Земля на глубине 15-40 метров держит стабильные +8…+10 °C. Это не тепло, а просто не мороз. Напрямую прогнать воду через грунт и получить горячую воду нельзя - тепло потечёт из бака в землю, а не наоборот. Единственный рабочий способ - тепловой насос, который тратит электричество, чтобы «перекачать» низкопотенциальное тепло на уровень 50-55 °C, и даже тогда без ТЭНа для догрева до санитарных 60-75 °C не обойтись.
Почему земля не греет, а холодит
Теплообмен всегда идёт в сторону выравнивания температур. Если у вас есть два тела с разной температурой, тепло переходит от более горячего к более холодному. Земля на бытовых глубинах (20-40 м) имеет температуру около +8…+10 °C. Ваш бойлер работает при 55-70 °C. Разница - 45-60 градусов. При прямом контакте (например, если закопать трубу, по которой циркулирует вода из бака) тепло уйдёт из бака в грунт. Бак будет остывать быстрее, чем если бы он просто стоял в помещении. Увеличить длину контура или заглубиться ещё на 100 метров? Геотермическая ступень в Москве - 38 метров на 1 градус. На глубине 100 метров температура будет примерно +10 + (100-38)/38 ≈ +11,6 °C. Это всё равно холоднее, чем вода в бойлере. Тепло всё равно пойдёт наружу.
Прямая циркуляция воды из бойлера через грунтовый контур - это не нагрев, а охлаждение бака. Вы получите не горячую воду, а ускоренное остывание и дополнительные затраты на циркуляционный насос.
Что такое «зона постоянных температур» и какая там реальная температура
На глубине от 15 до 40 метров (зависит от региона) грунт перестаёт чувствовать сезонные колебания. Летняя жара и зимний холод до этой глубины не доходят. В средней полосе России температура там стабильно +8…+10 °C круглый год. Это не «тепло земли» в бытовом смысле - это просто температура, при которой вода не замерзает. Для сравнения: летом водопроводная вода может быть +15…+18, зимой +4…+6. То есть зимой земля даже теплее водопровода на 4-5 градусов. Но до горячей воды (+55) ей далеко, как до Луны.
Глубже зоны постоянных температур начинается геотермический градиент: примерно 1 °C на каждые 38 метров глубины (для Москвы). На глубине 500 метров будет около +23 °C. Но бурить 500 метров под частный дом - это сотни тысяч рублей, и даже там температура ниже, чем нужно для ГВС. Для отопления тёплым полом (35 °C) это уже интересно, но для горячей воды - всё равно нужен догрев.
Можно ли просто прокачать воду через грунт и получить горячую?
Нет. Если вы прокачиваете воду по замкнутому контуру, закопанному в землю, на выходе из контура вы получите температуру, близкую к температуре грунта, то есть +8…+10 °C. Это холоднее, чем вода из крана летом. Если вы прокачиваете воду из скважины (открытый контур), то же самое: вода из артезианской скважины обычно имеет температуру +5…+10 °C в зависимости от глубины. Никакого «кипятка из-под земли» в средней полосе нет. Это возможно только в районах вулканической активности (Камчатка, Исландия), где есть геотермальные источники с паром. Но там другие технологии - прямое использование пара для турбин или теплообменников. К бытовым грунтовым тепловым насосам это не имеет отношения.
Земля не печка, а холодильник с температурой +9 °C. Чтобы получить горячую воду, нужно не брать тепло из земли, а перекачивать его с помощью компрессора, тратя электричество.
Где идея частично работает: предварительный подогрев холодной воды
Единственный вариант прямого использования тепла земли без теплового насоса - предварительный подогрев холодной воды перед подачей в бойлер. Зимой вода в водопроводе может быть +4 °C. Если пропустить её через грунтовый теплообменник (например, 50 метров трубы на глубине 2 метра), она нагреется до +8…+10 °C. Это даёт экономию энергии на нагрев: чтобы нагреть 100 литров с +4 до +55 нужно 5,9 кВт·ч, а с +9 до +55 - 5,3 кВт·ч. Экономия около 0,6 кВт·ч, или примерно 10%. Но это именно подогрев, а не нагрев. Вы всё равно должны догревать воду до 55-60 °C с помощью ТЭНа, газа или теплового насоса. И такой контур занимает площадь: для 50 метров трубы нужно около 50-100 м² участка, в зависимости от шага укладки.
