Тема тепловых насосов для отопления загородных домов широко обсуждается в интернете. Я решил разобраться сам с этим вопросом при помощи простеньких расчётов.
Часть 1. Хватит ли тепла в грунте?
Так примем в качестве исходных условий задачи небольшой дом с номинальными теплопотерями 10кВт ( среднее теплопотребление 5кВт за отопительный сезон при расчётной средней -3,4С для подмосковья), стоящий на участке 10 соток.
По условиям геотермального контура его закапывают на глубину ниже зоны промерзания, то есть глубже 1,5 м для подмосковья.
Наш участок занят домом и посадками, площадь под которые мы не можем использовать для раскапывания под укладку труб геотермального контура.
Предположим, что половину участка мы всё же раскопаем и на 5 сотках уложим геотермальный контур.
Тогда на отопительный период у нас получается запас тепла из накопленного в объёмах грунта на данной площади с глубиной промерзания слоя 3м., то есть на 1,5 метра глубже зоны обычного промерзания.
Суммарный объём вымораживаемого грунта составит 3*500=1500м.куб.
Среднюю температуру грунта в слое примем +10С градусов на начало отопительного периода.
Будем считать, что охлаждать грунт будем до -1С, так как в теплообменнике будет хладогент с температурой -5С.
Тогда при теплоёмкости грунта около 1кДж/кг и плотности 2000кг/м.куб у нас будет запасено
1*2000*1500*(10+1)/3600=9167 кВт*ч
Делим это количество на 24 часа и ещё на 214 суток отпительного периода.
9167/(214*24)=1,78кВт
То есть за отопительный период промороженный грунт с 5-ти соток даст нам всего в среднем 1,78кВт мощности по отопительному периоду, что явно недостаточно для нашего дома с теплопотерями в среднем 5кВт за отпительный период.
К тому же даже эта цифра выглядит завышенной, так как мы включили в расчёт верхние 1,5 метра грунта, которые выхолаживаются не только нашим геоконтуром, но и окружающим зимним воздухом.
То есть наш геоконтур успешно выморозит грунт вокруг себя всего за 3 месяца с октября по январь, а потом просто перестанет давать тепло, заставляя нас переключится на дровяной котёл или на сжигание электричества напрямую в электрокотле.
Часть.2. Возможен ли вообще такой расчётный тепловой поток в грунте?
Если считать среднюю мощность теплосъёма с контура 5кВт, а площадь контура 500м.кв, то средний тепловой поток составит 5000/500= 10 Вт/м.кв.
При мощности теплового потока 10Вт/м.кв и теплопроводности грунта около 1 Вт*С/м получим, что на перепаде температуры от -5С в трубе до +0С в отдалённых слоях грунта нужен слой грунта с сопротивлением
R=5/10=0,5м.кв/Вт*С, что будет соответствовать слою грунта Н=0,5м.
Таким образом, после промерзания грунта сверху над геотермальным контуром до улицы дальнейшее промерзание возможно только в глубину, но с постоянным падением мощности уже через 3-4 недели после начала отопительного периода.
Часть 3. Окупится ли всё это экономически?
Стоимость самого геотермального контура- это основная часть затрат в устройстве отопления тепловым насосом от грунта.
Так при площади 500м.кв и шаге трубы не более 0,5м потребуется 500/0,5=1000м.п. трубы.
Выбираем трубу Ф40х2мм по цене 50руб/м.
Итого 1000*50= 50тыс.руб.
Трубу надо заполнить специальным незамерзающим хладогентом по цене не менее 150руб/л, что при ёмкости трубы с внутренним Ф36мм составит около 1л/м.п и даст общую стоимость 150*1*1000=150тыр
Раскопать 500м.кв. на глубину 2м это 1000 куб. грунта.
Миниэкскаватор за смену выкапывает 60м.куб. и стоит 10 тыр.смена.
Таким образом, откопка грунта обойдётся 1000*10/60= 166 тыс. руб.
Засыпать геоконтур песком слоем не менее 200мм – это 0,2*500=100м.куб, что по цене 1000руб/м.куб даст ещё 100тыр за песок.
Обратная засыпка грунтом обойдётся в те же 166тыр.
Суммарно земляные работы 166*2+100=432 тыр.
Итого Земляные работы + труба + хладогент= 432+50+150=632тыр.
Накинем на укладку трубы 70 тыр.
Итого геоконтур будет стоить около 700тыр.
Холодильная машина «вода-вода» от надёжного производителя на 10 кВт стоит от 350тыр.
Итого: 1050 тыс.руб.
Много это или мало?
Предположим, что мы отапливаемся электричеством по 5,6руб/кВт в подмосковье, то за отопительный сезон 214 дней по 24 часа со средней мощностью 5кВт мы заплатим
5,6*214*24*5=143.808руб или около 20тыс.руб/мес в течении периода с октября по апрель.
Тогда как тепловой насос с холодильным коэффициентом 3 даст нам расходы на электричество всего 50тыс.
То есть в год мы будем экономить на тепловом насосе около 94тыс руб на электричестве, что окупит установку за 1050/94=11,17 лет.
При существующих ставках по депозиту в 6% за год можно получить около 63тыс.руб, при этом миллион остаётся вашим.
Тогда картина сильно меняется, а выгода от Теплового насос с 94тыс в год падает до
94-63=31тыс.руб/год.
А окупаемость становится равной 1050/31=34 года
То есть Тепловаой насос сломается раньше , чем начнёт приносить прибыль, и это даже по высоким тарифам за электроэнергию в Подмосковно-городской среде.
В других регионах с более дешёвой электроэнергией окупаемость уходит за 50 лет. И до бесконечности.
Так даже для сельского подмосковного тарифа 3,89 руб/кВт отпление электричеством обойдётся в
3,89*214*24*5=99.895руб
Тогда тепловой насос с холодильным коэффициентом 3 даст нам расходы на электричество всего 33тыс., а экономии окажется 99-33=66тыр/год
Учитывая 6% доход от 1,05 млн на депозите, равный 63тыр/год, то получаем символическую прибыль от теплового насоса 66-63=6 тыс.р/год
При этом окупаемость составит 1050/6=175лет.
Но оборудование такое работает всего 30 лет, да и пластиковая труба с антифризом потребует замены стольже часто.
Вывод:
Установка столь дорогого геотермального контура с холодильной машиной за 350тыс.руб. не имеет никакого экономического смысла в сравнении с прямым отоплением от электрокотла даже по дорогим московским тарифам на электричество.