Энергия природы

Известная истина гласит, что все новое – это хорошо забытое старое. Каких-нибудь 200–300 лет назад человечество использовало исключительно возобновляемые источники энергии: растительное топливо, энергию ветра (ветряные мельницы, парус), водных потоков (водяные колеса). И насколько благополучной была в то время экологическая обстановка!

Теперь мы в определенном смысле возвращаемся к истокам, но на новом витке, вооруженные принципиально новой и во много раз более мощной и эффективной техникой. Правда, на данный момент позволить себе такое оборудование могут далеко не все, и в этом есть некий парадокс: чтобы сэкономить на энергоресурсах, нужны значительные первоначальные вложения. Тем не менее использование этих ресурсов помогает почувствовать себя более независимым от внешних энергетических проблем.

Тепловые насосы: тепло из окружающей среды

Одна из тем, на которую стоит обратить особое внимание, говоря об автономном теплоснабжении дома, – тепловые насосы. Технология получения энергии, которая «отбирается» из окружающей среды, наверное, более чем какая-либо другая отражает идею автономности. Ведь то же самое твердое топливо предстоит где-то закупать, как и дизельное топливо, и пропан-бутановую смесь, которая используется в автономном газоснабжении. То есть так или иначе «связь с внешним миром» во всех описанных выше вариантах обязательна. Тепловой же насос требует лишь одного – немного электроэнергии и оборудование, для того чтобы «передавать» тепло из земли, воздуха или воды в дом. Впрочем, электроэнергия обязательна и для большинства отопительных котлов, которые сегодня, по большей части, являются энергозависимыми. Да и сами системы отопления монтируют с применением электронасосов – для большей эффективности. На 1 кВт задействованной электроэнергии тепловой насос может выделять до 4 кВт тепла, то есть 75% энергии пользователь получает из окружающей среды. Кроме того, для работы привода компрессора насоса в некоторых моделях возможно применение дизельного или бензинового электрогенератора.

Никаких особых чудес здесь нет – принцип работы теплового насоса примерно такой, как у холодильника (да и выглядит корпус насоса примерно так же). холодильник работает, выкачивая почти неощущаемое тепло из продуктов наружу (поэтому трубчатая панель конденсатора на задней стенке всегда теплая), а тепловой насос нагнетает его из внешней среды. Процесс его работы абсолютно экологичен и безопасен: нет ни топлива (и вредных выбросов), ни открытого огня – загораться и взрываться здесь просто нечему. Отопление с помощью тепловых насосов уже сегодня широко распространено во многих европейских странах, причем правительства этих государств оказывают различное содействие тем, кто переходит на эту экономичную систему жизнеобеспечения. Возможно, в скором времени этот процесс дойдет и до России, но пока еще говорить об этом рано. Тем не менее тепловые насосы стали устанавливать и в России, но по сравнению со странами с более теплым климатом наш климат «диктует» относиться к этому вопросу более вдумчиво и внимательно. Так, тепловые насосы, которые забирают энергию из воздуха, прекрасно справляются со своей задачей при температуре выше 10°С. На 1 кВт вложенной энергии они вырабатывают 3,5 кВт тепла.

Однако при температуре ниже ноля их КПД уменьшается. Так, если температура наружного воздуха снижается до –20°С, то тепловой насос начинает работать как обычный электрический котел, то есть сколько электроэнергии он тратит, столько тепла и выдает. Поэтому тепловой насос «воздух – воздух» или «воздух – вода» (первое слово обозначает, откуда черпается тепловая энергия, а второе – через какую среду происходит обогрев) в европейской части России для обогрева в зимнее время невыгоден. Такое оборудование можно использовать для подтопки дома в межсезонье, и не более того. Но для этого есть более простой способ и оборудование, не требующее дорогостоящего монтажа – проще затопить камин, включить электрические конвекторы или кондиционер с обогревом. Тепловой насос, забирающий тепло из воды, – вариант, подходящий лишь тем, у кого на участке есть большой водоем. Дело в том, что тепловой насос лишь переносит тепло, а не производит его, и в маленьком водоеме оно быстро закончится. Есть и еще один нюанс: даже если тепла и хватит на отопительный сезон, такой водоем рискует «подойти» к весне в виде айсберга, который с трудом успеет растаять к середине лета. А значит, о благополучии водной флоры и фауны придется забыть.