Тепловой насос - единственный рабочий способ
Чтобы получить из +9 °C хотя бы +50 °C, нужна машина, которая переносит тепло против градиента. Это тепловой насос. Он работает как холодильник наоборот: компрессор сжимает хладагент, тот нагревается, отдаёт тепло в бак, расширяется, охлаждается и забирает тепло из грунтового контура. Электричество тратится только на компрессор и циркуляционные насосы. Соотношение: примерно 20-25% энергии из розетки, 75-80% из грунта. Это и есть коэффициент преобразования COP (Coefficient of Performance). COP = 4 означает, что на 1 кВт·ч электричества вы получаете 4 кВт·ч тепла.
Но COP сильно зависит от температуры на выходе. Для тёплого пола (35 °C) COP может быть 4-5. Для горячей воды (55 °C) COP падает до 2,5-3,5. Чем выше нужная температура, тем больше работы делает компрессор и тем меньше выгода. Практический потолок обычного грунтового теплового насоса по горячей воде - около 50 °C. Выше он либо не может физически, либо работает с COP около 2, что уже не сильно выгоднее прямого электрического нагрева (где COP = 1).
| Способ нагрева воды | Температура на выходе | COP (эффективность) | Необходимость ТЭНа |
|---|---|---|---|
| Прямой нагрев от земли (циркуляция через грунт) | +8…+10 °C | менее 1 (фактически охлаждение) | обязателен, греет с нуля |
| Грунтовый тепловой насос (ГВС) | до +50 °C | 2,5-3,5 | да, для догрева до 60-75 °C |
| Электрический ТЭН (прямой нагрев) | до +85 °C | 1 | сам и есть |
| Газовый водонагреватель | до +60 °C | 0,8-0,9 (КПД) | нет |
Почему без ТЭНа всё равно не обойтись
Даже если у вас стоит дорогой грунтовый тепловой насос, в баке для горячей воды обязательно нужен электрический ТЭН. Причины:
- Санитарные нормы. СанПиН 2.1.3684-21 требует температуру горячей воды в точке водоразбора 60-75 °C. Тепловой насос до 60 °C обычно не дотягивает - его потолок 50-55 °C.
- Легионелла. Бактерия Legionella pneumophila активно размножается при 20-45 °C. При 60 °C она гибнет за 20 минут. Раз в неделю нужно прогонять бак на 65-70 °C - это делает ТЭН.
- Пиковые нагрузки. Когда пришли гости или нужно быстро заполнить ванну, тепловой насос может не успевать. ТЭН включается и догревает воду за 20-30 минут.
- Сервис и аварии. Если насос встал на разморозку или ремонт, ТЭН - единственный источник горячей воды.
Не пытайтесь сэкономить на ТЭНе в системе с тепловым насосом. Без него вы либо не пройдёте проверку СЭС (если это гостиница), либо рискуете получить легионеллёз. Даже в частном доме это опасно.
Как выглядит реальная система ГВС с тепловым насосом
Грунтовый контур
Бурится скважина (вертикальный зонд) глубиной 20-300 метров, диаметр 120-200 мм. В неё опускается U-образная петля из полиэтиленовой трубы. Либо укладывается горизонтальный коллектор на глубине 1,5-2 метра змейкой. Площадь участка для горизонтального контура - от 200 м² на 10 кВт тепла.
Тепловой насос
Подключается к грунтовому контуру и к баку-аккумулятору. Насос греет воду в баке до 50-55 °C. Электрическая мощность компрессора обычно 1,5-3 кВт, тепловая - 4-9 кВт.
