Геотермальные тепловые насосы для отопления дома и их характеристики

Что такое тепловой геотермальный насос

Изделие представляет собой автономную станцию, которая применяет для работы низко потенциальную тепловую энергию земли, воды, воздуха. В реальности ТН выглядит как кондиционер, но работающий на обогрев. Благодаря расположению коллектора насоса ниже уровня промерзания грунта, прибор работает и при отрицательных температурах окружающей среды, что позволяет применять станцию в северных регионах.

На заметку! Для бесперебойного поступления энергии для прогрева дома и ГВС, тепловые насосы комбинируются с системами солнечного отопления.

Плюсы и минусы геотермальных тепловых насосов

В заключение стоит сказать о сильных и слабых сторонах геотермальных тепловых насосов. К их преимуществам можно отнести:

• Экономичность. Геотермальные установки более выгодны чем газ, электричество, твёрдое топливо и т. п. Экономическая выгода является очень существенной. Затраты окупаются примерно за 5 лет;
• Функциональность. Геотермальное оборудование можно сочетать с другими системами, предназначенными для кондиционирования и отопления помещений. Можно собрать установку, которая в летнее время работает на охлаждение, а зимой на обогрев. Кроме того, ничто не мешает параллельно использовать солнечные батареи вместе с насосом для выработки требуемого электричества;
• Срок службы теплонасоса 100 лет при плановой замене комплектующих. Первый ремонт потребуется через 30 лет. После плановой замены изношенных частей насос продолжит работать дальше в рабочем режиме.

К недостаткам следует отнести:

• Высокие требования к придомовой территории. Где попало насосы установить нельзя. Нужно провести разведку на предмет того, что будет делать целесообразнее, горизонтальный или вертикальный контур;
• Высокая стоимость. Покупка и установка насоса средней мощности обойдётся в 300─500 тыс. р. В некоторых странах существуют программы льготного кредитования на покупку подобных систем;
• Существуют некоторые проблемы с контуром в первый год службы. Это приводит к некоторому снижению циркуляции теплоносителя. Поэтому через год рекомендуется проводить осмотр водяного контура, а это влечёт за собой расходы на облагораживание придомового участка.

В развитых странах геотермальные насосы устанавливаются как в жилых домах, так и в производственных помещениях. Есть немало промышленных центров, которые отапливаются при помощи тепла, извлекаемого из грунта или воды. И опыт использования таких устройств показывает, что это целесообразно и экономически выгодно.

Принцип работы

Функциональность оборудования основана на постоянных положительных температурах грунта ниже уровня промерзания. По мере заглубления в толщу земли, показатели температуры повышаются. Принцип работы заключается в применении и преобразовании полученной тепловой геотермальной энергии для прогрева теплоносителя дома.

Процесс осуществляется следующим образом:

• монтируется контур отбора энергии;
• трубопровод заполняется пропиленгликолем;
• контур присоединяется к вертикальным геотермальным зонам, заглубленным в скважины на 60-100 м или коллектору отбора, уложенному в грунт ниже точки промерзания (от 1 м заглубления);
• соляной раствор перемещается по замкнутому кругу между зондами и прогревается до +5 С.. +6 С, затем транспортируется в приемный отсек ТН.

Теперь вступает в работу тепловой насос, забирающий и накапливающий тепло из окружающей среды.

Конструктивно насос представляет собой несколько основных и дополнительных элементов, где происходят все процессы аккумулирования и передачи тепловой энергии теплоносителю:

1. Контур замкнутого типа. По трубопроводу транспортируется фреон, переходящий из жидкого состояния в газообразное.
2. Испаритель. Модуль соединен с приемником ТН, нужен для испарения фреона, который поглощает тепло разогретого соляного раствора (пропиленгликоля).
3. Газообразный фреон перемещается в компрессорную часть насоса, где нагнетается давление. Под давлением газ прогревается до +65 С и впрыскивается в конденсатор.
4. В конденсаторе прогретый газообразный фреон переходит в жидкое состояние, при этом сохраняет прогрев до высоких температур. Теплообмен осуществляется через стенки конденсатора, за счет чего нагревается теплоноситель в системе отопления строения.

Таким образом геотермальный тепловой насос для отопления дома обеспечивает прогрев теплоносителя для поддержания температуры в помещении до +25 С. Этого хватит, чтобы сохранять тепло в комнатах в зимние морозы, когда за окном показатель термометра опускается до -30 С.

