Тепловой насос, работающий от водяной скважины – возражения, сомнения и плюсы

Постройка частного дома, коттеджа, да и вообще любого малоэтажного жилья заставляет задуматься о его отопительной системе. Актуальный способ – использование для отопления геотермального теплового насоса.

Существует несколько типов тепловых насосов, различающихся по способу производства тепла. К популярным способам относят ТН с применением горизонтального контура с забором воды с поверхности водоема или с водяным контуром с использованием водяной скважины.

Создание отопления с помощью теплового насоса на водяном контуре часто становится очень актуальным и выгодным по сравнению с геотермальным контуром. Почему? Ответ самый простой. Достаточно пробурить водяную скважину на глубину от 10 до 100 метров, где найдется водоносный пласт, и пользоваться скважиной для работы ТН. Вода считается более эффективным теплоносителем, чем просто использование тепла грунта.

Для создания горизонтального контура требуется наличие участка большой площади. Для геотермального контура может понадобиться пробурить достаточно большое количество скважин. Возможностей для их бурения может не оказаться. Элементарно, могут отсутствовать подъездные пути для доставки буровой установки. Для монтажа ТН с получением тепла от грунтовых вод или водоносного пласта требуется пробурить всего две скважины. Одну для забора воды, другую для сброса отработанной воды. Это намного более легкое и менее затратное в экономическом плане действие.

Существует ряд возражений, касающихся бытовых тепловых насосов. Попробуем развенчать их на примере использования тепловых насосов Ovanter.

Скептики утверждают, что грунтовая вода, используемая для тепловых насосов, не относится к возобновляемым источникам энергии.

Грунтовая вода – идеальная подпитка энергией теплового насоса. Температура грунтовой воды круглый год составляет примерно от +4 до +7 о С. Она соответствует большинству регионов в России и никогда не падает ниже этого значения. Помимо водяной скважины источником энергии для земляного теплового насоса с водяным контуром может считаться: поверхностная вода или, если присутствуют, сточные или биологические воды, поступающие от очистных сооружений или сбрасываемые жидкости из промышленных стоков.

Основные виды воды, способной служить источником тепловой энергии для ТН с водяным циклом.

• Подпочвенные воды – температура в разных географических районах от +4 до +10 о С;
• Морская вода – температура на глубине от 25 до 50 метров колеблется в пределах от +5 до +8 о С;
• Грунтовые воды – отличаются наиболее стабильной температурой;
• Ближайший водоем (река, озеро, глубокий пруд). Контур укладывается на дно водоема или притапливается на глубину до 2 метров. К слову, 1 метр трубопровода, используемого для такого контура, соответствует 30 Вт тепловой мощности.

Чем выше температура грунта, тем более повышается тепловой коэффициент (СОР), тем меньше электроэнергии тратится на работу теплового насоса на производство теплоты.

Для тепловых насосов с горизонтальным контуром необходимо учитывать фактор охлаждения грунта.

На самом деле интенсивное использование геотермального тепла грунта влечет остывание почвы вокруг регистра труб системы теплосбора. Например, в северных регионах за короткий летний период грунт не успевает набрать нужную температуру. Поэтому зачастую, на начало следующего зимнего периода грунт выходит с пониженным тепловым потенциалом.

Понижение температуры грунта носит экспоненциальный (возрастающий) характер. Поэтому примерно через 5 лет эксплуатации системы теплоснабжения, тепловое состояние грунта после понижения температуры улучшается и выходит на относительно устойчивый уровень. Однако он будет все равно меньше естественного на 1 – 2 о С. Выход из положения находится. При проектировании системы теплоснабжения важно учитывать возможное охлаждение грунта в процессе ее эксплуатации.

Существует еще такой выход. Тепловые насосы, потребляющие тепловую энергию из грунтовых вод и водоносных пластов или из открытых водоемов, создают более стабильную систему теплоснабжения с устойчивой температурой. Пример, использование российских тепловых насосов Ovanter. Насосы этой фирмы работают в открытых системах грунтовых вод, где происходит постоянный водообмен. Пополнение грунтовых вод происходит за счет следующих источников, представляющих собой:

1. Воду, просачивающуюся с поверхности почвы;
2. Воду, которая поступает из более глубоких грунтовых слоев.

Теплосодержание грунтовых вод практически никогда не иссякает и подпитывается и «сверху», и «снизу».

Таким образом, эффективность зависит от толщины и глубины нахождения водоносного слоя. Температура водоносного слоя остается постоянной и не изменяется в течение всего периода. Практика строительства подобных систем свидетельствует, что максимальный температурный градиент в общей толще грунта в течение всего времени эксплуатации не превышает, как правило, 8-10 град/м. Значит, перепады температур будут очень малы. Значение температурного градиента наблюдается по вертикали и именно в том направлении, в котором более всего наблюдается интенсивность потока жидкости. Она компенсирует миграцию влаги под воздействием термоградиентных сил. Таким образом, система сбора низкопотенциального тепла грунта под влиянием потоков влаги в грунтовых порах в общем массиве не нуждается в особой точности математических расчетов.

