Земляной тепловой насос (геотермальный тепловой насос) что это такое?

Главная страница » Земляной тепловой насос (геотермальный тепловой насос) что это такое?

Геотермальный земляной тепловой насос, по сути, представляет собой систему центрального отопления земли. Энергетический механизм земного грунта поддерживает постоянное использование как накопитель (источник) тепла. Конструктивно система позволяет использовать умеренный диапазон температур грунта. За счёт этого повышается эффективность и снижаются эксплуатационные расходы традиционных систем отопления (охлаждения). Допустимо объединение земляного теплового насоса с установками сбора солнечной энергии — строительство систем высокой эффективности.

Технология геообмена для получения энергии

Земляной тепловой насос в научных кругах больше известен под другими названиями, в частности:

• геообмен (Geoexchange),
• грунтовой теплообменник,
• земная энергетическая система.

Инженеры, однако, чаще пользуются термином «земляные тепловые насосы», дабы избежать путаницы с традиционной геотермальной энергией, где используется высокотемпературный источник тепла для выработки электроэнергии.

Земляные тепловые насосы действуют по принципу сбора тепла, получаемого от Солнца и поглощаемого поверхностью Земли. Температура грунта ниже 6 метров от границы поверхности равна среднегодовой температуре воздуха для конкретной широты земного шара.

Структурная схема установки: 1 – природный земляной теплообменник на трубном петлевом замкнутом контуре; 2 (3) – тепловой насос; 4 – ресивер с горячей водой; 5 – тепло, направляемое в радиаторы или в систему тёплого пола; 6 – использование водного ресурса для хозяйственных нужд

В зависимости от параметра широты, температура под верхним слоем Земли поддерживается на постоянном уровне в диапазоне 10-16°C. Подобно холодильнику или кондиционеру, систему допустимо использовать в качестве теплового насоса для принудительной передачи тепла от грунта.

Тепловые насосы способны передавать энергию от холодной к тёплой области в противовес естественному направлению потока. Либо эти же устройства способны усиливать естественный поток тепла, направленный от теплой среды к холодной.

Общая информация по земляным тепловым насосам

На первый взгляд устройство земляного теплового насоса выглядит достаточно сложным, но фактически это относительно простая элементная база. Подобного рода установки содержат ряд подземных труб, предназначенных извлекать солнечную энергию.

Полученную солнечную энергию, в свою очередь, достаточно просто преобразовать в тепловую энергию с последующим использованием для нужд домашнего хозяйства.

Возможные конфигурации замкнутого типа на земляной тепловой насос: 1 – горизонтальное трубное поле; 2 – вертикальное трубное поле; 3 – трубное поле в области водоёма

Существуют два основных типичных исполнения земляного теплового насоса:

Рассмотрим подробнее обе конфигурации для лучшего понимания. Однако также стоит отметить – используются два типа трубного контурного исполнения – замкнутое и разомкнутое. Второй вариант считается редко применяемым.

Земляной тепловой насос — вертикальная конфигурация

Этот вариант исполнения предполагает формирование поля труб, образующих замкнутый контур. При этом трубы контура проходят в земле вертикально.

Для выполнения вертикального монтажа трубного поля в грунте бурят скважину глубиной 15–125 м (может использоваться свайный фундамент здания). Циркулирующий по трубам теплоноситель поглощает (отводит) тепло от грунта или в грунт.

Трубные пары, помещаемые в скважину, соединяются U-образными поперечинами в нижней части или состоят из двух трубок полиэтилена высокой плотности малого диаметра, термически сплавленных для образования U-образного донного изгиба.

Реальный пример скважины под сооружение вертикального земляного теплового насоса. В зависимости от мощности системы таких скважин может потребоваться несколько

Пространство между стенкой скважины и U-образными трубами обычно полностью заполнено цементирующим веществом (допускается частичное заполнение грунтовыми водами).

Скважина, как правило, заполняется бентонитовым раствором, благодаря чему обеспечивается тепловая связь с грунтом, улучшается теплопередача.