Самые экономные способы отопления гаража своими руками

ТН устроен так, что можно присоединять к системам обогрева с низкотемпературными показателями входящего теплоносителя, например, к контуру теплых полов. Безопасное оборудование имеет массу достоинств, а летом устройство работает на охлаждение дома в режиме кондиционера.

На заметку! Если схему теплового насоса соединить с солнечными батареями, система становится энергонезависимой. Автономность подачи тепла, ГВС особенно удобна для строений, вынесенных за пределы города, где нет возможности подключиться к центральным магистралям.

Функциональные особенности системы

Принцип действия и функциональные особенности системы геотермального отопления дома заключаются в выполнении следующих этапов:

1. Раствор, находящийся во внешнем контуре, приобретает дополнительный нагрев в земле примерно на 5 градусов. Его окончательная температура может находиться в районе 3.
2. Поступив в теплообменник насоса, раствор передаёт свою даже небольшую энергию фреону, которому её вполне достаточно для испарения. Перейдя в газообразное состояние, фреон поступает в компрессор, где происходит его сжатие. Термодинамические процессы, происходящие при этом, приводят к подъёму температуры до 100. И уже горячий газ подается в теплообменник, где передает энергию теплоносителю внутреннего контура, чаще всего воде. Благодаря научным работам физиков и инженеров, этот процесс детально изучен и заложен в принципиальных основах работы различного типа современного оборудования.
3. Теплоноситель внутреннего контура достигает температуры 50-70 и поступает в радиаторы, трубы. Охлаждённый фреон, поступает в расширительный экран, его температура и давление падают до первоначальных значений и весь цикл можно повторить заново. Раствор внешнего контура таким же образом передвигается в глубину земли за новой порцией энергии.

Насосы тепловые земля-земля

Для поддержания работоспособности схемы необходимо обеспечить постоянную подачу тепла из грунта.

Различается два типа выкладки контура со своими особенностями и характеристиками эффективности:

• Теплообменник горизонтального типа. Закладываются трубы для геотермального контура ниже точки промерзания грунта. Способ не требует использования техники для бурения скважин, можно обойтись своими силами – вырыть траншеи на глубину от 1 м, уложить петли трубопровода. Минус в увеличенном размере петли. Например, для прогрева помещений площадью в 220 м2 необходимо уложить контур на площади не менее 600 м2 (шесть соток). Поэтому горизонтальные теплообменники доступны только при условии обширного придомового участка.
• Теплообменник вертикального типа. Конструкция представляет собой погружение геотермальных зондов в скважины, которые заглубляются на величину от 200 м. Бурить скважины можно на ограниченных площадях, преимущество в сохранении стабильно высокой температуры – на глубине показатель термометра не опускается ниже +18 С. Минус в обязательности применения буровой техники.

На заметку! Чем глубже бурение, тем выше постоянная температура грунта.

Насосы тепловые типа вода-вода

Это альтернативный вариант применения геотермального насоса, при котором энергия отбирается из воды.

Обустройство контура возможно двумя способами:

1. Погружение теплообменника на дно водоема. Плюсом является отсутствие длительных земляных работ. Петли выкладываются по дну близлежащего источника воды, который расположен не дальше 100 м от дома. Глубина дна должна быть не менее 3 м.

Важно! Оптимальное решение – наличие собственного пруда. Для размещения петель в реке или озере потребуется получение специального разрешения.

1. Размещение зондов в артезианских скважинах. При прокачке воды из скважины, потоки прогоняются через тепловой насос, сброс жидкости осуществляется во вторую скважину, которая также уравновешивает давление в обводненных пластах.

Упрощенная схема получения энергии из воды объясняет популярность геотермальных насосов типа вода-вода.

На заметку! Если применяется вариант с артезианскими скважинами, то учитываются затраты на бурение скважин – в данном случае требуются именно артезианские глубины, а это также от 180 м, поэтому придется получать разрешение на проведение работ и привлекать специалистов.

Правила выбора теплового насоса

Модель ТН подбирается в зависимости от условий установки станции. Ограничения могут быть связаны с рельефом местности, уровнем залегания грунтовых вод, отсутствием площади участка для раскладки петель, наличием водоема. Например, если грунт скальный, то бурение до обводненных пластов выльется в значительные расходы – придется искать вариант с горизонтальным расположением петель, а это значит, что происходит освобождение больших площадей участка, или наличие близко расположенного водоема.

На заметку! Чтобы не ошибиться с выбором схемы обустройства, следует обратиться к специалисту. Профессионал составит проект, проведет предварительные расчеты.

