Понятие «климатическая система» включает в себя не только обеспечение стабильной температуры и влажности в помещении, но и постоянные контроль «качества» среды. Среди прочих факторов, эксперты отмечают, например, наличие электромагнитных полей, которые образуются с избытком от работы компьютеров и бытовой техники. Когда в помещении функционирует электрический «теплый пол», да еще сплит -система задувает потоки воздуха с помощью электрических вентиляторов, то электромагнитное поле может оказаться избыточным.
Также разработчики новых систем рассматривают экономическую сторону вопроса. При рациональной работе водяного «теплого пола», который нагревается с помощью водяной отопительной системы, можно получить большую экономию, чем при использовании электрических «теплых полов». Кроме того, сам принцип работы геотермальных систем «добычи тепла», который нередко применяют «в паре» с новыми системами потолочного и напольного отопления и кондиционирования, предусматривает существенную экономию, по сравнению с традиционными способами получения и использования энергии.
«Холодный потолок»
Понятие «холодный потолок» теперь получило полное право на существование, поскольку принцип работы охлаждающей поверхности на потолке практически такой же, как у «теплого пола». Разница лишь в том, что труба с холодной водой «зашита» в подвесной потолок. Несколько ранее на рынке появились напольные системы водяного отопления, которые могут запускать в свой трубопровод как теплую, так и холодную воду.
В этом случае «холодный пол» выполняет функцию кондиционера. Назначение и принцип работы холодного потолка почти аналогичные. Хотя, конечно, схемы укладки труб в потолочных панелях и в полу имеют принципиальные различия (об этом ниже). Но главное, что эффективность охлаждения помещения «от потолка», эффективнее, чем принцип напольного охлаждения. Все дело в том, что по законам физики теплый воздух поднимает вверх. Вот тут-то его и освежает «холодный потолок».
Новая система собирается из внешне привлекательных подвесных панелей, полностью укомплектованных «трубопроводной» и звукопоглощающей начинкой. Внутри панели компактно располагается змеевик гибких труб. Например, есть модели охлаждающих потолочных панелей, сделанных из оцинкованного стального листа, которые имеют «в теле» трубы размером 10 на 1,5 мм. В качестве звукоизоляционного материала в панели использовано стекловолокнистое звукопоглощающее покрытие. Панели выпускают различных размеров, с таким расчетом, чтобы их можно было с необходимой плотностью устанавливать на потолке.
Дело в том, что система также включает в себя «пустотелые» панели, которые станут основной для светильников и элементов системы вентиляции. Напомним, что охлаждающий потолок вообще не закачивает воздух в помещение, а потому для этой цели нужно обустраивать вентиляционную систему. Эксперты отмечают, что подобные климат-системы (как и подвесные потолочные панели) больше подходят для обустройства офисных зданий, больниц, административных и прочих общественных помещений с высотой потолка не больше 5 м.
Также к числу новинок можно отнести потолочные панели из огнестойкого гипсокартона, в которых «замурована» система труб размером сечения 9,9 мм на 1.1 мм, а также слои тепло- и звукоизоляционных материалов. Система рассчитана на умеренно охлажденную воду с температурой 7 – 12 градусов — в режиме кондиционирования помещения, и на воду, подогретую до 30 – 40 градусов, когда «климат-потолок» работает в режиме отопления.
По мнению экспертов, умеренный диапазон температур при подогреве и охлаждении воды в системе отопления-кондиционирования соответствует европейскому стандарту. Умеренный температурный режим позволяет черпать энергию от солнечного коллектора, а также использовать «теплый-холодный потолок» в сочетании с тепловыми насосами и конденсаторными котлами (об этом подробнее ниже). Для охлаждения воды применяют также чиллеры.
Стоит отметить, что площадь потолка, охваченная «панельным» трубопроводом, значительно превышает не только «горячую» площадь, занимаемую традиционными радиаторами, но также имеет преимущества перед системой «теплый пол». Количество светильников и вентиляционных каналов на потолке, как правило, занимает там меньше места, чем расставленная на полу мебель. Особенно это касается офисных помещений, где в целях экономии пространства довольно плотно организовывают рабочие места для сотрудников, а также ставят различные тумбочки и шкафы для документов. В плотно заставленных помещениях система отопления или охлаждения пола малоэффективна, а вот «климатический» потолок может создавать комфортную температуру независимо от количества мебели в офисе.