Участков же, на которых есть обширные пруды и озера, не так много. Наиболее универсальный источник тепла – грунт. Поэтому тепловые насосы «грунт – вода» и «грунт – воздух» – это самый распространенный и экономически обоснованный вариант (на 1 кВт вложенной энергии они вырабатывают 3,5 кВт тепла). Остановимся на них поподробнее. Один из вариантов – когда трубы располагают под землей горизонтально на глубине 1,2–1,5 метра, способ укладки трубы может быть различным: змейкой, зигзагом, спиралью и пр. Способ укладки, площадь, которую будут занимать трубы, зависят от необходимого количества тепла, геометрии участка, теплопроводности грунта (на суглинках теплосбор выше, на сухих песчаных участках меньше); 1 кв. м площади может дать и 10, и 35 Вт мощности. Минус данной технологии в том, что на участке должна быть достаточно большая свободная площадь, которую хозяин готов отдать под эти нужды, причем плодоносящий сад высадить на этом месте не получится – площадку можно использовать только под газон или однолетние растения. Второй вариант – расположение грунтовых коллекторов вертикально. Преимущества – отсутствие необходимости в большой площади, так как коллекторы (иначе их называют «зонды») располагаются в скважине глубиной 40–60 м. На этой глубине температура всегда постоянна и может достигать 10ОС. Минус – необходимость дорогостоящих буровых работ.

Однако надо сказать, что цены на них с каждым годом становятся более «разумными». Количество и глубина скважин выбираются на основании расчетов, в зависимости от расчетной тепловой мощности системы отопления, а также состава почвы и глубины грунтовых вод. Место расположения скважин – любое удобное (например, вдоль забора на расстоянии друг от друга не менее 5 м). Система, берущая для обогрева тепло земли, работает так: в грунт ниже глубины его промерзания закапываются трубы, по ним насос прокачивает антифриз. Жидкость принимает температуру грунта и попадает в теплообменник. Здесь она нагревает хладагент – специальное вещество, которое закипает уже при минимальных температурах. Пары хладагента поступают в компрессор, где концентрируются и сжимаются. И когда вещество конденсируется, оно отдает тепло. Чем выше давление, тем выше температура. В компрессоре температура повышается и разогревает воду, которая подается по трубам в радиаторы отопления, контур теплого пола, систему горячего водоснабжения. А остывший антифриз опять попадает в коллекторы, расположенные в грунте.

Система полностью закольцована. Кстати, у геотермальных насосов, кроме стабильной работы при минусовых температурах, еще одно преимущество перед воздушными: летом они могут работать на охлаждение. Такая возможность означает значительную экономию на кондиционировании (и на оборудовании и электроэнергии). Что же касается стоимости, то бытует мнение, что цена на тепловой насос неприподъемна. Это не совсем так. Сам насос может стоить и 100 000 рублей, как видим, она даже ниже стоимости пеллетного котла с автоматической загрузкой. А вот монтажные работы (при вертикальной установке коллекторов) обойдутся примерно в 400 000 рублей. Но за эту сумму хозяин дома получает практически полную автономность и освобождается от большей части затрат на отопление (три четверти затраченной на отопление энергии теперь ему достаются бесплатно). На нашем рынке представлены насосы от компаний MAMMOTH (США), STIEBEL ELTRON , VIESS MANN , VAILLANT (Германия), NIBE (Швеция), OCHSN ER (Австрия), GEOTHERMIX (Канада), КОРСО (Россия) и некоторые другие.