Улучшить теплопередачу помогают термически эффективные растворы. Трубные поля вертикальной петлёй обычно используются, когда площадь земли ограничена. Скважины бурят удалёнными на 5–6 м одна от другой.

Параметр глубины зависит от характеристик грунта и обслуживаемого здания. Так, отдельно взятому дому, потребляющему 10 кВт тепловой мощности, требуется три скважины глубиной 80-110 м.

Земляной тепловой насос — г оризонтальная конфигурация

Земляной тепловой насос на основе горизонтального трубного поля, соответственно предполагает создание горизонтально расположенного в земле замкнутого контура.

Для такой конфигурации необходимо рыть длинную горизонтальную траншею глубже уровня промерзания грунта. Внутри такой траншеи размещаются горизонтально U-образные или петлевые трубы.

Рытьё неглубоких горизонтальных петлевых полей земляного теплового насоса оценивается примерно вполовину стоимости относительно варианта вертикальной конфигурации.

Поэтому горизонтальный вариант устройства земляного теплового насоса считается наиболее распространённой схемой, используемой в местах с достаточным количеством свободной земли.

Практическое решение по сооружению горизонтального земляного трубного поля теплового насоса. Это одна из наиболее перспективных конструкций для частных хозяйств

Для конструкции дома, потребляющего 10 кВт тепловой мощности, требуются три траншеи, длиной 120-180 м с петлями из полиэтиленовых труб диаметром 20-32 мм. Глубина траншей должна составлять 1-2 м.

Следует отметить: глубина погружения трубного серпантина оказывает существенное влияние на потребление энергии земляным тепловым насосом. При этом отмечаются два противоположных варианта влияния:

1. Мелкие петли имеют тенденцию косвенно поглощать больше тепла от солнца, что полезно, особенно когда земля долго остаётся холодной после зимы.
2. Неглубоко положенные петли также намного легче охлаждаются в результате изменений погоды, особенно в течение долгих холодных зим, когда пики потребности в отоплении достигают максимума.

Зачастую второй эффект более выразителен, чем первый, что приводит к более высоким затратам на эксплуатацию контуров, погруженных на небольшую глубину.

Земляной тепловой насос — д ругие возможные конфигурации

Альтернативой горизонтальному размещению земляного теплового насоса может служить прокладывание системы горизонтально-направленным бурением.

Методика позволяет монтировать трубопроводы под землёй городских дворов, проездов, садов и другой инфраструктуры. При этом инфраструктурные сооружения не нарушаются, а затраты на работы остаются на среднем уровне, если сравнивать с горизонтальным и вертикальным способом устройства.

Система горизонтально-направленного бурения также отличается от горизонтальной и вертикальной конфигураций, поскольку петлевое поле состоит из одной центральной камеры, чем ещё больше сокращается рабочее пространство объекта.

Горизонтально-направленное бурение зачастую применяется уже после того, как подлежащий оснащению земляным тепловым насосом объект был построен.

Неординарный, достаточно «экзотический» вариант – использование водоёма. Однако такой проект земляного (водяного) теплового насоса также вполне может использоваться на практике

Существует также довольно необычный вариант конфигурации системы, когда тепло извлекается при помощи трубного поля, размещаемого на дне водоёмов (озёр, прудов), где масса воды достаточно велика.

Однако такого рода система относится к узкоспециализированным сооружениям и требует тщательного расчёта конструкции. Обычно расчёт проводится производителем земляного специализированного теплового насоса.

Как работает земляной тепловой насос и сколько стоит?

Принцип действия обычно основан на смеси воды и антифриза, которая закачивается в область земляного массива.

Благодаря этой смеси поглощается солнечная энергия, запасённая в массиве земле. Тепло извлекается посредством использования технологий сжатия и расширения и в качестве энергетического потенциала может применяться для отопления частного дома.

Объёмная доля собранного теплового ресурса напрямую зависит от производительности (количества труб, длины и глубины вырытых траншей), а также от характеристик почвы.