Беспанельная отопительная система
Эксперты отмечают, что способ монтажа «холодного потолка» путем укладки панелей, начиненных трубами и звукоизоляцией, облицованных привлекательным покрытием – это не единственный метод обустройства потолочной системы охлаждения и отопления. Новые подходы к отоплению предусматривают и более традиционный способ оборудования потолков, а также стен трубопроводом для подогретой и охлажденной воды. В частности, есть системы, которые по принципу обустройства больше напоминают обычной «теплый пол», в котором трубы выложены под цементной стяжкой.
Способ предусматривает монтаж трубопроводной системы на потолках или стенах с дальнейшим покрытием труб тонкой цементной смесью. Для монтажа трубопровода к стенам и потолку имеются специальные фиксирующие траки. В частности, есть системы, где предусмотрен настенный и потолочный трубопровод-змеевик, сделанный из поперечно-сшитого полиэтилена. По мнению экспертов, этот материал один из самых надежных. Трубы из сшитого полиэтилена превосходят по качеству многие аналоги, особенно если сравнивать их с другими пластиковыми трубами. Важное преимущество: трубопровод из сшитого полиэтилена годится как для холодной, так и для горячей воды, прогретой до высоких температур.
Еще одно преимущество данной системы – ее экономичность. Если сравнивать покрытые цементной смесью трубы с готовыми «трубопроводными» потолочными панелями, то можно отметить и другие достоинства. Потолочная отделка, какой бы оригинальной она не была, со временем может надоесть. Но это не повод менять всю потолочную трубопроводную систему. Когда трубы покрыты цементной смесью, то потолок имеет облицовку, независимую от системы отопления и охлаждения. Облицовку можно поменять, а трубопровод оставить на прежнем месте.
Термоактивные строительные конструкции
Комплексные возможности климат-системы породили новое понятие: термоактивное здание. Выполнять в здании функцию термоактивных конструкций могут потолочные перекрытия. На стадии строительства дома в бетонные перекрытия монтируют змеевики труб. Когда дом сдан в эксплуатацию, возможны два варианта использования системы: летний и зимний. Жарким летом в трубопровод подают холодную воду, и перекрытия работают как холодильник – охлаждая горячий воздух. Зимой в трубы закачивают теплую воду, обогревая помещение.
Разработчики новых инженерных подходов в области проектирования климат-систем озаботились не только тепло- и холодоснабжением зданий, но также оснащением их центрами выработки энергии. По мнению специалистов, это совершенно новое направление в энергетике. Единого проекта для всех термоактивных зданий не может быть в принципе. Предполагается, что основным «поставщиком» тепла и холода являются природные ресурсы, а инженерное решение разрабатывают применительно к имеющимся условиям.
В целом, европейский подход к созданию экологически чистых, энергонезависимых (или почти независимых) зданий больше подходит для теплого климата. Землю, в данном случае, можно назвать крупнейшим поставщиком энергии для работы геотермальных систем. Возможности термоактвного здания простираются шире, чем традиционная трансформация солнечных лучей в электроэнергию с помощью солнечных батарей, установленных на крыше. При наличии достаточной площади участка, можно аккуратно уложить в трубы в траншею. Тогда солнце будет напрямую подогревать трубы, а теплую воду можно использовать для бытовых нужд, поскольку в жаркое время года здание не нуждается в отоплении. Впрочем, есть горизонтальные геотермальные системы, способные «собирать тепло» из окружающей среды даже в холодную пору, но об этом — ниже.
А вот холодную воду можно закачивать в потолочную систему охлаждения (с функцией отопления) из артезианской скважины, или иного источника (возможно горной речки), где всегда есть холодная вода. Стоит отметить, что подобные системы двойного назначения активно применяют в термоактивных зданиях. Любопытно, что создатели геотермальных систем предусмотрели случаи попутного использования техногенных энергетических ресурсов. Например, для нагревания воды и дальнейшего отопления помещения можно использовать прогретые (но хорошо очищенные) промышленные сбросы, тепло силовых трансформаторов, биологическую тепловую энергию, которую научились получить из «продуктов» очистных сооружений, и любые другие промышленные источники тепла.
