На высоте менее 20 метров над земной поверхностью температура почвы по мере углубления постоянно повышается. На такой глубине значение температуры остается стабильным и не зависит от внешних погодных условий и времени года, колеблясь от 10 °C и выше. Это варьируется в зависимости от географической зоны. Для использования этого тепла бурятся специальные скважины под тепловые насосы. Такие системы, как правило, способны генерировать больше тепла, поэтому потребность в дополнительном источнике энергии значительно снижена.
Геотермальный тепловой насос своими руками для отопления дома: устройство, проектирование, самостоятельная сборка
Существует множество способов обогрева и горячего водоснабжения в частных домах, включая подсоединение к газовым сетям или переход на электрическое отопление. Согласны ли вы с таким подходом?
Одним из эффективных вариантов является установка геотермального теплового насоса с использованием геотермального тепла для создания комфортной температуры в помещениях. Процесс установки такого насосного оборудования может показаться трудоемким, но для тех, кто имеет хоть малейшие технические умения, это вполне выполнимая задача.
В этой статье мы подробнее обсудим основы работы и виды геотермальных систем. Мы объясним, как можно сделать тепловой насос из доступных материалов своими руками. Вы также найдете рекомендации экспертов по выбору геотермальных систем, а приложенные видеоматериалы помогут разобраться в процессе установки и принципах функционирования геотермальных тепловых насосов.
- Как функционирует тепловой геоагрегат?
- Какие существуют геотермальные установки?
- Вариант #1. Конструкция по технологии «земля-вода»
- Вариант #2. Особенности тепловых насосов «вода-вода»
- Вариант #3. Устройство систем «воздух-вода»
- Какие способы сборки существует?
- Способ #1. Создание на основе холодильного устройства
- Способ #2. Тепловой насос на основе кондиционера
Как функционирует тепловой геоагрегат?
Принцип работы геотермального теплового насоса заключается в передаче тепла от источника с низкой температурой к теплоносителю. Земля в этом контексте выступает как радиатор в летний период и в то же время является активным источником тепла зимой.
Разница в температуре грунта усиливает общую эффективность системы и позволяет снизить операционные затраты.
Работа геотермального теплового насоса основана на феномене тепловой инерции. На глубине 6 метров и ниже температура грунта почти равна среднегодовой температуре воздуха и лишь немного колеблется в течение всего года.
В практике активный теплоноситель закачивается в трубу, находящуюся в земле, и нагревается на несколько градусов. Далее этот теплоноситель проходит в теплообменник (или испаритель), где передает накопленное тепло в специальную жидкость внутреннего контура системы.
Принцип работы геотермальных систем напоминает принцип работы холодильников. Именно поэтому некоторые виды тепловых насосов могут работать как кондиционеры в летнее время, обеспечивая охлаждение жилых помещений.
Хладагент во внешнем контуре нагревается в испарительном устройстве, превращаясь в газ, который затем попадает в компрессор. В компрессоре газ сжимается под высоким давлением, и его температура увеличивается.
Горячий газ поступает в конденсационный котел, где отдает тепловую энергию рабочей среде внутренней системы, отвечающей за отопление помещения. В завершение процесса хладагент, потерявший часть своего тепла, возвращается в исходное жидкое состояние.
Какие существуют геотермальные установки?
Геотермальные тепловые насосы различаются по типу теплоносителя, который используется как в внутреннем, так и в внешнем контуре системы. Энергия таких агрегатов может извлекаться из земли, воды (грунтовых или открытых водоемов) и воздуха.
В жилых домах источники тепла используются для отопления, подогрева воды и кондиционирования воздуха. В зависимости от комбинации используемых элементов и функций, системы делятся на три типа: «грунт-вода», «вода-вода» и «вода-воздух».
Вариант #1. Конструкция по технологии «земля-вода»
Геотермальный насос, использующий энергию земли, является одним из самых экономически эффективных альтернативных решений для отопления домов. Принцип его работы заключается в извлечении тепловой энергии из земли с помощью зондов или коллекторов, которые затем передают это тепло в систему горячего водоснабжения.
Современные высокотехнологичные устройства геотермальных тепловых насосов для подземных вод предлагают надежность и высокую производительность. Они не требуют постоянного вмешательства владельца, но для их обслуживания необходимо обращение к специалистам.