Практика показывает, что глинистая почва способна удерживать больше тепла, чем песчаная. Перед проектированием и сооружением земляного теплового насоса, как правило, выполняется тщательное изучение состояния грунта.

Согласно некоторым оценкам специалистов по энергосбережению, стоимость установки типовой системы земляного теплового насоса в частном доме на три-четыре спальни, составит около 800 000 рублей.

Между тем общепринятая «бюджетная» величина составляет примерно 1 млн. руб. за 1 кВт мощности. Для частного дома площадью 400 м² на четыре спальни, построенного в соответствии стандартам строительных норм, потребуется тепловой насос мощностью не менее 8 кВт.

Непосредственно тепловой насос оценивается в 500–600 тыс. руб. Общий баланс земляной системы включает ещё стоимость сооружения в целом. Сумма под инсталляцию нередко значительно варьируется в зависимости от условий местности.

Отопление дома геотермальным насосом

Идея использовать внутреннее тепло Земли для отопления совсем не нова и неоригинальна. И хотя далеко не у всех поблизости есть горячие подземные воды, ее все-таки может использовать каждый. Такую возможность предоставляют геотермальные тепловые насосы. Они извлекают из земли и воды запасы накопленной в них солнечной энергии, и проедают ее в отопительный контур дома.

Теория разработана еще в 1852 знаменитым лордом Кельвином. Реализовал ее он же в 1855 году, и успешно использовал не протяжении многих лет. Несмотря на высокую эффективность, геотермальные тепловые насосы для отопления не находили широкого применения вплоть до конца 20 века. Тогда в 70-х годах в Европе стали активно развивать энергосберегающие технологии, и одним из направлений были тепловые насосы.

Наружный блок геотермального теплового насоса выглядит так. И что приятно, так это то, что работать они могут и на отопление и на охлаждение

В чем привлекательность этой идеи: затратив 1 кВт электричества, вы можете получить от 2 кВт до 6 кВт тепла. И это не противоречит законам теплотехники. Просто эта установка тратит энергию не на производство тепловой энергии, а на ее перенос.

Такая разная эффективность — от 2 до 6 — зависит не только от конструктивных особенностей установок, но и от условий эксплуатации. Самая высокая производительность у тепловых насосов может быть достигнута при температуре в отопительном контуре в районе +35 o C. Потому идеально эти установки стыкуются с водяными теплыми полами.

Есть, конечно, и установки, которые нагревают воду в отопительном контуре до 50-65 o C, но, во-первых, стоят они больше, Во-вторых, лучшую эффективность показывают все равно в заданном диапазоне.

Принцип действия геотермального теплонасоса

Тепло у нас под ногами есть в любой среде. Его количество разное в разных регионах, но оно есть повсеместно. И геотермальный тепловой насос отбирает это тепло у природных источников и передает его нагревательному контуру.

Что может стать источником тепла? Любая среда вне помещения, температура которой зимой выше 0 o C. Это близлежащий непромерзающий водоем, речка, даже колодец с достаточным количеством воды. Есть тепло и в грунте: ниже точки промерзания температура всегда положительная.

Источником тепла может быть любая среда с температурой выше нуля зимой

Принцип работы геотермального теплового насоса состоит в том, что тепло от источников переносится в установку, где преобразовывается и передается в отопительный контур.

Если говорить чуть подробнее, то все происходит так. В относительно теплой среде находится трубопровод с теплоносителем большой протяженности. Трубопровод чаще всего замкнутый, его движение обеспечивается насосом. Теплоноситель нагревается до температуры среды. Обычно это +5 o C или чуть выше. Проходя по первому теплообменнику-испарителю, он отдает тепло находящемуся во втором контуре хладагенту.