Самые экономные и дешевые способы отопления частного дома

На что обратить внимание при выборе теплового насоса:

• СОР. Это сокращение, принятое в мировой практике и определяющее рентабельность установки схемы, то есть производительность оборудования по отношению к затрачиваемому электропитанию. Например, СОР3 показывает, что на каждый 1 кВт потребляемого тока ТН производит 3 кВт тепловой энергии – показатель считается средним.
• Выкладка контура. Схема также влияет на производительность всей станции. Чтобы уточнить, какая площадь потребуется для выкладки трубопровода в грунт, нужно рассчитать отапливаемую площадь и умножить на 3. Итоговая цифра – это показатель размера участка для выкладки контура. Например, если отапливать нужно 20 м2, то размер площади участка для выкладки петель равен 60 м2.
• Функциональные возможности. Для того чтобы дом не только получал тепло зимой, но и охлаждался летом, следует купить сплит-систему.

Важно! По уровню КПД геотермальные насосы опережают любое возможное тепловое оборудование. Современные модели показывают коэффициент СОР равный 5. А вот электрокотел вырабатывает на 1кВт потраченного тока всего 0,09-0,99 кВт тепловой энергии.

Показатели эффективности работы грунтового теплового насоса

Как и в случае воздушных тепловых насосов, их грунтовые аналоги имеют множество модификаций, различающихся по техническим характеристикам и параметрам эффективности. Насосы типа Земля-Вода, работающие в рамках открытых систем на грунтовой воде, имеют коэффициент эффективности в режиме отопления в диапазоне от 3,6 до 5,2, в режиме охлаждения – от 16,2 до 31,1 соответственно (см. рис. 2).

Рис. 2 – Показатели эффективности грунтового теплового насоса (открытая система)

Грунтовые тепловые насосы замкнутого типа, работающие от подземных трубопроводов, имеют коэффициент эффективности при отоплении 3,1-4,9, при охлаждении – 13,4-25,8 (см. рис. 3).

Рис. 3 – Показатели эффективности грунтового теплового насоса (закрытая система)

Представленный на рисунках диапазон значений демонстрирует производительность типового ассортимента моделей грунтовых тепловых насосов. Обычно чем выше производительность, тем выше цена оборудования и соответственно стоимость сопутствующих затрат на монтаж, пусконаладку, техническое обслуживание. Чтобы иметь представление о полной стоимости покупки и ввода в эксплуатацию грунтового теплового насоса, нужно составить типовую смету затрат, адаптированную под конкретную модель оборудования. Не стоит забывать о том, что энергопотребление у различных типов грунтовых насосов может значительно отличаться: ведь оно зависит не только от мощности и производительности, но и от технологии энергоэффективности, в соответствии с которой спроектирован тот или иной тип машин.

В отличие от температуры воздуха температура земли остается более-менее постоянной, в результате чего производительность грунтового насоса меняется незначительно в зимний период. Стабильная производительность оборудования дает возможность подобрать модель грунтового насоса под потребности конкретного домохозяйства в отоплении и горячем водоснабжении.

Допустим, в случае с воздушным тепловым насосом будет совершенно нецелесообразным полностью полагаться на него в деле отопления, так как его производительность слишком зависима от погодных условий и, в частности, от уличной температуры. Грунтовый тепловой насос, как уже было сказано, подвержен температурным колебаниям значительно меньше, однако и он не в состоянии в одиночку справляться с отопительной нагрузкой.

Идеальным будет вариант, когда грунтовый насос спроектирован для обеспечения 60-70% от общей тепловой нагрузки (совокупной потребности по отоплению и горячему водоснабжению). В самые холодные зимние дни мощности грунтового насоса может не хватить, так что лучше иметь под рукой резервный источник тепла. Комбинированная работа этих двух нагревательных систем позволит полностью покрыть потребности домохозяйства в ГВС и отоплении. Системы грунтовых насосов переменной мощности c двухступенчатым компрессом способны удовлетворять все потребности в охлаждении и частично в отоплении на малой мощности, и отапливать дом в холодные зимние месяцы – на полной мощности.

На рынке России представлен широкий модельный грунтовых тепловых насосов в диапазоне по мощности от 7 кВт до 35 кВт, многие из которых комплектуются блоком горячего водоснабжения.