Эта технология может быть реализована с использованием специального оборудования, которое включает геотермальный теплообменник, расположенный ниже глубины промерзания грунта, и тепловой насос, работающий в обратном цикле (обратный цикл Карно).
Как работает устройство.
Система грунтовых вод, обеспечивающая дома возобновляемым теплом из земли, функционирует по следующему алгоритму:
- Рабочая жидкость (рассол или антифриз), проходящая по геотермальному контуру, наталкивается на температуру земли и посредством насоса поступает в теплообменник – испаритель. В процессе передачи тепла, она отдает свою теплоту фреону, охладившись на 2-5 °C, после чего возвращается в исходную точку.
- Фреон, обогащенный теплом, испаряется и, переходя в газообразное состояние, поступает в компрессорную установку. Здесь газ сжимается, и его температура возрастает.
- Питомую тепловую энергию передают теплоносителю в домашней системе отопления, в то время как фреон вновь принимает жидкую форму. Его давление понижается после прохождения через расширительный клапан, и хладагент возвращается обратно в испаритель для сбора новой порции тепла.
В процессе извлекается из земли такое количество тепла, которое более чем в четыре раза превышает количество электроэнергии, требуемое для нормальной работы компрессорного блока, циркуляционного насоса и управляющего блока.
В цикле используются эколого-безопасные жидкости, такие как смеси гликоля с низким уровнем вязкости, вода с добавлением спирта или соляного раствора. Эти жидкости эффективно поглощают тепло и теплоотводят его к насосной станции.
Дополнительным преимуществом системы является возможность функционирования в обратном направлении для охлаждения помещений. Хотя эффективность в этом режиме может снизиться на 20%, такая возможность может быть оправдана благодаря высокой общему тепловому ресурсу системы.
Что такое тепловой геотермальный насос
Геотермальный тепловой насос представляет собой самодостаточную установку, использующую низкопотенциальные источники тепла из земли, воды и воздуха. Внешний вид данного устройства напоминает кондиционер, однако он также функционирует как обогреватель. Благодаря расположенному ниже точки промерзания коллектору, установка способна работать даже в условиях отрицательных температур и подходит для северных регионов.
Для эффективной работы системы важно комбинировать тепловые насосы с солнечными установками, что позволяет обеспечить непрерывную подачу энергии для отопления и горячего водоснабжения.
Принцип работы
Эффективность работы тепловых насосов исключительно зависит от стабильной положительной температуры грунта ниже уровня размораживания. Чем глубже они закопаны, тем теплее,остается. Принцип действия заключается в использовании и трансформации извлеченной геотермальной энергии для нагрева теплоносителей в вашем доме.
Применяемый процесс включает:
- Установку контура для сбора энергии;
- Заполнение трубопроводов пропиленгликолем;
- Привязка контура к вертикальным геотермальным зонтам, расположенным в скважинах на глубину от 60 до 100 м или коллектору, помещенному в грунт на глубину ниже размораживания (от 1 м);
- Перемещение соляной смеси по замкнутому циклу между зондами и прогревание до +5 °C.. +6 °C, после чего она попадает в приемный отсек теплового насоса.
Далее в работу вступает тепловой насос, который извлекает и накапливает тепло из окружающей среды.
Структурно насос состоит из нескольких важных и вспомогательных компонентов, в которых протекают все процессы накопления и передачи тепловой энергии к теплоносителю:
- Замкнутый контур. Здесь транспортируется фреон, переходящий из жидкого агрегатного состояния в газообразное.
- Испаритель. Модуль связан с приемным отсеком системы, он необходим для испарения фреона, который поглощает теплоту от нагретого раствора.
- Газообразный фреон перемещается в компрессор, где повышается давление, и под высоким давлением газ разогревается до +65 °C.
- В конденсаторе горячий газообразный фреон снова становится жидким, сохраняя при этом высокую температуру. Теплообмен происходит через стенки конденсатора, и благодаря этому обогревается теплоноситель в отопительной системе.
Таким образом, геотермальный тепловой насос для домашнего использования подогревает теплоноситель, позволяя поддерживать комфортную температуру помещения до +25 °C. Это достаточно, чтобы обеспечить уют даже в зимнее время, когда температура на улице может достигать -30 °C.