Солнечные колекторы: солнце в помощь

Есть еще один способ использования природной энергии для нужд отопления и горячего водоснабжения – это солнечные коллекторы, по-другому «гелиоустановки». Высокоэффективные солнечные коллекторы предлагают сегодня такие известные производители, как BUD ERUS , VIESS MANN , VAILLANT, есть и отечественные разработки. Принцип работы оборудования примерно такой: проходя по трубкам коллектора солнечных батарей, антифриз нагревается и через теплообменник отдает тепло воде. Но не все так просто, и пока наиболее разумным оказывается тот вариант, когда ставку на них не делают, а лишь покрывают с их помощью часть отопительных расходов. И дело здесь не в низком КПД – он как раз у солнечных коллекторов вполне сопоставим с КПД традиционных котлов (90–92%).

Просто в наших климатических условиях использовать энергию солнца получается в общей сложности не более полугода, и солнечные деньки приходятся в основном на те периоды, когда нужда в отоплении невысока. Зато энергию солнца можно с успехом заставить нагревать воду для нужд ГВС (для нагрева 100 л воды в солнечный день достаточно 2–3 кв. м панелей), подогрева воды в бассейне. Как уже говорилось выше, такую систему не используют в качестве основной, совмещая с использованием системы на другом виде топлива или электричестве. То есть для снятия пиковых нагрузок, в самые холодные месяцы или пасмурные дни, автоматически подключается другое отопительное оборудование.

И хотя теоретически можно представить себе дом, целиком отапливающийся энергией солнца, на практике такое решение будет слишком затратно по оборудованию, да и площади, отданные на кровле под коллекторы будут велики. Кроме того, со временем КПД такого оборудования падает, хотя об этом многие производители и продавцы стараются умалчивать. Тепло солнца можно использовать и для получения электроэнергии – с помощью солнечных панелей (правильнее их называть фотоэлектрическими модулями). Но надо сказать, что пока использовать энергию солнца для нужд отопления получается лучше, чем для решения задач электроснабжения.

Мало того, что, как говорилось выше, большую часть года солнце за облаками (в средней полосе России солнечных часов почти в пять раз меньше, чем часов без солнца, включая ночные), но и КПД у таких панелей невысок – 15% или чуть более у самых прогрессивных моделей. Это значит, что из солнечной энергии, «падающей» на 1 кв. м, они преобразуют в электричество только 16%. Для того чтобы покрыть все нужды дома в электроэнергии, потребуются панели большой площади, которые «потянут» на такую сумму, что ни о какой экономической целесообразности речь не пойдет в принципе. Кроме того, из-за неравномерности солнечных дней в году излишки выработанной энергии придется где-то хранить, чтобы использовать в пасмурные дни. А это значит, что будут нужны аккумуляторы, которые, во-первых, недешевы, а во-вторых, их будет нужно где-то установить. Для примера: для запаса электроэнергии для нужд небольшого дачного домика требуется 4–5 аккумуляторов, каждый из которых весит около 60 кг и стоит около 18 000 рублей.

Кстати, в Германии, например, проблема излишков электроэнергии и их использования решается достаточно просто. Там частное лицо может «сдавать» ее государству – сбрасывать в общую сеть, а при необходимости брать то же количество без дополнительной оплаты. У нас же пока подобное не практикуется. В России солнечные панели используются чаще всего в том случае, если в местности, где расположен дом, часты перебои с электроэнергией, это помогает не зависеть от «капризов» изношенных электросетей. И это понятно: если посчитать затраты на солнечные панели и аккумуляторные батареи, то на сегодняшний день стоимость 1 Вт получаемой из энергии солнца электроэнергии обходится в 7–8 долларов. Так что обустройство автономного электроснабжения на основе солнечных панелей – это пока нереально.