Эти статьи Вам тоже могут быть интересны:

1. Тепловой насос для дома: сравниваем «за» и «против» перед покупкой
2. Воздушные тепловые насосы: принцип работы, особенности, расчет затрат
3. Тепловой насос — инструмент управления микроклиматом дома
4. Как подобрать подходящий тепловой насос для дачного дома и коттеджа

Расчет мощности геотермального насоса

Показатель прогрева теплоносителя +65 С – это максимальный уровень, который земляной насос выдает при постоянной крайней нагрузке. Оптимальным считается поддержание режима теплоносителя в пределах +45 С.. +50 С, что позволяет подключать станцию к системе теплых полов.

Просчет параметров мощности, длины контура производится с учетом особенностей применения:

1. Чтобы рассчитать необходимую мощность, за основу берется формула – на 1 м2 требуется 0,7 кВт мощности ТН. Получается, что для прогрева дома площадью в 100 м2 нужно покупать насос мощностью 7-8 кВт.
2. Длина контура считается с учетом влажности, рыхлости грунта, точки промерзания. Для получения 1 кВт тепловой мощности потребуется примерно 40-60 м контура, уложенного в землю.
3. Расход энергии определяется по СОР. Для обеспечения работы геотермального насоса нужна электроэнергия, которая запускает насос в работу и обеспечивает нагнетание давления фреона в компрессоре. Насос нужен для циркуляции теплоносителя в первичном контуре. Чем больше показатель СОР, тем меньше электроэнергии требует оборудование.

На заметку! Все параметры даны условно, а для точности расчетов следует обратиться к продавцу оборудования или профессионалу, составляющему проект.

Производители тепловых насосов

Считается, что лучшие модели оборудования выпускают немецкие производители:

• Viessmann. Выпускают насосы высокой производительности, развивающие мощность до 290 кВт с максимальным прогревом теплоносителя до +60 С. Станции дополняются накопительными емкостями для подачи горячего водоснабжения.
• Buderus. Выпускают бытовые приборы мощностью до 60 кВт и прогревом теплоносителя до +65 С. Малошумные насосы (40 дБ) можно устанавливать в доме, рядом с жилыми комнатами.
• Vaillant. Производит все виды ТН, выпускает серии контуров для выкладки по дну водоемов, геотермальных зондов и контуров для укладки в грунте. Максимальная производительность приборов 46 кВт, прогрев теплоносителя до +60 С. Минусом считается малый выбор ТН, но качество оборудования остается на высоте.
• Stiebel Eltron. Продукция компании предназначается для частичного или полного обеспечения потребностей хозяев частных домов в отоплении. Модели дополняются устройствами интеграции в систему вентиляции и летом работают на охлаждение. Максимальный показатель мощности 98 кВт, большой ассортимент продукции и видов ТН. При выборе следует обращаться к специалисту.

Важно! Устройства требуют особенно тщательного подбора по мощности и эксплуатационным показателям. Покупка оборудования малой мощности заставит ТН работать на пределе, а выбор изделий повышенной мощности – функционировать вполсилы.

Рабочий цикл в режиме охлаждения

Цикл охлаждения, как правило, повторяет алгоритм работы в режиме отопления с точностью до наоборот. Посредством работы обратного клапана хладагент идет в обратном направлении: он собирает тепло из воздуха в помещении и выталкивает его наружу, в случае грунтовых насосов DX-серии – в воду или антифризную смесь. Тепло возвращается в наружный водоем или скважину при открытой системе либо в сеть подземных трубопроводов при замкнутой системе. При выработке избыточного тепла его часть может направляться для обеспечения потребностей горячего водоснабжения.

В отличие от воздушных тепловых насосов грунтовые модели не нуждаются в режиме разморозки. Ведь подземные температуры значительно меньше подвержены изменениям, чем температура воздуха, тем более что основной блок грунтового насоса размещается в помещении, таким образом, проблемы обмерзания практически не возникает.

Стоимость ТН и монтажа

Для расчетов затрат нужно учитывать нюансы:

1. Цена станции зависит от производителя, мощности и в среднем составляет 100-120 тысяч рублей (от 1600 $). Дороже всего модели от немецких производителей, но они и надежнее.
2. Работы по выкладке контура. Дешевле – горизонтальная выкладка, обустройство контура по водоему.
3. Монтаж насоса. Сюда входит укладка трубопровода, подключение схемы. Тут нужен специалист и экономить не рекомендуется.

На заметку! Если обратиться в фирму, которая работает «под ключ», то стоимость работ может быть снижена. Например, все услуги по созданию и подключению схемы оборудования для прогрева дома площади в 80 м2 будут стоить от 350000 рублей (от 5300$). Вложения разовые.