Геотермальные тепловые насосы
Геотермальные тепловые насосы объединяет единый принцип функционирования. При этом они отличаются по видам систем теплообменных контуров. В зависимости от вида геотермального контура стоимость оборудования, установки и эксплуатации значительно отличаются.
Принцип работы геотермальных тепловых насосов
Геотермальные тепловые насосы работают на основании экологически чистой и безопасной технологии для отопления, охлаждения дома и горячего водоснабжения без вредных бактерий. При этом, через буферные емкости, они могут объединяться в общую систему с традиционными видами теплотехнического оборудования. В зависимости от конкретных условий объекта, служат как основным так и дополнительным источником тепловой энергии.
Тепловые насосы геотермального типа в своей работе используют хладагент, который испаряется при низких температурах в испарителе. Пары хладагента попадают в компрессор и нагреваются в процессе сжатия.
Этот процесс и производит то тепло, которое используется для отопления и нагрева горячей воды.
Основные виды геотермальных (грунтовых) насосов
Геотермальные теплонасосы бывают двух основных видов: грунт-вода и вода-вода.
С грунтовыми тепловыми насосами устанавливают системы вертикальных скважин с геотермальными зондами, а также, горизонтальные грунтовые коллекторы обеспечивают сбор геотермальной энергии для теплового насоса.
При использовании вертикальных скважин используют геозонды глубиной до 200 м.
В этих зондах циркулирует раствор незамерзающей жидкости, который поглощает геотермальную энергию из вмещающих пород и грунта. Используя пластинчатый теплообменник, эта энергии передается во фреоновый контур теплового насоса.
Преимущества системы геозондов – это надежность и долговечность с постоянным температурным режимом около +10 °C.
Система с горизонтальным коллектором располагается на глубине от 1,5 до 2-х метров от уровня земли, где циркулирующая незамерзающая жидкость собирает тепловую энергию, накапливающуюся от солнечного излучения или хозяйственной деятельности человека в верхних слоях грунта.
Для тепловых насосов вода – вода необходимо пробурить две вертикальные скважины до уровня грунтовых вод: одну – для забора теплой воды, другую – для сброса охлажденной.
Тепловые насосы надежно и долгие годы обеспечивают дома теплом зимой, освежающую прохладу летом, и постоянное наличие горячей воды. Источником тепла в этом случае служат возобновляемые природой ресурсы, поэтому за этим видом получения тепловой энергии будущее энергетики.
Особенности теплонасосов грунт-вода
Геотермальные тепловые насосы типа грунт – вода трансформируют низкопотенциальное тепло недр земли в тепловую энергию для отопления и нагрева воды для ГВС. Главные отличительные особенности грунтовых теплонасосов – наличие внешнего геотермального контура в виде полипропиленовой трубы, в которой в качестве теплоносителя циркулирует незамерзающий рассол – пропиленгликоль.
Принцип работы грунтовых теплонасосов такой же, как и у других теплонасосных систем – преобразование возобновляемой тепловой энергии с низким потенциалом в тепло для отопления и горячего водоснабжения. Используя солнечное излучение, накопленное в грунте и излучение, идущее из недр земли, геотермальный тепловой насос позволяет экономить на отоплении и подогреве воды до 80% расходов.
Температура на глубине более 2 м круглый год остаётся постоянной – от +6 до +10 °C.
Чем глубже, тем выше постоянная температура. Поэтому эффективность теплового насоса «грунт / вода» не зависит от температуры окружающего воздуха – среднее значение коэффициента преобразования энергии 1:4. Поэтому наибольшее применение грунтовые тепловые насосы нашли в районах с суровой зимой, где температура воздуха держится на отметках ниже –10 °C более 3 недель в году.
Управление работой теплового насоса
Управление работой теплового насоса располагается внутри дома, в удобном и доступном месте. В качестве панели управления может выступать встроенный пульт управления на коробе контроллера (на фото ниже)
или отдельная сенсорная панель (как у шведского производителя оборудования – CTC).
Компания CTC, также, предлагает многофункциональные емкости, в которые помимо буферного аккумулирующего бака, наревательных тэнов и всевозможных опций для подключения нескольких источников тепла, встроена панель управления с цветным сенсорным экраном.
Управляющий модуль позволяет настроить желаемые параметры работы системы отопления в зависимости от температуры на улице и сезона.
Пример управления тепловым насосом на видео:
Преимущества теплонасосов типа «грунт-вода»
- Высокая и постоянная эффективность независимо от времени года.
- Высокая температура теплоносителя на подаче до +65 °С.
- Компактность внутреннего оборудования — в помещении занимаю мало места, до 2 кв.м.
- Не требуется текущее обслуживание.
Недостатки
- Высокая стоимость оборудования и монтажа — в два раза выше, чем у воздушных тепловых насосов. Обустройство скважин или горизонтального грунтового коллектора стоит столько же, сколько и основное оборудование.
- При неправильной установке или применения некачественных геозондов исправить ошибку нельзя – нужно устанавливать новый.
- Требуется свободная площадь возле дома для обустройства геоконтура.
Виды геотермальных контуров
- Вертикальные геоконтуры – геотермальные зонды, которые опущены в скважины, пробуренные на глубину от 40 до 200 м. Применяются в случаях, когда площадь участка ограничена.
- Наклонные скважины – частный случай вертикальных. Несколько наклонных зондов под углом сходятся в общий коллектор.
- Горизонтальные геоконтуры – геополя, где на глубину около 1,5 м укладываются пластиковые трубы, каждая длиной от 100 до 200 м.