Данный тип насосов наиболее эффективно работает с системами отопления, предполагающими низкие температуры входящего теплоносителя, такими как отопление с подогревом пола. Безопасный блок имеет множество преимуществ и может охлаждать жилье в летний период в режиме кондиционирования.
Подводя итог! Если тепловой насос подключен к солнечным коллекторам, система приобретает автономность и независимость в подаче тепла и горячей воды. Это особенно удобно для загородных домов, где отсутствует доступ к централизованной сети.
Насосы тепловые земля-земля
Для непрерывной работы системы необходима стабильная подача тепла из земли.
Различают два основных типа схем, каждый из которых имеет свои уникальные характеристики и особенности работы:
- Горизонтальный теплообменник. В данном случае трубы для геотермального контура укладываются ниже уровня промерзания грунта. Такой способ не требует применения специализированной техники для бурения скважин, что позволяет осуществить установку своими руками с помощью обычной лопаты – нужно просто выкопать траншеи на глубину от 1 метра и уложить в них петли труб. Однако следует отметить, что размер такого контура будет значительно увеличен: для обогрева дома площадью 220 м² необходимо иметь контур, занимающий не менее 600 м² (т.е. примерно шесть соток). Поэтому горизонтальные теплообменники будут доступны только для участков с большой площадью.
- Вертикальный теплообменник. В этом варианте в земле пробуриваются скважины на глубину от 200 м, куда помещаются геотермальные зонды. Бурение скважин позволяет работать на ограниченных участках, сохраняя при этом стабильный уровень теплоты, ведь температура на глубине не опускается ниже +18 °C. Минусом является необходимость использования специальной буровой техники.
Важно: Чем глубже скважина, тем выше температура грунта остаётся стабильной.
Общая информация по земляным тепловым насосам
На первый взгляд, схема теплового насоса с грунтовым источником может показаться довольно сложной. Однако на деле эта система состоит из относительно простых элементов. Она включает множество подземных труб, предназначенных для извлечения солнечной энергии.
Собранная солнечная энергия затем преобразуется в тепловую, которая может быть использована в быту.
Существует две типовые базовые конфигурации теплового насоса с грунтовым источником тепла:
Рассмотрим каждую из этих конфигураций более подробно. Также стоит отметить, что используются два типа трубных петель: замкнутые и открытые, причем последний тип встречается значительно реже.
Земляной тепловой насос — вертикальная конфигурация.
В данной конфигурации массив трубок образует замкнутый контур вертикального типа. В этом варианте бурится скважина глубиной от 15 до 125 м для размещения трубопроводной системы. Теплоноситель в трубах извлекает тепло из грунта или загоняет его обратно.
Пары труб, размещенные в скважине, соединяются между собой U-образными поперечинами либо представляют собой две трубы, которые термически сплавляются и образуют U-образный изгиб под землей.
Пространство между стенкой скважины и U-образными трубами заполняется цементным раствором, что способствует созданию тепловой связи с грунтом и улучшению теплопередачи.
Теплоэффективные решения на основе вертикальных петель идеально подходят для случаев, когда площадь поверхности ограничена. Скважины располагаются на расстоянии 5-6 метров друг от друга.
Глубина скважины зависит от типа почвы и здания, к которому подводится тепло. Например, для однофамильного дома, нуждающегося в 10 кВт тепла, могут потребоваться три скважины глубиной 80-110 метров.
Земляной тепловой насос — горизонтальная конфигурация.
Геотермальный тепловой насос с горизонтальным контуром основан на прокладке единого замкнутого контура горизонтально в земле.
Для этой конфигурации необходимо рыть широкую горизонтальную траншею ниже уровня промерзания. В эту траншею укладываются U-образные трубы или петли.
По оценкам, стоимость рытья неглубоких горизонтальных контуров обойдется примерно в два раза дешевле, чем вертикальных скважин.
Именно по этой причине горизонтальная система является наиболее распространенной в условиях обширного участка с достаточной открытой землёй.
Как работает земляной тепловой насос и сколько это стоит?
Принцип работы конструкции во многом основан на использовании смеси воды и антифриза, которая перекачивается в грунт.