Устройство теплового насоса: это три контура с теплоносителями, компрессор и испаритель, сбросный клапан

Хладагент — вещество, которое кипеть начинает при температуре выше -5 o C. В большинстве установок используют фреон. До включения установки он находится в жидком состоянии. Потом, по мере поступления тепла от термальных источников, его температура поднимается. Фреон начинает испаряться, переходит в газообразное состояние. Этот газ уже имеет температуру порядка +5 o C. Он поступает в компрессор, где его сжимают. При сжатии выделяется большое количество тепла, и из компрессора газ уже выходит с температурой от 35 o C до 65 o C. Он поступает в еще один теплообменник — конденсатор, где отдает тепловую энергию теплоносителю, который идет в контур отопления.

Сам фреон, отдав большую часть тепла, частично остывает, но все еще находится в газообразном состоянии при повышенном давлении. Он поступает на сбросный клапан, где давление резко падает, он резко охлаждается и сжижается. После чего снова поступает в испаритель, где начинается новый цикл преобразования.

Источники тепла и способы доставки энергии

Как уже говорилось, источник тепла для теплового насоса — любой объект, имеющий зимой положительную температуру. Большая часть из них — низкопотенциальные, то есть количество тепловой энергии заключено в них этого незначительное. Но это не значит, что использовать эту энергию нельзя. Можно, только придется делать для этого большой контур для ее сбора. И в этом состоит сложность устройства геотермальных тепловых насосов: кроме значительных затрат на оборудование, требуются немалые средства на строительство внешнего контура сбора тепла.

Тепловой насос с теплыми полами — идеальная совместимость

Сразу можно сказать, что четкого определения того, какие источники тепла являются геотермальными, а какие нет, вы не найдете. Некоторые считают что геотермальные — это те источники, которые находятся в грунте. Другие говорят, что вода — также подходит под эту категорию: она часто находится под землей, и та, что находится в открытых водоемах, также когда-то протекала в грунте. Тем более что способ переноса тепла одинаков: при помощи циркулирующего по контуру теплоносителя и подавляющее большинство современных агрегатов работать может с любым из этих источников.

Рассмотрим все источники тепла, которые могут подходить под эту категорию. И начнем с самого простого, требующего минимум затрат на обустройство.

Даже зимой подо льдом вода имеет достаточно высокую (относительно воздуха) температуру: от +5 o C до +7 o C. Вся задача состоит в том, чтобы эту энергию перенести к тепловому насосу. Для этого в водоем укладывают полимерные трубы, заполненные незамерзающей жидкостью (чаще всего это соляной раствор, иногда антифриз). В среднем считается, что с метра трубопровода, уложенного в водоеме, можно получить 30 Вт тепла. Исходя из этого, считают протяженность труб. Например, вам для обеспечения теплом дома нужно 12 кВт тепла. Получаем: 12000 Вт : 30 Вт/м = 400 м. Вот столько труб нужно будет уложить в водоем.

Энергию у воды можно не только в открытом водоеме. Если близко подпочвенные воды можно использовать скважины

Есть другой вариант. Он приемлем, если потребность в тепле не очень большая, а на участке имеется колодец с хорошим дебетом (высокая скорость притока воды). Понадобиться вторая скважина для сброса воды, но никакого длиннющего контура. Только не путайте! Если в колодце стоит 3 кольца воды, это совсем не значит, что дебет у него хороший. Это значит, что грунтовые воды близко. Но скорость поступления воды (а дебет — это именно она) может быть при этом небольшой.

Нужно будет подавать в дом из колодца необходимое количество «теплой» воды, а остывшую отводить во вторую скважину. Обязателен в этом случае расчет потребности воды и определение параметров циркуляционного насоса.

Грунт

Всем известно, что ниже точки промерзания температура почвы выше 0 o C. Это значит, что тепло оттуда можно перекачать для отопления дома. Делают это двумя способами: при помощи горизонтального коллектора или вертикального.

Горизонтальные геотермальные контура

Для устройства горизонтального геотермального поля требуется большая площадь: от 200 м 2 и больше. На всей этой площади приходится снимать грунт на 30-50 см ниже точки промерзания грунта. На практике это 1,2-2 метра в зависимости от региона. Ниже копать не стоит. В грунте сохраняется энергия, накопленная с лета, а слишком глубоко опустившись можно потерять значительную часть тепла: туда оно просто не проникло.