- Спиральные коллектора – применяются при ограничениях на объекте по площади. Устанавливаются в грунт на глубину до 5 м спиралью в широкую яму.
Устройство вертикальных контуров: бурение скважин
Вертикальный контур теплообмена для теплового насоса принципиально состоит из геозонда U-образной формы, который погружается в скважину, и коллектора. Коллектор может располагаться снаружи здания в распределительном колодце или, если есть возможность, в самом доме.
Для обустройства вертикального грунтового теплообменника бурятся скважины. Глубина рассчитывается исходя из необходимой теплоподачи: 30÷50 Вт на 1 метр глубины. На 8 кВт тепловой мощности потребуется около 200 п.м общей глубины. Это может быть 4 по 50 метров или 3 по 66,6 м.
Чтобы отдельные контуры не перемораживали друг друга, минимальное расстояние между ними должно быть не менее 10% их глубины.
В скважину опускается пластиковая труба диаметром 32 мм в собранном виде с зондом.
Если установлено несколько зондов, то они сводятся на общую распределительную гребёнку. Гребёнка устанавливается в распределительный колодец в яме возле дома или в самом доме.
Скважина тампонируется.
Зонд заполняется теплоносителем. После чего через сбросные воздушные клапаны из контура удаляется воздух.
Устройство горизонтальных контуров: геополя.
Горизонтальный контур для грунтового теплонасоса также представляет собой пластиковую трубу, но наконечник зонда уже не нужен. Трубы длиной 100÷200 метров укладываются на глубину 1,5÷2,0 метра. Обязательно ниже уровня промерзания грунта. Глубже закапывать не стоит, так как солнечное излучение накапливается в верхних слоях грунта.
Общая протяжённость контура рассчитывается из соотношения примерно 20 Вт на каждый метр трубы. Т.е. Для 8 кВт мощности необходимо около 400 п.м длины теплообмена.
Соблюдается минимальное расстояние между параллельными участками трубы – не менее 1 м.
Отдельные трубы сводятся в один коллектор, расположенный в колодце или в самом доме.
Теплообменный контур укладывается с расчётом на десятилетия, поэтому на участке, где расположено геополе не рекомендуется высаживать деревья. Их развитая корневая система может со временем деформировать и повредить трубу.
Перспективы
Грунтовые тепловые насосы признаны как экологически чистые системы на возобновляемом источнике энергии. Они снижают расходы на отопление и ГВС в 4÷5 раз, не требуют сжигания органического топлива, сохраняют чистоту окружающей среды.
Кроме этого, грунтовые теплонасосы обеспечивают высокий уровень комфорта при отоплении на долгие десятки лет.
Вот почему можно с уверенностью говорить, что за тепловыми насосами будущее энергетики, которое доступно уже сегодня!
Особенности тепловых насосов вода/вода
Грунтовые тепловые насосы типа вода/вода для получения тепла используют энергию воды из грунта или водоема.
Вода не бывает холоднее 0 °С, а грунтовая среда имеет постоянную температуру около +10 °С. Это позволяет использовать эту же среду для охлаждения летом.
Существуют два основных вида систем:
- С грунтовым коллектором, проложенным в скважине до подземных грунтовых вод, расположенных на глубине до 50 м.
- Со спиральным коллектором, который размещен непосредственно на дне природного или технологического водоёма, удаленного до 100 м от объекта.
Системы с грунтовыми коллекторами и скважинами
Устанавливать тепловые насосы системы «вода – вода» можно не везде. Для функционирования таких теплонасосов нужно предварительно пробурить два типа скважин: для забора теплой воды и для сброса охлажденной. Бурить скважины имеет смысл только на тех участках, где есть грунтовые воды. Чтобы определить наличие подходящего водоносного горизонта под участком производят гидрогеологическую разведку. Дебит скважины должен покрывать расчетные потребности тепла. Обязательно нужно рассчитать и определить место, куда будет сбрасываться отработанная жидкость.
В случае выполнения всех необходимых условий можно организовать отбор тепла перекачкой грунтовой воды через теплообменник системы.
Системы со спиральными коллекторами и водоемами
Если рядом доступен водоем или река, можно уложить коллектор на дно и таким образом использовать энергию водной среды. Наибольшую эффективность показывают тепловые насосы вода/вода, внешние контуры которых проложены в сбросовых водах технологических водоёмов, градирен.
Преимущества
- Для обустройства коллектора, расположенного в водоеме, не требуется бурение скважин.
- Для установки оборудования не требуются разрешения и согласования.
- Высокий COP водяных систем круглый год 1:4.
- Простое обслуживание при эксплуатации.
Стоимость системы вода-вода
Цена установки системы теплового насоса с наружным и внутренним водяными контурами в каждом случае будет индивидуальная. Много переменных, которые необходимо учесть: перечень оборудования и дополнительных материалов, расход материалов зависит от удаленности водоема и глубины скважин.
Срок окупаемости этого типа системы, как правило, составляет около 10 лет. Чем выше теплопотери дома, тем тепловой насос окупится скорее. Поэтому, для промышленных предприятий с высоким расходом тепловой энергии и наличием технологического тепла, теплонасосы этого типа подходят больше, чем любой другой вид отопления.
Перспективы
Тепловые насосы «вода – вода» — экологически чистая альтернатива традиционным устройствам отопления и кондиционирования, которую устанавливают на участках, где есть доступ к грунтовым водам.
В европейских странах активно устанавливают грунтовые тепловые насосы вода-вода, так как забота об окружающей среде и экономия денег – первичные приоритеты европейца!