Ветрогенераторы: деньги из ветра

Более «жизнеспособный» с экономической точки зрения вариант добычи электроэнергии в «домашних» условиях – установка ветрогенераторов: если сравнить затраты на ветроустановку с оплатой за электричество по счетчику, то она окупится по счетчику примерно за 5 лет при сроке службы ветряка 10–15 лет. Ветрогенератор представляет собой мачту с винтом-пропеллером. Преобразованная из кинетической энергии ветра электрическая энергия накапливается в аккумуляторных батареях. Поступая по электросети к электроприборам, она дает возможность последним выполнять свое прямое назначение. Один из критериев отличия генераторов друг от друга – их мощность. Производители создают модели мощностью от 1 до 500 кВт и выше. Ветряк мощностью 1 кВт годится для обеспечения энергией небольшого садового домика (он обойдется примерно в 80 000 руб.). Для нужд коттеджа подойдет трехкиловаттный (стоимость – около 300 000 руб.) ветрогенератор.

В некоторых случаях имеет смысл поставить не один ветрогенератор, а три меньшей мощности, но целесообразность такого решения лучше обсудить со специалистом. Пожалуй, использование ветрогенераторов можно было бы назвать идеальным способом для «добычи» электроэнергии в условиях автономного дома. Однако есть некоторые проблемы, хотя производители и пытаются их решать, но пока еще недостаточно успешно. Первая из них связана с тем, что количество вырабатываемой энергии напрямую связано с погодными условиями – силой ветра и количеством ветреных дней в году. Активное движение воздушных масс в нашем регионе начинается где-то с сентября (это связано с остыванием земли), летом же почти всегда стабильное безветрие (а при скорости ветра ниже 2–3 м/с ветрогенераторы вырабатывать электрический ток не способны), есть свой «мертвый сезон» и в зимний период (как правило, декабрь-январь). А в феврале опять начинают дуть ветра.

Кстати, сегодня есть разработки, которые позволяют избыток вырабатываемой ветрогенераторами установки пускать на нужды отопления, что особенно актуально именно зимой. Но, как уже говорилось выше, во время продолжительных штилей это погодозависимое оборудование остается бесполезным. В такие дни, как правило, запускают бензо- или дизельгенератор, который работает, пока в этом есть необходимость. Оптимальный вариант – эксплуатировать такой генератор в составе гибридной установки (совместно с ветрогенератором). Блок управления, входящий в такой комплект, дает сигнал на запуск дизель-генератора в период безветрия, когда напряжение аккумуляторной батареи уменьшается и достигает порогового значения. Вторая проблема связана с производимым лопастями шумом, который будет достигать не только ушей хозяев участка, на котором установлен, но и соседних участков. Поэтому, принимая решение об установке ветрогенератора, лучше заранее предупредить соседей о возможных неудобствах и взять с них письменное разрешение о том, что они согласны их терпеть.

Кроме того, ветрогенератору потребуется достаточно большое пространство для установки. Ставить такие ветряки нужно на расстоянии не менее 20 м от дома. При этом радиус зоны безопасности, в которой лучше не находиться человеку, составляет высоту ветрогенератора, умноженную на 1,2. То есть если высота мачты ветрогенератора 9 метров, то на расстоянии 10,8 метра от него не должны находиться ни зоны отдыха, ни дорожки. Наиболее эффективно с этими проблемами справляются вертикальные (инерционные) ветрогенераторы. От «классических» горизонтальных они отличаются расположением вала генератора и формой лопастей. У генераторов с вертикальной осью вращения турбины вал расположен вертикально, а лопасти длинные, чаще всего дугообразные. Благодаря своей конструкции такие ветряки более эффектно захватывают ветер, дующий в любом направлении, и для этого им не нужно менять положение при изменении направления ветровых потоков.

Кроме того, им нужна меньшая скорость стартового ветра, у них ниже уровень шума, они считаются более надежными в эксплуатации из-за меньшей нагрузки на вал и мачту. Но и стоимость у них выше, чем у традиционных горизонтальных, примерно в два раза. Также можно обеспечить большую автономность системе альтернативного электроснабжения, совмещая ветрогенераторы с солнечными панелями. Гибридная система (ветряки + солнечные панели) позволяет в большей мере решить сезонные проблемы, связанные с источниками электроэнергии.

Дата размещения: 1-12-2019, 17:12