Эта смесь аккумулирует солнечную энергию, захваченную земной массой. Процесс сжатия и расширения составляет основу для извлечения, что позволяет использовать полученное тепло для обогрева частного дома.
Объем теплового ресурса непосредственно зависит от мощности системы (количества труб, их длины и глубины укладки) и свойств почвы.
Практика показывает, что в глинистых почвах можно аккумулировать значительно больше тепла, чем в песчаных. Предварительное исследование состояния почвы перед проектированием и строительством теплового насоса с грунтовыми источниками весьма желательно.
Согласно приблизительным оценкам, стоимость установки типичной системы теплового насоса с грунтовым источником в частном доме с тремя или четырьмя спальнями составляет около 800 000 рублей.
Типичная «бюджетная» стоимость обходится около миллиона рублей за 1 кВт мощности. Так, для дома с четырьмя спальнями общей площадью 400 м² потребуется тепловой насос мощностью не менее 8 кВт.
Сама единица теплового насоса будет стоить 500-600 тысяч рублей. Величина первоначальных затрат также включает стоимость общестроительных работ. Полная сумма установки может значительно варьироваться в зависимости от местных условий.
Краткий брифинг
Z-Sila — это публикация материалов, представляющих интерес для широкой аудитории. Новости о технологиях, исследованиях и экспериментах глобального масштаба и социальная мультидисциплинарная информация.
Виды грунтовых систем по типу расположения теплосъёмника
Одним из ключевых компонентов системы теплового насоса с грунтовым источником является грунтовый теплообменник, который позволяет извлекать низкопотенциальное тепло из земли.
Существуют три основных типа таких устройств:
Установка этого теплообменника считается самой простой, однако у него есть недостаток — необходимость наличия большой площади поверхности.
Такой теплообменник обычно размещают на глубине ниже линии промерзания грунта, что составляет обычно от 1 до 3 метров в зависимости от географической области и характеристик почвы. Поэтому для установки не нужны значительные земляные работы.
На эффективную работу коллектора влияет необходимость поддержания расстояния между трубами не менее 0,7 м. Из-за высокого гидравлического сопротивления рекомендуется общая длина не превышает 150 метров. Если планируется несколько контуров, важно, чтобы они были почти одинаковой длины.
Другой вид теплообменников располагается на глубине 20 метров и более, где температура остается постоянной на протяжении всего года и составляет 8-10 °C, что обеспечивается геотермальной энергией со дна земли. Для энергетических нужд используются вертикальные теплообменники, размещенные в земле, так называемые «детекторы».
Они углубляются в скважины на длину от 20 до 300 метров и имеют диаметр 120-200 мм. Чаще всего используют пластиковые трубы диаметром 32 мм и выше.
Теплопроводимость вертикального теплообменника обычно выше, чем у горизонтального и в среднем составляет 50 Вт/м. Однако это значение может варьироваться и зависит от уровня влажности в породе и наличия грунтовых вод.
- Теплообменники типа «корзина» и «спираль»
Эти устройства совмещают свойства горизонтальных теплообменников с методом установки, аналогичным вертикальным теплообменникам.
Изготавливаются такие системы на глубине до 5 метров. Существуют и другие модификации грунтовых теплообменников геотермальных тепловых насосов.
Преимущества и недостатки
На данный момент в нашей стране наблюдается небольшой опыт внедрения геотермальных тепловых насосов, что затрудняет объективную оценку их эффективности.
Тем не менее, среди пользователей таких систем можно выделить две группы: те, кто хвалит их (прежде всего это продавцы и установщики оборудования), и те, кто столкнулся с определёнными трудностями в процессе эксплуатации геотермального отопления. Некоторые критики столкнулись с проблемами из-за недобросовестной установки своих систем.
Исходя из отзывов владельцев, можно выделить следующие преимущества и недостатки геотермального отопления:
Положительные стороны системы заключаются в:
- Низком энергопотреблении. На 1 кВт затраченной электроэнергии можно получить 2,5-3,5 кВт (фактически) и до 7 кВт (в идеальных условиях) мощи на выходе.
- Подходящей простоте установки в зависимости от округа – в зависимости от региона применяются грунтовые, водяные или воздушные контуры забора тепла.