Так выглядит площадка под горизонтальный геотермальный зонд

Необходимая площадь зависит от потребности в тепле и типа грунта: в одних можно забрать 30 Вт с одного метра, в других 60-75 Вт. Самые значительные запасы энергии есть во влажных грунтах с близко расположенными грунтовыми водами. Если возле вашего дома именно такие — вам повезло. Если нет, тоже ничего страшного, просто площадь потребуется больше (и труб тоже). Расстояние между двумя соседними витками трубы 1-1,5 метра.

Для уменьшения занимаемой площади можно использовать спиральную укладку. Это когда контур из труб выкладывается не «змейкой» или «улиткой», а спиралями, которые находят одна на другую. Площади требуются несколько меньшие, но все-таки значительные.

Большие пространства есть далеко не возле каждого дома. Тем более что дальнейшее их использование ограничено: нельзя высаживать растения с мощной корневой системой (деревья) или ставить капительные строения. Если вы не можете выделить такой участок под сбор тепла, или не хотите выполнять подобный объем земельных работ, можно использовать вертикальные скважины.

Чтобы уменьшить площадь под геотермальное поле можно использовать скрученные в спирали трубы

Недостатки горизонтального поля:

• Большой объем земляных работ.
• Летом режим пассивного охлаждения недоступен.
• Постепенное понижение температуры к концу отопительного периода (и это тоже нужно учитывать при расчете длины трубопровода).
• После завершения укладки труб нельзя сразу приступать к ландшафтным или другим работам: нужно ждать усадки грунта. А это не менее года.

Вертикальные зонды

Ниже 20 метров от поверхности температура грунта повышается. На этой глубине она вне зависимости от погоды и времени года всегда стабильна: от 10 o C и выше (в зависимости от региона). Для того чтобы добраться до этого тепла делают скважины для тепловых насосов. Они обычно дают больше тепла, потому требуется не такое значительное их количество.

Но количество энергии, которою можно «выкачать» сильно зависит от типа грунта. Меньше всего дают песчаные почвы: 30 Вт/м, много энергии содержится в граните — до 75 Вт/м. Потому очень может разниться и длина требуемой скважины.

Сколько тепла можно «снять» с одного метра скважины в грунте

Бурение скважин — далеко не самое дешевое удовольствие. Особенно на большие глубины: для этих целей используется мощная техника, стоимость работы которой велика. Но не обязательно делать одну скважину. Можно пробурить несколько на меньшую глубину, важно только чтобы суммарная их протяженность совпадала с рассчитанной. В этом случае под геотермальное поле занимается меньший участок, но он тоже значительный. К тому же требуется организовать коллектор для сбора потоков от всех зондов, а это еще дополнительное оборудование, и земляные работы (трубы от одной скважины к другой прокладывают ниже уровня промерзания).

Вертикальный зонд — скважина приличной глубины. Но такое бурение очень дорого, так что можно сделать некоторое количество более коротких скважин

Недостатки вертикальных зондов:

• Высокая стоимость бурения.
• Значительные площади под геотермальное поле: минимальное расстояние между скважинами — 8 метров.
• При большой глубине скважин есть ежегодное снижение температуры. Через несколько лет процесс сильно замедляется, но тепла со временем поступает меньше. Это тоже нужно учитывать при расчетах.

Кластерное бурение

Что делать, если и под вертикальные зонды у вас места не хватает? Есть так называемое кластерное бурение. Это когда от общего центра скважины расходятся в разные стороны лучами. Для этой технологии требуется выделить участок в 4 м 2 . В этом квадрате снимается грунт и устраивается своеобразный колодец, в который потом заводят трубы от зондов. В принципе, этот центр можно устроить даже в подвале дома.