Тепловые насосы
Один из важных элементов, который обычно включают в состав геотермальной системы – это тепловой насос. Принцип работы данного агрегата, как и технология отбора, и конденсация тепла из достаточно прохладной окружающей среды, на первый взгляд, больше напоминает научную фантастику, чем реальности жизни. Нам несложно представить себе, что водой, температура которой, предположим, плюс 30 градусов, можно с помощью большой площади «теплого потолка» обогреть помещение, когда температура воздуха на улице, допустим, плюс пять градусов.
При хорошей теплоизоляции стен можно получить достаточно комфортную температуру. Здесь же речь идет о том, что жидкость, температура которой, допустим, 10 градусов, прогоняют через коллекторы и тепловой насос, а на выходе получают тот же раствор, нагретый, к примеру, до плюс двух градусов. Тепло, полученное в результате охлаждения жидкости, аккумулируют, и, пропуская через специальные агрегаты, направляют на отопление жилища. Теплоноситель в таких системах (как сказано выше) не прогревается более 30 – 40 градусов, однако и этой температуры достаточно, чтобы обогреть помещение через «теплый потолок», когда на улице нет сильных морозов.
Чтобы постичь принципа работы агрегатов, которые «отбирают тепло» у 10-градусной жидкости, аккумулируют его, «усиливают», и направляют в нужное русло, специалисты приводят в качестве примера принцип работы холодильных камер – понятный нам, и не вызывающий удивления. В «трубопроводе» морозильной камеры циркулирует фреон, который в результате изначальных свойств и реакции вещества охлаждается сам, и тем самым генерирует холод в камере. Однако, по большому счету (вспомним, что энергия не исчезает, и не возникает из ничего, а переходит из одного состояния в другое) в системе все уравновешено.
Холодильник, создает холод внутри, однако агрегаты, установленные на его задней стенке, нагреваются. Никто не удивился бы, если бы «тепло холодильника» накрыли специальной «теплоприемной» камерой, запустили возле мотора змеевик с водой, и стали нагревать воду для бытовых нужд. Идея кажется вполне разумной, и даже странно, что бытовые холодильники не использую в качестве стабильных генераторов тепла.
Наружные блоки кондиционеров и вовсе вывешивают на фасады зданий, причем не только из-за шума. Блоки генерируют тепло, выбрасывают его в воздух, однако, в промышленных масштабах теплоэнергию вполне можно аккумулировать. И первые разработки такого плана уже есть: воду, подогретую от тепла, которое образовалось в результате работы чиллеров, направляют на бытовые нужды для горячего водоснабжения зданий.
Разумеется, основное действо, которое можно охарактеризовать как «сбор тепла из воздуха и воды», причем речь идет об окружающей среде, имеющей более низкую температуру, чем внутри здания, считается ноу-хау. А сам процесс сбора природного тепла (если плюс 10 градусов можно считать теплом), применительно к работе тепловых насосов, называют, например, термодинамическим циклом. Специалисты отмечают, что процесс получения тепла из воздуха (в данном случае это не гипербола) требует некоторых энергозатрат. Но они относительно малы, если сравнивать геотермальные системы отопления и охлаждения с традиционными системами. В частности, электроэнергия требуется на работу теплового насоса.
Через коллекторы, в которых циркулирует специальный раствор, у природной среды (это может быть грунт, вода или воздух) отбирается тепло. Это происходит путем контакта через коллектор (его еще называют геотермальным зондом) холодного раствора и относительно теплого грунта, воздуха или воды.
После процедуры теплообмена и других технологических манипуляций, тепловой насос выдает для нужд отопления теплоноситель (например, подогретую воду), который более привычен в хозяйстве. Теплая вода, подогретая до 30 – 40 градусов, годится именно для потолочных систем отопления (или для «теплого пола»), поскольку такие «обогреватели» имеют очень большую площадь. Напомним, что в «климатическом» потолке задействованы панели, которые в совокупности представляют собой трубопроводную систему, уложенную «плотными» змеевиками. Возможен также один большой змеевик, покрытый цементной смесью. То есть площадь обогрева с умеренной температурой теплоносителя простирается на весь потолок.
Система геотермального охлаждения помещений может работать по аналогии с отопительной системой. Однако, стоит отметить, что здесь не всегда нужны передовые технологии. Ведь найти в природе воду, подходящую для умеренного водяного потолочного охлаждения, обычно не так уж сложно. Вода из артезианской скважины, закаченная с глубокого водоносного горизонта, может иметь необходимую температуру в самый разгар лета.
