Геотермальний тепловий насос: принцип роботи, пристрій і виробники

Ідея використовувати внутрішнє тепло Землі для опалення зовсім не нова і неоригінальна. І хоча далеко не у всіх поблизу є гарячі підземні води, її все-таки може використовувати кожен. Таку можливість надають геотермальні теплові насоси. Вони витягають із землі і води запаси накопиченої в них сонячної енергії, і проїдають її в опалювальний контур будинку.

Теорія розроблена ще в 1852 знаменитим лордом Кельвіном. Реалізував її він же в 1855 році, і успішно використовував не протязі багатьох років. Незважаючи на високу ефективність, геотермальні теплові насоси для опалення не знаходили широкого застосування аж до кінця 20 століття. Тоді в 70-х роках в Європі стали активно розвивати енергозберігаючі технології, і одним з напрямків були теплові насоси.

У чому привабливість цієї ідеї: витративши 1 кВт електрики, ви можете отримати від 2 кВт до 6 кВт тепла. І це не суперечить законам теплотехніки. Просто ця установка витрачає енергію не на виробництво теплової енергії, а на її перенесення.

Така різна ефективність – від 2 до 6 – залежить не тільки від конструктивних особливостей установок, але і від умов експлуатації. Найвища продуктивність у теплових насосів може бути досягнута при температурі в системі опалення в районі + 35oC. Тому ідеально ці установки стикуються з водяними теплими підлогами.

Є, звичайно, і установки, які нагрівають воду в системі опалення до 50-65oC, але, по-перше, коштують вони більше, По-друге, кращу ефективність показують все одно в заданому діапазоні.

Принцип дії геотермального теплового насосу

Тепло у нас під ногами є в будь-якому середовищі. Його кількість різний в різних регіонах, але воно є повсюдно. І геотермальний тепловий насос відбирає це тепло у природних джерел і передає його нагрівального контуру.

Що може стати джерелом тепла? Будь-яке середовище поза приміщенням, температура якої взимку вище 0oC. Це довколишній промерзає водойму, річка, навіть колодязь з достатньою кількістю води. Є тепло і в грунті: нижче точки промерзання температура завжди позитивна.

Принцип роботи геотермального теплового насоса полягає в тому, що тепло від джерел переноситься в установку, де перетворюється і передається в опалювальний контур.

Якщо говорити трохи докладніше, то все відбувається так. У відносно теплою середовищі знаходиться трубопровід з теплоносієм великої протяжності. Трубопровід найчастіше замкнутий, його рух забезпечується насосом. Теплоносій нагрівається до температури середовища. Зазвичай це + 5oC або трохи вище. Проходячи по першому теплообміннику-випарника, він віддає тепло знаходиться в другому контурі холодоагенту.

Холодоагент – речовина, яка кипіти починає при температурі вище -5oC. У більшості установок використовують фреон. До включення установки він знаходиться в рідкому стані. Потім, у міру надходження тепла від термальних джерел, його температура піднімається. Фреон починає випаровуватися, переходить в газоподібний стан. Цей газ уже має температуру порядку + 5oC. Він надходить в компресор, де його стискають. При стисненні виділяється велика кількість тепла, і з компресора газ вже виходить з температурою від 35oC до 65oC. Він надходить в ще один теплообмінник – конденсатор, де віддає теплову енергію теплоносія, який йде в контур опалення.

Сам фреон, віддавши більшу частину тепла, частково остигає, але все ще знаходиться в газоподібному стані при підвищеному тиску. Він надходить на скидний клапан, де тиск різко падає, він різко охолоджується і зріджується. Після чого знову надходить у випарник, де починається новий цикл перетворення.

Трохи докладніше про те, як працює тепловий насос читайте тут.

Джерела тепла і способи доставки енергії

Як вже говорилося, джерело тепла для теплового насоса – будь-який об’єкт, що має взимку позитивну температуру. Велика частина з них – низько потенційного, тобто кількість теплової енергії укладено в них цього незначне. Але це не означає, що використовувати цю енергію можна. Можна, тільки доведеться робити для цього великий контур для її збору. І в цьому полягає складність пристрою геотермальних теплових насосів: крім значних витрат на обладнання, потрібні чималі кошти на будівництво зовнішнього контуру збору тепла.

Відразу можна сказати, що чіткого визначення того, які джерела тепла є геотермальними, а які ні, ви не знайдете. Деякі вважають що геотермальні – це ті джерела, які знаходяться в грунті. Інші кажуть, що вода – також підходить під цю категорію: вона часто знаходиться під землею, і та, що знаходиться у відкритих водоймах, також колись протікала в грунті. Тим більше що спосіб перенесення тепла однаковий: за допомогою циркулюючого по контуру теплоносія і переважна більшість сучасних агрегатів працювати може з будь-яким з цих джерел.

Розглянемо всі джерела тепла, які можуть підходити під цю категорію. І почнемо з найпростішого, що вимагає мінімум витрат на облаштування.

