Действительно ли экологически опасны тепловые насосы?

Мнение А. В. ГОВОРИНА:

— Тепловая стабильность грунта — очень важный фактор для бесперебойной и долговременной работы тепловых насосов. Сроки службы геотермальных зондов и горизонтальных коллекторов измеряются десятками лет. Для того, чтобы геотермальное отопление было выгодным, необходимо использовать качественные материалы и не отступать от технологии.

Геотермальная скважина должна обязательно запрессовываться специальным раствором, который обеспечивает изоляцию затрубного пространства и улучшает теплопроизводительность. У смеси цемента с бентонитом теплопроводность составляет примерно 0,8 Вт/(м⋅К), а при использовании некоторых специальных растворов теплопроводность повышается до 2,0 Вт/(м⋅К), что значительно снижает термическое сопротивление в скважине и геотермальная система работает значительно эффективнее.

Чтобы работать с тепловыми насосами, требуется знания геологии участка земли, на котором предстоит бурение или горизонтальная укладка коллектора. Подробно эта тема раскрыта в статье* ведущего инженера ООО «Альянс-Нева» К. П. Пруненко «Установка тепловых насосов в России: практический опыт» [3]. Следует особенно настороженно относиться к фирмам, готовым составить смету монтажа зондов без изучения свойств грунта на конкретном участке заказчика.

Для контроля общей длины используемого зонда полезно знать, что на трубе указывается метраж. К сожалению, мне приходилось сталкиваться с недобросовестной конкуренцией, когда «гореисполнители» убеждали заказчика, что якобы можно уменьшить длину скважин и коллектора без ущерба для качества будущей системы. Но чудес не бывает — неправильный монтаж и проектирование ведет к повышенным расходам и даже выходу системы из строя.

Европейский рынок в 1980-х годах также сталкивался с проблемами некачественного монтажа и проектирования систем сбора тепла, но смог преодолеть болезни роста. Были проведены исследования свойств грунтов, составлены карты. Особенно интересны работы, проведенные в Лундском университете (Lund University, Швеция) специалистом Гораном Хелстормом (Goran Hellstrom).

Объектом его исследований стали тепловая стабильность скважин, колебания температур в течении года; специалист разработал программы для проектирования геотермальных систем и изучил многие другие вопросы. Интересные данные показала Финская ассоциация тепловых насосов (рис. 1–3). Опыт Финляндии интересен для нашей страны в связи с тем, что климат данной станы достаточно суров.

Несмотря на это, с каждым годом внедряется все больше ТН. Прогноз предполагает более чем двукратный рост в этой стране монтажей систем к 2020 году (общее количество установленных ТН около 1 млн штук, которые будут ежегодно вырабатывать 8 ГВт/ч энергии — табл. 1). Если бы технологию геотермальных тепловых насосов считали опасной для экологической ситуации, ни о каком массовом внедрении не могло бы идти и речи.

Цифры подтверждают надежность теплонасосов. Похожая ситуация наблюдается на рынках Швеции, Норвегии, Германии и других развитых стран. Выход из строя скважины в результате заморозки в теории возможен, но при правильном проектировании, монтаже и эксплуатации это событие маловероятно — за последние восемь лет мне лично не приходилось сталкиваться с такими случаями.

На данный момент я отталкиваюсь от статистики о пятидесяти ТН установленных в Калининградской области. В соседней Литве счет установленных насосов идет на тысячи, и информации о случаях лавинообразного обмерзания скважин пока нет. Автор статьи не учитывает, что значительные объемы тепла переносятся грунтовыми водами, которые повышают температуру вокруг скважины.

Горизонтальные коллекторы, в основном, восстанавливаются за счет дождевых вод, и поэтому рекомендуется, чтобы поверхность была проницаема для дождя. Многие системы ТН оснащаются блоками пассивного и активного охлаждения, которые позволяют отправить «на хранение» в грунт летнее тепло. Возможно аккумулирование энергии, собираемой солнечными панелями. Указанные автором случаи нарушения вегетации растений могут быть связаны только с нарушениями технологии монтажа.

Есть простое и эффективное правило: горизонтальный коллектор должен обязательно быть закопан на 30–40 см ниже глубины промерзания в регионе, где производится установка. Весной слой почвы, необходимый для роста растений, прогревается достаточно быстро, а к началу осени восстанавливается весь массив почвы. На фото 1 показан газон, под которым смонтирован горизонтальный коллектор (на глубине 1,5 м, диаметр трубы 40 мм, шаг укладки 1 м).