- Возможности реверсии — это значит, что система может быть использована для обогрева зимой и охлаждения летом.
- Универсальности — системы могут применяться не только для отопления домов, но и для нагрева воды для бытовых нужд, включая потребности в воде для бассейна.
- Долговечности — согласно международным показателям, срок службы оборудования составляет от 30 до 50 лет без необходимости в замене.
- Низких затратах на техническое обслуживание.
- Полной автоматизации работы.
- Экологической безопасности — отсутствуют вредные выбросы.
- Необходимости только в электричестве, как в источнике питания.
Тем не менее, у этих систем есть и несколько недостатков:
- Высокие первоначальные затраты на проектирование и установку.
- Эффективность таких систем зачастую зависит от низкотемпературного «теплого пола» — теплоносители должны нагреваться до +50 °C. Эти показатели недостаточны для эффективной работы традиционных радиаторов.
- Снижение эффективности при минимальном температурном градиенте между теплоносителем и средой его перемещения (грунт, вода).
- Возможный негативный эффект для почвенных микроорганизмов — охлаждение грунта снизит популяцию бактерий и плодородие почвы.
- При температурах воздуха ниже -25 °C требуется подключение вспомогательных источников тепла.
Преимущества систем лечебного отопления неизменно достигаются благодаря качественному планированию, грамотному выбору техники и строгому соблюдению норм монтажа.
Критерии выбора системы
Выбор типа геотермальной системы зависит от характеристик объекта, который требует обогрева, его расположения, средней температуры окружающей среды в разные времена года и ряда других условий. Одним из ключевых параметров является коэффициент преобразования тепла (COP), который варьируется от 1 до 7 — это значит, что 1 кВт электроэнергии способен преобразовать от 1 до 7 кВт тепловой мощности.
Следует учесть, что фактический коэффициент всегда будет ниже расчетного, так как для прокачки теплоносителя через наружный контур расходуется электроэнергия. Чем дольше будет работать система, тем выше будет стоимость электроэнергии.
На практике рекомендуется полагать, что COP составляет 2,5-3,2, принимая во внимание все факторы эксплуатации — температура почвы и воды меняется в зависимости от климатических условий.
Выбор источника для извлечения тепла большей частью определяет климатическая специфика региона и геологические особенности участка. Альтернативным источником для геотермального отопления может выступать близко расположенный водоем.
Поиск внешнего контура в воде уместен, если:
- глубина скважины до подземных вод не превышает 20 метров (в некоторых регионах допустимо до 45 метров).
При несоблюдении этих требований необходимо получить разрешение на подземные работы, в противном случае устройство будет подлежать отключению и повлечет за собой крупные штрафы.
Рассмотрение расстояния между резервуаром с водой и объектом недвижимости также необходимо. Если расстояние превышает 25-30 метров, отдача при эксплуатации резко снижается и возникают дополнительные расходы на перекачку теплоносителя и изоляцию труб.
Не возбраняется прокладывать внешний контур на собственном участке, но при этом необходимо выбрать правильный метод прокладки труб — горизонтально или вертикально. В зависимости от природных свойств, с одного метра горизонтального трубопровода можно потерять до 50 Вт тепловой энергии. Однако это касается только глинистых почв.
Какой тип теплообменника у геотермального теплового насоса на вашей даче?
Песчаные и глинистые слои способны выпускать от 12 до 25 Вт/м, и для теплового насоса мощностью 10 кВт может понадобиться внешний горизонтальный контур длиной от 200 до 700 метров. Для этого потребуется площадь в 450 м². Устанавливать кольца в трубах неэффективно, поскольку теплоноситель будет охлаждать окружающий грунт, а соседние кольца не смогут нормально нагреваться.
Горизонтальный контур требует свободной площади. Отзывы владельцев указывают на то, что в течение нескольких лет структура почвы изменяется в зоне размещения горизонтального контура теплового насоса. Это приводит к ухудшению роста овощных культур, а землю можно использовать только под газон. На этих участках категорически не сажайте деревья с мощными корнями, которые могут повредить трубы.
Вертикальная система скважин или отверстий является более оптимальным выбором для земли с ограниченной площадью, так как предусматривает размещение нескольких петель, расходящихся в разные стороны. Температура грунта на большей глубине становится более стабильной и менее подверженной климатическим далям. Для дренажа труб колодец строится с шахтой, в которой размещены коллекторы. Скважины бурятся под углом к горизонту и располагаются по кругу, чтобы минимизировать влияние каждого контура на остальные.