Ее можно закачивать в потолочную или «подпольную» систему охлаждения в необработанном виде. За счет большой площади потолка и естественного кругооборота воздуха (теплый поднимается вверх, холодный опускается) в комнате будет происходить теплообмен между прохладным потолком (или полом) и прогретым от уличной жары воздухом комнаты. К слову, стоит отметить, конструкция панелей и «глубина залегания» змеевика рассчитаны таким образом, чтобы на охлажденной поверхности не выступала роса.
Если провести аналогии, то и теплую воду, не требующую дополнительного подогрева, тоже добывают в природе и направляют на отопление зданий. Так, например, поступают в местах, где есть термальные источники. Горячие фонтаны бьют прямо из-под земли, а потому рачительные хозяйственники используют природный ресурс не только для развлечения туристов, но и в качестве теплоносителя.
Однако, по мнению специалистов, основная функция геотермальных систем состоит в том, чтобы постоянно обеспечивать термоактивное здание тепло- и холодоресурсами. Для этого подбирают оптимальный режим работы оборудования, позволяющий «отбирать» тепло у прохладной природной воды, грунта или воздуха.
Проект на геотермальные климат-системы
Хотя термоактивные здания, а тем более частные дома, в основном, «осваивают» территории западных стран, отечественные фирмы и предприятия в странах СНГ, тем не менее, предлагают услуги по проектированию и строительству систем отопления с применением тепловых насосов, черпающих тепловую энергию, образно говоря, из недр земли. Как сказано выше, геотермальные системы используют «теплоносители» различного типа, в частности, грунт, воду и воздух. Но водоема поблизости может не быть, да и не всегда просто получить разрешение на использование «общественной» воды, а вот бурение скважины на своем участке обычно не представляет проблемы.
Точнее нужна не одна скважина, а система скважин, в которые устанавливают грунтовые коллекторы (иначе их называют геотермальными зондами-теплообменниками). Скважины объединяют в единую систему, которая называется геополем. Любопытно, что обычно объявления фирм о поставке и монтаже энергетического оборудования включают в себя только перечень агрегатов, возможно, еще кабели и другие расходные материалы. Организации, занимающиеся поставкой тепловых насосов и прочего геотермального оборудования, в своих объявлениях предлагают совершенно необычные услуги. Например, «строительство геополя под ключ».
Принцип работы земляных грунтовых коллекторов (или иначе геотермальных зондов) таков. В коллекторе циркулирует незамерзающий раствор, который (хоть и сложно это представить) отбирает тепло у грунта и грунтовых вод. «Подогретая» грунтом жидкость поступает к тепловому насосу, который охлаждает «теплую» жидкость, поднятую из грунта, примерно на пять градусов. В результате температура раствора становится ниже, чем была, опускаясь примерно до плюс двух градусов.
Жидкость снова возвращается в скважину, где быстро нагревается до температуры грунта, а затем раствор опять поднимают наверх (раствор циркулирует в коллекторе), где его охлаждает тепловой насос. «Отобранное» у грунта тепло перерабатывается и накапливается геотермальной системой. В результате, как было сказано выше, вода поступает в отопительную систему, будучи нагретой до 30 — 40 градусов.
Специалисты отмечают, что необязательно отбирать тепло с помощью коллектора, используя вертикальные скважины. Аналогичный принцип можно применить на горизонтальном геотермальном поле, если имеется достаточная площадь участка, позволяющая уложить коллекторы в траншее. Разумеется, площадь контакта коллектора с грунтом (то есть длина коллектора) должна быть достаточно велика, чтобы циркулирующая в нем жидкость успевала нагреться, и тем самым «отобрать тепло у грунта» за один цикл.
Как сказано выше, на рынке появились фирмы, предлагающие проектирование и строительство геотермальных полей с целью дальнейшего подключения тепловых насосов. Например, некоторые компании запрашивают у клиентов такие исходные данные: план территории; геодезический план с указанием глубины залегания грунтовых вод; поэтажный план с указанием необходимой температуры помещений; информацию о стройматериалах и утеплителе, из которых построено здание; информацию об окнах и стеклопакетах; объемы потребностей в горячей воде.
В качестве готового продукта фирмы предлагают расчет мощности геополя и грунтовых коллекторов, бурение скважин, установку в них коллекторов (геотермальных зондов), тампонаж скважин и гидравлические испытания. После чего система отбора тепла у грунта готова к эксплуатации.