Для такой системы зондов, конечно, требуется специальная техника, но она не очень мощная: глубина бурения средняя, высокая производительность ни к чему. Эта технология, как и многие другие, разработана в Европе. Там обращают внимание не только на безопасность, но и на сохранение природы и бережное отношение к частным владениям. Потому некоторые установки для кластерного бурения имеют резиновые гусеницы и практически не повреждают придомовую территорию. В целостности остаются и газоны, и дорожки.

В пробуренные скважины опускают заполненные теплоносителем трубы. Тут опять таки-есть варианты. По одной технологии используются, как и в других внешних контурах, полимерные трубы, а в других — металлические. Металл применяется особый, коррозионно-стойкий. Его строк эксплуатации 50-70 лет. А чем он лучше? У него выше теплопроводность, то есть тепло переносится эффективнее. Это значит, что с одного метра скважины, «снять» можно больше тепла. Потому и скважины в этом случае должны быть менее длинными.

Кластерное бурение экономит землю

Работу установки кластерного бурения вы увидите в видео. Тут же можно оценить размеры геотермального насоса для дома (площадь 250 м 2 ).

Производители и отзывы

В Европе геотермальные тепловые насосы для отопления окупают себя за несколько лет. Но у них стоимость отопления гораздо выше, как и цена на энергоносители. Для нашей же страны, потраченные на установку 10 тыс. — 15 тыс. долларов, возвращаться будут годами, если не десятилетиями. Это не значит, что оно не окупится вовсе (хотя может случиться и так), но очень нескоро. И, тем не менее, устанавливать геотермальный тепловой насос из Китая не стоит. Хоть они и дешевле, и порой значительно, но у них нет ни запчастей, ни сервисов, ни гарантийных обязательств. Если что-то с техникой случится, вы останетесь сами со своей проблемой.

Какие установки стоит приобретать? В первую очередь это немецкие. В Германии самые строгие законы, нормирующие строительные материалы и оборудование для дома, и очень жесткая сертификация. Если установки допущены к эксплуатации в Германии, то они точно безопасны и качественны. Примеров тому множество в любой области строительства. То самое, знаменитое «немецкое качество» присуще и геотермальным насосам для дома.

Схема организации системы отопления дома с использованием тепловых насосов

Кроме немецких агрегатов хорошие отзывы имеют еще многие другие европейские производители. Часть из них производит подобную аппаратуру уже более 50 лет, так что технологии давно выверены и отлажены. К примеру, геотермальные тепловые насосы Nibe в Швеции устанавливались не только в квартирах и частных домах. Термальный насос Nibe был смонтирован даже на крупной свиноводческой ферме, где от его тепла греются поросята. В этом варианте, кстати, зонды закладывались не в грунт и не в скважины. Они отбирали тепло у навозной жижи: проложили наружный контур вдоль бортов сточных каналов. Вот уж точно бесплатный источник тепла. Владелец фермы очень доволен: его вложения окупились за 1,5 года.

В геотермальных тепловых насосах Daikin применяется инверторное управление, что позволяет снизить затраты электроэнергии еще на 20% по отношению к аналогичным агрегатам обычного типа.

В шведских геотермальных насосах Danfoss собраны сразу три запатентованные технологии. Две из них позволяют при меньших затратах быстрее нагревать воду для ГВС и достигать более высоких температур в контуре отопления. Еще одна руководит работой циркуляционных насосов, оптимизируя их скорость. Это позволяет добиться максимальной производительности.

Итоги

Геотермальные насосы — не самая дешевая затея. Если у вас есть возможность подключить газ, и эта затея обойдется вам меньше, чем 15 000 долларов, подключайте газ. Если такой возможности нет или сумма получается больше — целесообразно установить тепловой насос. И лучше геотермальный. Он хоть и требует больших вложений на старте, но работает стабильнее и показывает большую производительность. Сумма вложений — очень приблизительная и зависит от конкретных условий. Но эти устройства тем и отличаются, что проект и расчет геотермального теплового насоса — вещь сугубо индивидуальная и считается под каждый проект. Даже на двух соседних участках условия (и сумма) могут значительно отличаться.