Отопление дома геотермальным насосом
Идея использования внутреннего тепла Земли для отопления вовсе не является новой. Даже если не у всех есть возможность доступа к теплым подземным водам, применение геотермальных тепловых насосов делает это возможным. Эти устройства черпают солнечную энергию, накопленную в земле и воде, и передают ее в отопительный контур дома.
Данная концепция была создана еще в 1852 году известным лордом Кельвином и успешно использовалась с 1855 года. Несмотря на свою высокую эффективность, геотермальные тепловые насосы фактически не использовались для отопления до конца XX века. Популярность этой технологии возросла в 1970-х годах, когда в Европе начали активно внедрять энергосберегающие технологии, и одним из направлений стали тепловые насосы.
Суть данной технологии заключается в том, что можно производить от 2 до 6 кВт тепла, используя только 1 кВт электроэнергии. Это объясняется тем, что устройство применяется не для выработки тепла, а для его передачи.
Эта разница в производительности от 2 до 6 указывает на то, что показатель зависит как от характеристик конструкции агрегата, так и от условий его эксплуатации. Наивысшая эффективность тепловых насосов достигается при температуре в отопительном контуре в диапазоне +35 °C. Поэтому эти системы идеально подходят для схем с подогретыми полами.
Несмотря на существование систем, которые могут поддерживать температуру воды в отопительном контуре на уровне 50-65 °C, такие системы, как правило, более дорогие и при этом по-прежнему демонстрируют высокую эффективность только в нижних температурных границах.
Принцип действия геотермального теплонасоса
В любой среде, находящейся под землей, имеется тепло. Его количество варьируется от региона к региону, но оно существует повсеместно. Геотермальный тепловой насос извлекает это тепло из природных источников и передаёт его в отопительный контур.
Какие источники тепла могут быть использованы? Это может быть любая окружение, температура которой зимой положительная. К примеру, это может быть близлежащий незамерзающий водоем, река или даже колодец с обилием воды. Кроме того, температура в земле также остается выше 0 °C; под уровнем замерзания всегда сохраняется положительная температура.
Принцип работы геотермального теплового насоса позволяет передавать тепло от источников в систему, где оно преобразуется и передается в отопительный контур.
В несколько более детальном описании процесс выглядит следующим образом. В относительно теплой среде располагается труба с длинным теплоносителем. Обычно канал остается закрытым, а движение контролируется насосом. Теплоноситель нагревается до температуры среды — это плюс 5 °C или несколько больше. Он проходит через испаритель первого теплообменника и отдает свое тепло хладагенту во втором контуре.
Хладагент, который чаще всего является фреоном, начинает испаряться при температуре выше -5 °C. Обычно он находится в жидком состоянии, пока система не активируется. Затем, при повышении температуры за счет поступления тепла от источников, фреон начинает превращаться в газ. В результате газ уже имеет температуру около +5 °C. Он попадает в компрессор, где сжимается. Во время сжатия выделяется тепло, и газ выходит из компрессора с температурой от 35 до 65 °C. Далее он поступает в еще один теплообменник — конденсатор, где отдаёт тепловую энергию теплоносителю, который идет в отопительный контур.
Фреон, потерявший значительную часть тепла, при этом еще оставаясь в газообразном состоянии, проходит дальше в расширительный клапан, где резко снижается его давление, и происходит значительное охлаждение; затем он снова конденсируется в жидкости и оказывается в испарителе, начиная новый цикл преобразования.
Источники тепла и способы доставки энергии
Как уже упоминалось ранее, источником тепла для теплового насоса может быть любой объект, обладающий положительной температурой зимой. Большинство из таких источников имеют низкий потенциал, что значит, содержащаяся в них тепловая энергия незначительна. Однако это не исключает возможности их использования. Можно, но для того, чтобы их собрать, потребуется значительная работа. Вот как раз в этом заключается сложность устройства тепловых насосов с грунтовым источником: их стоимость оборудования и создания внешнего контура для сбора тепла значительно выше.