Получение воды из скважины нуждается в бурении и некоторого, зачастую большого, количества трубопровода. Если вода низкого качества, это влечет появление солевых отложений и коррозии на стенках труб.

Современные технологии позволили найти решение по защите трубопровода от коррозии. Эффективным способом борьбы с коррозией считается применение пластиковых труб. Это самый действенный вариант в создании отопительной системы с мощными тепловыми насосами, способными работать со скважинами глубиной до 70 и более метров. Для трубопровода используются дешевые пластиковые трубы.

Проблема сброса воды после того, как вода прошла через теплообменник.

У кого-то может возникнуть вопрос: куда девать сброшенную воду? Сбросная вода, например, промышленных объектов может также использоваться в качестве источника энергии для тепловых насосов.

Сбросная вода, используемая для ТН частного дома, согласно технологическим условиям обязательно должна уходить в соседнюю скважину, расположенную на расчетном расстоянии от основной скважины и обратно в пласт.

Рис. №1. Схема использования теплового насоса открытого типа с отбором теплоты грунтовых вод. На схеме хорошо видно скважину для сброса воды.

Законодательные акты в виде Федеральных норм и правил обусловливают условия сброса воды и подводят под действия частных лиц юридическое обоснование. Кроме того, сброс воды при использовании в системе ТН не считается экологически вредным. Выброс вредных примесей в окружающую среду отсутствует.

Зависимость работы ТН от дебета скважины и аккумуляция возобновляемых запасов воды в дополнительном баке.

Со временем количество воды в скважине может уменьшаться, а качество якобы ухудшается.

Однако даже со временем, доставая воду со скважины глубиной до 70 и более метров объемом 3 – 5 м 3 /час, количество воды не уменьшается. Свойства воды, благодаря протоке во многом улучшаются

Вода может аккумулироваться в дополнительном резервуаре (баке для хранения запаса воды). В этом случае вода может использоваться без применения теплообменника. Например, использование бака аккумулятора емкостью 300 литров дает возможность копить тепловую энергию и выравнивает скачкообразное использование воды. Кроме того, ряд необходимых и дополнительных элементов в системе повышают ее качество, надежность и безотказность.

Тепловой насос совместно со скважинным насосом представляют собой мощную установку для подъема воды. При подъеме на поверхность вода разделяется. Часть воды используется для отопления. Другая часть воды, проходя через систему механической фильтрации, применяется для бытовых нужд. Если дом входит в категорию малоэтажных строений, можно брать воду для внутреннего потребления даже без использования дополнительной насосной станции.

Завязка в системе геотермального теплового насоса таких элементов как испаритель, компрессор, конденсатор, дроссель и теплообменник служит для приготовления воды для ГВС. Они замкнуты с помощью стального трубопровода с циркулирующим по нему хладагентом.

Солнечный коллектор для подогрева воды в аккумуляторе увеличивает эффективность системы отопления и горячего водоснабжения. Он, как и электронагреватель может служить для покрытия пиковых нагрузок.

В частности, эффективным средством для этого считается использование системы такого теплообменника, как фанкойл.

Кто-то может сказать, что при использовании воды из скважины существует опасность загрязнения теплообменников, а расходники для очистки воды стоят дорого.

Проходя по трубопроводу при скорости протоки от 1,2 до 5 м 3 /ч, вода уже очищается. Превышения марганца и железа, которые могут вызвать закупорку и снизить эффективность процесса теплообмена контролируются. Вода, проходя через фильтр грубой очистки и теплообменник, не нагревается и не взаимодействует с кислородом, поэтому не дает осадка.

Фильтрация способствуют очищению воды. Расходные материалы для фильтра грубой очистки стоят не дорого и находятся в свободной продаже.

Использование ТН только для малоэтажных построек.

Это предубеждение, что тепловые насосы с использованием водяной скважины невозможно применять для производственных и складских помещений или для высоких построек. Якобы, существующая мощность тепловых насосов теряет свою эффективность после того, как вода поднята с глубины 100 м.

Забор тепловой энергии из глубокой скважины – да. Он способен снабдить теплом только малоэтажные строения. Однако, ведь существует возможность брать воду для контура и из открытого водоема. В этом случае КПД теплового насоса повышается в разы.

Вывод: Бытовой тепловой насос с использованием воды из скважины может считаться наиболее актуальным и эффективным устройством для частного малоэтажного домостроения, производственных объектов и достаточно крупных жилых комплексов. При использовании грунтовой воды эффективность коэффициента преобразователя (СОР) может достигать 5, что позволяет производить добавочные 3-4 кВт тепловой энергии. Пример: тепловые насосы Ovanter класса Премиум.

Тепловой насос – это естественный источник тепловой энергии с выгодными экономическими и экологическими качествами, отличающийся и не зависящий от традиционных видов отопления.

Выбор теплового насоса с определенным циклом, в нашем случае это вода, строится на основании расчетов при создании технико-экономического проекта и возможности полноценного использования предоставленных условий окружающей среды.