Снимок сделан 16 февраля 2014 года. За истекшие шесть лет не было никаких сложностей ни с газоном, ни с кустарниками. Кстати, тут уместно дать небольшую рекомендацию заказчикам ТН-проектов: посадку деревьев, необходимо планировать до монтажа коллектора (в местах предполагаемой посадки необходимо сделать обход в размер корневой системы данной породы дерева).

На фото 2 представлена котельная, в которой установлено два каскада по девять ТН (40 кВт каждый, общая мощность — 720 кВт). Уложено 42 тыс. метров трубы диаметром 40 мм и сотни метров — диаметром 90 мм. Площадь участка — 44 тыс. м²; на нем располагается поле для гольфа с прекрасной травой. В ближайшее время мы увидим лавинообразное распространение теплонасосной технологии.

К этому есть все предпосылки: все больше производителей выходят на наш рынок, растет квалификация монтажников, есть работающие системы, которые можно показать потенциальным клиентам. Повышение стоимости топлива также играет на руку рынку ТН. К сожалению, в связи с ростом курса валюты сегодня происходит рост стоимости тепловых насосов. И даже насосы российского производства имеют довольно высокую цену (из-за большого количества импортных комплектующих).

Надеюсь, в ближайшее время обострение конкуренции между европейскими и азиатскими производителями ТН приведет к снижению стоимости оборудования. А обострение конкуренции в среде монтажных организаций должно привести к расширению использования высокопроизводительной техники и, как следствие, к снижению стоимости монтажа. На наш рынок уже выходят иностранные монтажные компании.

Если в работе ТН-системы происходит, какой-либо сбой, необходимо детально разобраться и найти причину низкой эффективности, а не ставить крест на всей технологии. Миллионы потребителей в мире не могут ошибаться. Надеюсь, и в нашей стране всем нам доведется увидеть все больше конструктивно интересных и эффективно работающих геотермальных тепловых насосов.

Мнение К. П. ПРУНЕНКО:

— Для начала — несколько критических замечаний к статье С. Н. Трушевского «Термоскважины для теплонасосов: экологический аспект» [1]. Самое главное — в этой статье приводятся исключительно теоретические расчеты без соотнесения их результатов с натурными испытаниями. А корректность этих расчетов еще необходимо подтвердить, тем более что взята очень упрощенная модель системы.

Из статьи абсолютно непонятно, откуда берутся конкретные значения. Предположение о неблагоприятных экологических последствиях базируются исключительно на собственных теоретических расчетах и не подтверждены никаким другим образом или ссылками на других авторов. При использовании грунтовых зондов в качестве низкотемпературного источника энергии опасность зеленым насаждениям и биологической живности абсолютно не грозит, и тем более — в описанных масштабах даже при неправильном расчете и последующем замораживании скважины.

Живые организмы не обитают в грунте на больших глубинах, а в поверхностном слое грунт довольно быстро отогревается в весенний период за счет воздействия солнечной энергии и влаги нагретой солнцем. Растения с глубокой корневой системой не высаживают поверх инженерных коммуникаций. 10-летняя практика использования геотермальных тепловых насосов с грунтовыми зондами в Ленинградской области не показала никаких отрицательных воздействий на растения даже при нахождении скважин в непосредственной близости от корневой системы крупных растений.

Современные модели тепловых насосов от надежных производителей имеют в основе своей автоматики защиту от неверного расчета грунтового контура и варварского подхода к его исполнению, что при возникновении таких ситуаций исключает вымораживание грунта. Автоматика просто не дает продолжать работать тепловому насосу. Автором указано, что расчет приводится для дома площадью 100 м² и пяти человек.

При этом указана только годовая потребность в тепловой энергии без годового графика потребления и без указания выбранной мощности теплонасосной установки и часов ее наработки в год. А ведь глубина грунтовых зондов или скорости потоков воды (для варианта вода/вода) даже в упрощенном варианте подбираются исходя из мощности теплонасосной установки и количества часов работы установки в год.

Для установок большой мощности проводится тестирование пробной скважины и математическое моделирование массива зондов за 25-летний период, и только на основании этого расчета выбирается количество и глубина скважин. Помимо этого, большие установки, как правило, работают в комбинированном режиме «отопление/охлаждение», что позволяет в летний период восстанавливать скважины.