Вопрос о том, какие источники тепла считать геотермальными, а какие нет, не имеет четкого ответа. Некоторые люди считают геотермальными источниками только те, что находятся непосредственно в земле. Другие же к данной категории также относят воду — она нередко оказывается ниже уровня грунта, и даже в открытых водоемах когда-то текла в землю. Это особенно актуально, так как способ передачи тепла в обоих случаях остается одинаковым: только через теплоноситель. Большинство современных систем могут работать с обоими источниками.
Давайте рассмотрим доступные источники тепла, которые могут быть использованы. Начнем с наиболее простого варианта, требующего минимальных затрат на установку.
Вода
Даже зимой температура воды под льдом остается относительно высокой (по сравнению с воздухом): от +5 °C до +7 °C. Следовательно, задача состоит в том, чтобы передать эту теплоту тепловому насосу. Для этого в пруд размещают полимерные трубки, которые заполняют незамерзающей жидкостью (чаще всего это солевой раствор, но иногда используется антифриз). По оценкам, из одного метра трубы в пруду возможно извлечь в среднем 30 Вт тепла. Это становится основой для четкого расчета протяженности трубопроводов. К примеру, для обогрева дома потребуется 12 киловатт тепла. Расчет будет выглядеть так: 12 000 Вт делим на 30 Вт/м, что в результате даёт 400 метров. Сколько таких труб нужно будет проложить в водоеме?
Существует и другой способ. Если ваши потребности в тепле не слишком велики, возможно использование скважины с хорошим дебитом (высокодебитная). В этом случае нужен второй колодец для слива воды, а не большая петля. Однако есть одна важная деталь: если колодец имеет 3 кольца воды, это не обязательно гарантирует, что он обладает хорошими расчетными характеристиками. Это означает только то, что вблизи расположены грунтовые воды. Однако скорость их потока может оказаться не слишком высокой.
Объём «горячей» воды, который требуется для подачи в дом из колодца, должен сопоставляться с холодной водой, отводимой во второй колодец. Для этого важно провести предварительные расчеты потребности в воде и выяснить параметры рабочего насоса.
Грунт
Температура в земле держится выше 0 °C ниже уровня замерзания. Значит, именно оттуда можно забрать тепло для отопления домов. Это можно делать двумя способами: с использованием горизонтального или вертикального коллектора.
Горизонтальные геотермальные контуры
Горизонтальное геотермальное месторождение требует значительного пространства — 200 м² или больше. По всему этому участку требуется вырыть землю на 30-50 см ниже уровня промерзания. В среднем это около 1,2-2 м в зависимости от размеров. Не стоит углубляться больше. Энергия, накопленная летом, будет храниться в почве, и на глубине утечет много тепла, оно просто не доберется до точки размещения теплообменников.
Тепловой насос из сплит системы
Для создания теплового насоса на базе кондиционера необходимо осуществить замену как наружного, так и внутреннего блока устройства. Поскольку внутренний блок уже содержит испаритель, а наружный — конденсатор, дополнительные компоненты в этом случае не потребуются. Теплоносителем может быть вода или воздух (в зависимости от выбора). Для улучшения теплообмена можно установить дополнительный конденсатор в отдельном баке.
Система также включает четырехходовой клапан, который может быть правильно установлен только опытным специалистом.
Наиболее рациональным решением будет разобрать кондиционер на составляющие, а затем на основании полученных данных собрать тепловой насос, последовательно соединив испаритель, компрессор и конденсатор. В итоговом виде система подключается к электросети для отопления помещений.
Установка на основе холодильного аппарата
Старый холодильник, из которого демонтированы змеевики (которые использовались в качестве конденсатора), подойдет для создания теплового насоса. Змеевики нужно поместить в резервуар, который способен противостоять колебаниям температуры. К резервуару также присоединяется компрессорная установка. В роли испарителя может выступать обычный пластиковый барабан.
Все три компонента системы герметично соединены между собой трубками и подключены к системе отопления.
Что такое геотермальный тепловой насос
Тепловой насос с грунтовым источником является системой передачи и преобразования тепловой энергии от объекта с низкой температурой к объекту с более высокой температурой. Принцип работы схож с системой охлаждения.