Бак с ТЭНом
Устанавливается бойлер косвенного нагрева объёмом 200-500 литров. В верхней части бака врезан электрический ТЭН мощностью 1,5-3 кВт. Он догревает воду до 65-70 °C по расписанию (например, раз в неделю) и при пиковом разборе.
Автоматика
Контроллер управляет тепловым насосом и ТЭНом: пока насос справляется, ТЭН выключен. Как только температура в баке падает ниже 50 °C, а насос работает на максимуме, включается ТЭН. Раз в неделю - принудительный цикл антилегионеллёза.
Что мы производим
Мы делаем ТЭНы для баков косвенного нагрева и комбинированных баков, в том числе для систем с тепловым насосом. Резьбы: G1/2, G3/4, 1 дюйм, M28x1,5, M30x1,5. Длина погружной части - от 280 до 600 мм. Материалы: нержавеющая сталь AISI 304/316, медь, титан. Есть варианты со встроенным терморегулятором (биметаллическим или электронным) и защитным термовыключателем. Мощность - от 1 до 6 кВт, подбирается под объём бака и скорость догрева. Если у вас нестандартный бак - делаем ТЭН под заказ по чертежам.
Частые вопросы
Можно ли просто закопать трубу в огороде и получить горячую воду для душа?
Нет. Температура грунта на глубине 1,5-2 метра зимой может опускаться до +2…+5 °C, летом до +15. Но это всё равно холоднее, чем нужно для душа (+38…+40). Если пустить воду из бойлера по такой трубе, она остынет, а не нагреется. Для горячей воды нужен тепловой насос или прямой нагрев.
Какая температура в земле на глубине 20 метров в Подмосковье?
Примерно +8…+10 °C круглый год. Это зона постоянных температур. Ниже 20 метров температура растёт очень медленно: примерно 1 °C на каждые 38 метров глубины. На глубине 100 метров будет около +12 °C — всё равно холоднее, чем нужно для горячей воды.
Сколько электроэнергии тратит грунтовый тепловой насос на нагрев 200 литров воды?
Чтобы нагреть 200 литров с +10 до +55 °C нужно 200*45/860 ≈ 10,5 кВт·ч тепла. При COP 3 насос потребит 10,5/3 ≈ 3,5 кВт·ч электричества. Прямой ТЭН на те же 200 литров потратит 10,5 кВт·ч. Экономия — около 7 кВт·ч за цикл. Но COP падает при догреве выше 50 °C, поэтому на финальные 5-10 градусов часто работает ТЭН.
Почему в баке с тепловым насосом всё равно ставят ТЭН, если насос уже греет?
Три причины. Первая: тепловой насос редко даёт температуру выше 50-55 °C, а по СанПиН нужно 60-75 °C. Вторая: раз в неделю нужен антилегионеллёзный прогрев до 65-70 °C, на который насос не рассчитан. Третья: при пиковом разборе (гости, ванна) насос может не успевать, и ТЭН догревает быстро.
Что такое COP и какой он у грунтовых тепловых насосов?
COP — это коэффициент преобразования: сколько кВт·ч тепла вы получаете на 1 кВт·ч электричества. Для грунтовых насосов на отопление (35 °C) COP = 4-5. На горячую воду (55 °C) COP падает до 2,5-3,5. Чем выше нужная температура, тем ниже COP. COP 3 означает, что 70% тепла берётся из земли, 30% — из розетки.
Экономит ли предварительный подогрев холодной воды от земли, если просто закопать трубу?
Да, но экономия скромная. Зимой вода в водопроводе +4 °C. Если пропустить её через 50-метровый контур на глубине 2 м, она нагреется до +8…+10 °C. На нагрев 100 литров с +4 до +55 нужно 5,9 кВт·ч, с +9 до +55 — 5,3 кВт·ч. Экономия 0,6 кВт·ч (10%). Но сам контур стоит денег, и он не даст горячую воду — только чуть тёплую. Для реальной экономии лучше сразу ставить тепловой насос.
Не уверены, что подойдёт?
Пришлите фото шильдика бойлера или старого ТЭНа — подберём деталь по фланцу, длине и мощности и отправим по России.