева. В баке стоит змеевик, по которому циркулирует вода от насоса, и электрический ТЭН.
Когда бак остывает, первым включается тепловой насос. Он греет воду до 50-55 градусов. Если разбор большой и температура падает, или если нужен антилегионеллёзный цикл, включается ТЭН и догревает до 65-70 градусов. Насос при этом отключается, чтобы не работать в неэффективном режиме.
Вот чеклист того, что должно быть предусмотрено в такой системе:
Энергия на нагрев: считаем сами
Чтобы понимать масштаб, приведу простые цифры. Нагрев 100 литров воды на 40 градусов требует 4,65 кВт*ч тепла. Это примерно столько же, сколько тратит электрический чайник за 4-5 часов непрерывной работы. Если вы платите 6 рублей за кВт*ч, то нагрев 100 литров прямым ТЭНом обойдётся в 28 рублей. С тепловым насосом с COP 3 вы заплатите за электричество компрессора около 9 рублей. Экономия есть, но не бесплатно.
Для 80 литров (стандартный бойлер) нагрев на 40 градусов - 3,72 кВт*ч. Для 50 литров - 2,33 кВт*ч. Разница в деньгах между прямым нагревом и тепловым насосом будет пропорциональна COP. Но не забывайте, что тепловой насос стоит десятки тысяч рублей, плюс бурение скважины. Срок окупаемости зависит от тарифов и климата, но это не один сезон.
Что мы производим для таких систем
Мы делаем ТЭНы для баков косвенного нагрева и комбинированных баков, которые работают в паре с тепловым насосом. Основные параметры: резьба G1/2, G3/4, 1 дюйм, M28x1,5, M30x1,5. Длина погружной части - от 280 до 600 мм. Материалы - нержавеющая сталь, медь, титан. Есть варианты со встроенным терморегулятором для точного контроля температуры догрева. ТЭН делается под конкретный бак: под фланец, под длину, под нужную мощность. Если у вас бак на 200 литров с змеевиком от теплового насоса, мы подберём ТЭН, который встанет в штатное отверстие и обеспечит догрев до 65 градусов без риска перегрева.
Главный вывод для владельца дома: тепло земли - это не халява, а источник низкопотенциального тепла, который требует затрат на оборудование и монтаж. Экономия на топливе есть, но она достигается за счёт работы теплового насоса, а не за счёт «бесплатного» грунта. И для горячей воды по нормативам вам всё равно понадобится ТЭН.
Частые вопросы
Можно ли просто закопать трубу в землю и получить горячую воду для душа?
Нет. Вода в трубе, проложенной в грунте, нагреется максимум до +8...+10 градусов. Это холоднее, чем вода из водопровода летом. Чтобы поднять её до комфортных 40-50 градусов, нужен тепловой насос или электрический водонагреватель. Просто закопанная труба даст вам холодную воду, а не горячую.
Сколько земли нужно под горизонтальный коллектор для дома 150 квадратов?
Ориентировочно 300-500 квадратных метров участка, свободного от построек и деревьев. Труба укладывается на глубине 1,5-2 метра змейкой. Если участок маленький, придётся бурить вертикальный зонд, что дороже, но занимает меньше места.
Почему тепловой насос не может нагреть воду до 60 градусов, если он греет дом до 35?
Чем выше температура на выходе, тем больше работы должен сделать компрессор. Разница температур между грунтом (+9) и горячей водой (+60) составляет 51 градус. Для тёплого пола разница 26 градусов. Компрессор тратит больше энергии на преодоление этой разницы, COP падает, и нагрев до 60 градусов становится невыгодным или технически невозможным для многих моделей.
Как часто нужно включать ТЭН для антилегионеллёзной обработки?
Рекомендуется раз в неделю прогонять бак на 65-70 градусов в течение 20-30 минут. Этого достаточно, чтобы уничтожить бактерии Legionella, которые могут размножаться при 20-45 градусах. Тепловой насос обычно не может обеспечить такую температуру, поэтому эту задачу выполняет ТЭН.
Можно ли использовать обычный бойлер с ТЭНом вместо бака косвенного нагрева в паре с тепловым насосом?
Можно, но неэффективно. В обычном бойлере нет змеевика для теплоносителя от теплового насоса. Насос будет греть воду только через ТЭН, то есть вы получите нагрев с COP=1, а не с COP=3. Нужен специальный бак косвенного нагрева с теплообменником, куда подаётся вода от насоса, и отдельным ТЭНом для догрева.
Что будет, если грунтовый контур перегрузить и снять слишком много тепла?
Температура грунта вокруг контура за несколько сезонов упадёт. COP теплового насоса снизится, и он будет тратить больше электричества на ту же теплопроизводительность. В запущенных случаях контур может промёрзнуть, и система перестанет работать. Поэтому мощность насоса и длину контура рассчитывают с запасом, чтобы грунт успевал восстанавливать температуру за лето.
Не уверены, что подойдёт?
Пришлите фото шильдика бойлера или старого ТЭНа — подберём деталь по фланцу, длине и мощности и отправим по России.