вода

Навіть взимку під кригою вода має досить високу (щодо повітря) температуру: від + 5oC до + 7oC. Вся задача полягає в тому, щоб цю енергію перенести до теплового насосу. Для цього у водойму укладають полімерні труби, заповнені незамерзаючої рідиною (найчастіше це соляний розчин, іноді антифриз). В середньому вважається, що з метра трубопроводу, покладеного в водоймі, можна отримати 30 Вт тепла. Виходячи з цього, вважають протяжність тгрн. Наприклад, вам для забезпечення теплом будинку потрібно 12 кВт тепла. Отримуємо: 12000 Вт: 30 Вт / м = 400 м. Ось стільки труб потрібно буде укласти в водойму.

Є інший варіант. Він прийнятний, якщо потреба в теплі не дуже велика, а на ділянці є колодязь з хорошим дебетом (висока швидкість притоку води). Знадобитися друга свердловина для скидання води, але ніякого довжелезного контуру. Тільки не плутайте! Якщо в колодязі стоїть 3 кільця води, це зовсім не означає, що дебет у нього хороший. Це означає, що грунтові води близько. Але швидкість надходження води (а дебет – це саме вона) може бути при цьому невеликий.

Потрібно буде подавати в будинок з колодязя необхідну кількість «теплої» води, а остигнула відводити в другу свердловину. Обов’язковий в цьому випадку розрахунок потреби води і визначення параметрів циркуляційного насоса.

Грунт

Всім відомо, що нижче точки промерзання температура грунту вище 0oC. Це означає, що тепло звідти можна перекачати для опалення будинку. Роблять це двома способами: за допомогою горизонтального колектора або вертикального.

Горизонтальні геотермальні контуру

Для пристрою горизонтального геотермального поля потрібна велика площа: від 200 м2 і більше. На всій цій площі доводиться знімати грунт на 30-50 см нижче точки промерзання грунту. На практиці це 1,2-2 метра в залежності від регіону. Нижче копати не варто. У грунті зберігається енергія, накопичена з літа, а надто глибоко опустившись можна втратити значну частину тепла: туди воно просто не проникло.

Необхідна площа залежить від потреби в теплі і типу грунту: в одних можна забрати 30 Вт з одного метра, в інших 60-75 Вт. Найзначніші запаси енергії є у ??вологих ґрунтах з близько розташованими грунтовими водами. Якщо біля вашого будинку саме такі – вам пощастило. Якщо немає, теж нічого страшного, просто площа буде потрібно більше (і труб теж). Відстань між двома сусідніми витками труби 1-1,5 метра.

Для зменшення займаної площі можна використовувати спіральну укладання. Це коли контур з труб викладається не “змійкою» або «равликом», а спіралями, які знаходять одна на іншу. Площі потрібні дещо менші, але все-таки значні.

Великі простору є далеко не біля кожного будинку. Тим більше що подальше їх використання обмежене: не можна висаджувати рослини з потужною кореневою системою (дерева) або ставити капітельні будови. Якщо ви не можете виділити таку ділянку під збір тепла, або не хочете виконувати подібний обсяг земельних робіт, можна використовувати вертикальні свердловини.

Недоліки горизонтального поля:

  • Великий обсяг земляних робіт.
  • Влітку режим пасивного охолодження недоступний.
  • Поступове зниження температури до кінця опалювального періоду (і це теж потрібно враховувати при розрахунку довжини трубопроводу).
  • Після завершення укладання труб не можна відразу приступати до ландшафтним або інших робіт: потрібно чекати усадки грунту. А це не менше року.

вертикальні зонди

Нижче 20 метрів від поверхні температура грунту підвищується. На цій глибині вона незалежно від погоди і пори року завжди стабільна: від 10oC і вище (залежно від регіону). Для того щоб дістатися до цього тепла роблять свердловини для теплових насосів. Вони зазвичай дають більше тепла, тому потрібно не таке значне їх кількість.

Але кількість енергії, яку можна «викачати» сильно залежить від типу грунту. Найменше дають піщані ґрунти: 30 Вт / м, багато енергії міститься в граніті – до 75 Вт / м. Тому дуже може різнитися і довжина необхідної свердловини.

Буріння свердловин – далеко не найдешевше задоволення. Особливо на великі глибини: для цих цілей використовується потужна техніка, вартість роботи якої велика. Але не обов’язково робити одну свердловину. Можна пробурити кілька на меншу глибину, важливо тільки щоб сумарна їх протяжність збігалася з розрахованої. В цьому випадку під геотермальне поле займається меншу ділянку, але він теж значний. До того ж потрібно організувати колектор для збору потоків від всіх зондів, а це ще додаткове обладнання, і земляні роботи (труби від однієї свердловини до іншої прокладають нижче рівня промерзання).

Недоліки вертикальних зондів:

  • Висока вартість буріння.
  • Значні площі під геотермальне поле: мінімальна відстань між свердловинами – 8 метрів.
  • При великій глибині свердловин є щорічне зниження температури. Через кілька років процес сильно сповільнюється, але тепла з часом надходить менше. Це теж потрібно враховувати при розрахунках.