Устройство
Тепловой насос с грунтовым источником включает в себя:
- Контур, который получает низкопотенциальную энергию от внешнего источника;
- Контур, транспортирующий хладагент. Он получает тепло в процессе испарения и обратно возвращает тепло при конденсации.
- Водяной контур, который передает тепловую энергию от установки к радиаторам системы отопления.
Принцип работы геотермального теплового насоса
- Жидкий хладагент (фреон) испаряется в системе, поглощая при этом тепло.
- Компрессор сжимает фреон, который снова становится жидким. Теплообменник получает накопленную теплоту.
- Благодаря теплообменнику вода нагревается, двигается по системе и обогревает помещение, поступая к батареям.
Во время этого процесса температура в теплообменнике, находящемся под давлением, резко колеблется от примерно 8 °C до +60 °C. После этого работа повторяется циклично. Схема теплообмена идентична холодильному агрегату, хотя существенно отличается цель холодных и тепловых насосов: геотермальный насос нагревает помещение, не требуя электричества или других ресурсов, в отличие от холодильника, который понижает температуру для продления срока хранения пищевых продуктов.
Преимущества
+ Экологичность. Геотермальные тепловые насосы не требуют сжигания вредных ресурсов и функционируют на основе природного тепла, содержащегося в земле.
+ Доступность. Для установки систем не потребуется специальных разрешений, что позволяет любому собственнику реализовать установку на своём участке.
+ Высокая эффективность. Тепловые насосы значительно эффективнее иных альтернативных методов производства тепла: из 1 кВт потребляемой энергии они производят 5 кВт тепла, которое можно использовать для отопления, подогрева полов, кондиционирования воздуха и подогрева запасов горячей воды.
+ Безопасность и долговечность. Геотермальные системы независимы от внешних факторов и поэтому обеспечивают стабильность.
Недостатки
— Долгий срок окупаемости. В зависимости от технических параметров и конкретных условий, срок окупаемости колеблется от 3 до 10 лет. Высокая стоимость ограничивает массовое применение данной технологии.
— Ограниченная область использования. Система геотермального теплового насоса занимает довольно большие площади. Бурение в кластрэ называется более дорогим, чем горизонтальные геотермальные петли.
— Сложность подключения. Это замечание также перекликается с предыдущим пунктом. Для подключения газа домов, находящихся рядом друг с другом, может оказаться более дешевым вариантом. Кроме того, данный метод подключения гораздо более прост в реализации.
Виды насосов
В зависимости от теплоносителя во внешнем и внутреннем контуре, геотермальные тепловые насосы получают энергию от земли, водоемов, подземных вод или воздуха. Системы отличаются комбинацией используемых элементов: теплообменник «грунт-вода» или «вода-вода».
Тип «вода-вода»
Эта геотермальная установка использует постоянно высокую температуру на большой глубине в течение всех сезонов. Обычно для достижения этого результата применяются открытые водоемы, скважины, колодцы или сточные воды. Первый вариант является наиболее простым и дешевым, так как не требует бурения и специального оборудования; он возможен только в случае нахождения частного дома рядом с озером или рекой.
Если же данный вариант не подходит, необходимо задействовать более дорогую и сложную в монтаже технологию низконутр. Необходимо предварительно пробурить две скважины: в первую поступает вода, которая проходит через теплообменник, а во второй отводится поток грунтовых вод.
Важно: расстояние между колодцами должно составлять не менее 6 м, а сборная скважина должна располагаться ниже сбросного колодца.
Тип «грунт-вода»
Геотермальный тепловой насос с этим принципом является по сути аналогом и типа «вода-вода». Это одна из самых продуктивных альтернативных систем отопления для жилых зданий. Тепло извлекается из земли через зонды или коллекторы и передается в систему горячего водоснабжения дома. Эта система может работать и в качестве холодильника, т.е. в обратном порядке.
Электричество, необходимое для работы циркуляционного насоса, блока управления и компрессора, в среднем в 4 раза меньше, чем получаемая тепловая энергия.
Перспективы использования
Экономичные и эффективные геотермальные тепловые насосы уже давно используются по всей Европе, способствуя независимости от коммунальных служб и использованию только природных неисчерпаемых ресурсов. Технология геотермальных тепловых насосов имеет перспективное будущее и продолжает набирать популярность.