Автор решает задачу для «квазистационарной системы». Учитывая принятые глобальные упрощения, систему можно назвать стационарной относительно реальной системы. А на самом деле система динамична и имеет огромное количество изменяющихся во времени параметров. Это, например, изменяющиеся погодные условия, изменяющиеся параметры потребления тепловой энергии, изменяющиеся температуры теплоносителей и прилегающего грунта, меняющийся коэффициент преобразования теплового насоса, меняющееся агрегатное состояние поровой влаги в окружающем грунте и т.п.

Для решения подобных сложных задач европейскими учеными уже разработаны сложные программные продукты, учитывающие сотни факторов, например FEFLOW и EED. Корректность расчетов производимых этими программными продуктами уже доказана многолетними испытаниями на реальных объектах малой и большой мощности в различных климатических зонах нашей планеты.

Среди упрощений принято также очень грубое, касающееся характеристик прилегающего к грунтовому зонду грунта. Он рассматривается автором как твердое тело, полностью состоящее из сухой глины. На самом деле разрез скважины представляет из себя набор слоев из различных пористых пород, которые также содержат в себе влагу в том или ином количестве. Также периоды охлаждения и релаксации скважины рассматриваются последовательно друг за другом, причем вначале 40 лет замораживания, а потом 40 лет «релаксации».

Эти процессы чередуются намного чаще, то есть по несколько раз в час. Также в статье принимается в качестве исходных данных множество других ошибочных или сильно упрощенных характеристик, явно взятых из «популярной» литературы для дилетантов. Предвидя реакцию автора, хочу сказать, что не отрицаю охлаждение грунта вокруг скважины с грунтовым зондом. Это действительно происходит, но до определенного момента, когда система приходит в относительное равновесие.

И эта равновесная температура зависит от того, какую мощность мы нагрузим на конкретный грунтовый зонд. Задача правильного расчета теплонасосной системы и заключается в том, чтобы равновесие наступило в зоне положительных температур. Теперь обратимся к статье того же автора «ТН и ТНУ: мифы и реалии» [2]. В ней специалист категорически выступает против применения тепловых насосов с наружным воздухом в качестве источника низкопотенциальной энергии.

Да, есть определенные сложности и нюансы применения подобных систем в холодном климате. Но если учесть эти моменты, то применение подобных систем может быть во многих случаях оправдано. Начнем с заблуждений, распространяемых автором статьи. Инструкции на воздушные тепловые насосы, продаваемые на российском рынке, не предписывают их применение только при положительных температурах.

Даже номинальные мощности в техническом паспорте указываются не при +10 °C, как заявляет автор, а в нескольких характерных точках: –7, –2, +2, +7 °C. А работать некоторые модели могут и при температурах до –30 °C. Коэффициент преобразования при этом действительно невысокий, но в любом случае выше единицы. Соответственно, даже при таких температурах это дешевле, чем отапливать помещения электричеством или дизельным топливом.

Например, при температуре наружного воздуха –7 °C коэффициент преобразования будет уже 2,5. Конечно, при понижении температуры воздуха падает и вырабатываемая тепловая мощность, но воздушные тепловые насосы никогда не используются в моновалентном режиме: в пару к тепловому насосу обязательно устанавливается дополнительный источник энергии, способный обеспечить пиковые нагрузки.

Указывается, что основное распространение воздушные тепловые насосы получили в странах с теплым климатом. Но совершенно ничего не сказано про Швецию, где воздушные тепловые насосы получили широкое распространение наряду с геотермальными тепловыми насосами. В Швеции тепловых насосов продается даже больше, чем в любой другой стране Европы.

«Страшная» картинка в статье — это только лишь пример неправильного монтажа и настройки теплового насоса. Думаю, многие из читателей журнала знают, что такое инверторный кондиционер, который может работать и на охлаждение и на отопление. И сомнений в его работоспособности и эффективности не возникает. Так это и есть тот самый воздушный тепловой насос. Также автор указывает на опасность применения водяных и геотермальных тепловых насосов.

Но они тоже доказали свою эффективность и безопасность для окружающей среды при правильном проектировании и монтаже. Любое инженерное оборудование должно применяться с умом и только там, где это действительно необходимо и обосновано.