Кластерний буріння

Що робити, якщо і під вертикальні зонди у вас місця не вистачає? Є так зване кластерне буріння. Це коли від загального центру свердловини розходяться в різні боки променями. Для цієї технології потрібно виділити ділянку в 4 м2. У цьому квадраті знімається грунт і влаштовується своєрідний колодязь, в який потім заводять труби від зондів. В принципі, цей центр можна влаштувати навіть у підвалі будинку.

Для такої системи зондів, звичайно, потрібна спеціальна техніка, але вона не дуже потужна: глибина буріння середня, висока продуктивність ні до чого. Ця технологія, як і багато інших, розроблена в Європі. Там звертають увагу не тільки на безпеку, а й на збереження природи і дбайливе ставлення до приватних володінь. Тому деякі установки для кластерного буріння мають гумові гусениці і практично не пошкоджують прибудинкову територію. У цілісності залишаються і газони, і доріжки.

У пробурені свердловини опускають заповнені теплоносієм труби. Тут знову таки-є варіанти. За однією технологією використовуються, як і в інших зовнішніх контурах, полімерні труби, а в інших – металеві. Метал застосовується особливий, корозійно-стійкий. Його термін експлуатації 50-70 років. А чим він кращий? У нього вище теплопровідність, тобто тепло переноситься ефективніше. Це означає, що з одного метра свердловини, «зняти» якомога більше тепла. Тому і свердловини в цьому випадку повинні бути менш довгими.

Роботу установки кластерного буріння ви побачите в відео. Тут же можна оцінити розміри геотермального насоса для будинку (площа 250 м2).

Виробники та відгуки

В Європі геотермальні теплові насоси для опалення окупають себе за кілька років. Але у них вартість опалення набагато вище, як і ціна на енергоносії. Для нашої ж країни, витрачені на установку 10 тис. – 15 тис. Доларів, повертатися будуть роками, якщо не десятиліттями. Це не означає, що воно не окупиться зовсім (хоча може трапитися і так), але дуже нескоро. І, тим не менш, встановлювати геотермальний тепловий насос з Китаю не варто. Хоч вони і дешевше, і часом значно, але у них немає ні запчастин, ні сервісів, ні гарантійних зобов’язань. Якщо щось з технікою трапиться, ви залишитеся самі зі своєю проблемою.

Які установки варто купувати? В першу чергу це німецькі. У Німеччині найсуворіші закони, що нормують будівельні матеріали та обладнання для будинку, і дуже жорстка сертифікація. Якщо установки допущені до експлуатації в Німеччині, то вони точно безпечні і якісні. Прикладів тому безліч в будь-якій області будівництва. Те саме, знамените «німецька якість» притаманне і геотермальних насосів для будинку.

Крім німецьких агрегатів хороші відгуки мають ще багато інших європейських виробників. Частина з них виробляє подібну апаратуру вже більше 50 років, так що технології давно вивірені і налагоджені. Наприклад, геотермальні теплові насоси Nibe в Швеції встановлювалися не тільки в квартирах і приватних будинках. Термальний насос Nibe був змонтований навіть на великій свинарській фермі, де від його тепла гріються поросята. У цьому варіанті, до речі, зонди закладалися не в грунт і не в свердловини. Вони відбирали тепло у гною: проклали зовнішній контур уздовж бортів стічних каналів. Ось вже точно безкоштовний джерело тепла. Власник ферми дуже задоволений: його вкладення окупилися за 1,5 року.

В геотермальних теплових насосах Daikin застосовується інверторне управління, що дозволяє знизити витрати електроенергії ще на 20% по відношенню до аналогічних агрегатів звичайного типу.

У шведських геотермальних насосах Danfoss зібрані відразу три запатентовані технології. Дві з них дозволяють при менших витратах швидше нагрівати воду для побутових потреб і досягати більш високих температур в контурі опалення. Ще одна керує роботою циркуляційних насосів, оптимізуючи їх швидкість. Це дозволяє домогтися максимальної продуктивності.

Можливо, вам цікаво буде почитати про те, як зробити тепловий насос своїми руками або про опалення за допомогою біогазу.

підсумки

Геотермальні насоси – не найдешевша затія. Якщо у вас є можливість підключити газ, і ця затія обійдеться вам менше, ніж 15 000 доларів, підключайте газ. Якщо такої можливості немає або сума виходить більше – доцільно встановити тепловий насос. І краще геотермальний. Він хоч і вимагає великих вкладень на старті, але працює стабільніше і показує більшу продуктивність. Сума вкладень – дуже приблизна і залежить від конкретних умов. Але ці пристрої тим і відрізняються, що проект і розрахунок геотермального теплового насоса – річ суто індивідуальна і вважається під кожен проект. Навіть на двох сусідніх ділянках умови (і сума) можуть значно відрізнятися.

Ссылка на основную публикацию