Особенности бурения скважин для тепловых насосов

Бурение скважин под геотермальные тепловые насосы является одним из важнейших этапов установки таких агрегатов. Так как тепловая энергия, используемая этим видом теплонасосов для отопления, черпается из грунта, параметры скважины играют огромную роль в достижении максимальной эффективности теплообмена.

Параметры и принцип действия скважин для тепловых насосов

Скважина, созданная для функционирования теплового насоса, предполагает наличие внутри контура. По данному контуру циркулирует специальный жидкий состав, обладающий специфическими свойствами. Данный состав не затвердевает даже при собственной отрицательной температуре. Как правило, для этой цели используется пропиленгликоль, именуемый также рассолом.

Контур уходит вглубь до самого дна скважины, где контактируя с грунтом, находящимся ниже глубины промерзания почвы нагревается. Пропиленгликоль на входе в скважину имеет температуру порядка минус одного градуса по Цельсию, а выходя из скважины, прогревается до 6-8 градусов. Этой температуры вполне достаточно для эффективного обогрева.

Бурение скважин под тепловые насосы

На выходе осуществляется теплообмен между скважинным контуром и наружным контуром, в котором циркулирует хладагент. При контакте контуров хладагент разогревается и переходит в газообразное состояние. После чего происходит повторный теплообмен аналогично общим принципам действия всех тепловых насосов.

Количество необходимых под теплонасос скважин

Расчет количества скважин, бурение которых необходимо для эффективного функционирования тепловых насосов зависит от ряда факторов. Здесь играют роль и тип грунта, преобладающий на участке бурения, и технические характеристики самого оборудования. Выделяют следующие зависимости эффективности теплоотдачи от типов грунта:

• При заложении первичного контура в песчаные, либо другие сухие грунты теплоотдача от одного погонного метра контура составит порядка 30 ватт.
• Грунты с высоким содержанием влаги будут уже более эффективны, данный показатель у них колеблется на уровне 60 ватт. Грунты обладают такими свойствами при относительно неглубоком нахождении подземных водоемов.
• Твердые каменные породы обладают наивысшим показателем эффективности теплоотдачи. У них он колеблется от 65 до 85 ватт на погонный метр контура.
• Обычный земляной грунт умеренного увлажнения может похвастаться показателем теплопередачи порядка 50 ватт на метр. Так как данный тип грунтов является преобладающим, показатель теплоотдачи в 50 ватт принимают за усредненную величину.

Если существует такая возможность, то перед бурением скважин лучше провести локальную геологоразведку. Если же ее нет, рекомендуется использовать усредненный показатель.

Кроме типа грунта потребуется уточнить еще несколько параметров. Итак, расчет количества скважин можно провести следующим образом:

• Определяется либо берется средний показатель эффективности теплоотдачи грунта. Для примера возьмем среднюю величину 50 ватт.
• Рассчитывается требуемая для нужд конкретного здания мощность теплового насоса. Ориентировочно ее можно определить из расчета 0.7 киловатт на 10 квадратных метров помещения. Таким образом, для дома общей площадью 100 квадратный метров, требуемая мощность агрегата будет равна 7 киловатт или 7000 ватт. Стоит отметить, что данный показатель определен при условии хорошей теплоизоляции дома и стандартной высоте потолков 270 сантиметров.
• Определяется необходимая протяженность контура: 7000 ватт делим на 50 ватт на метр, получаем протяженность контура 140 метров.
• При средней глубине скважины 30 метров, проведя расчет и округление, получим количество равное 5 скважинам.

Срок исправного функционирования скважин

Насколько долгий период времени прослужит пробуренная для теплового насоса скважина, зависит от качества самого бурения и материала, использованного при ее обустройстве.

Львиную долю материалов в скважине составляет коллектор. Если изготовить его из металла, устойчивого к коррозии, он прослужит вплоть до 70 лет. Использование полимерной трубы позволит коллектору продержаться порядка 50-60 лет.

Однако не стоит сразу по окончании работ по обустройству скважины забывать о ней. Как минимум в течение одного года следует проводить мониторинг состояния скважины, так как грунт подвержен оседанию. В случае влияния оседания грунта на целостность скважины, нужно оперативно произвести ремонтные воздействия в ее отношении.

Разновидности скважин для тепловых насосов

Бурение горизонтальных скважин для тепловых насосов

В основе деления скважин на разные типы лежит способ их бурения. В зависимости от него выделяют следующие виды скважин:

1. Скважины вертикального бурения. Такой вид бурения позволяет проложить первичный контур на глубинах, где грунт имеет более высокую степень теплоотдачи. Однако создание вертикальных скважин предполагает применение спецтехники.
2. Скважины горизонтального бурения. Такое расположение скважин требует наличия придомового участка площадью не менее двух соток. Для осуществления горизонтальной закладки скважин требуется снять слой грунта примерно на полметра ниже уровня его промерзания. Эта глубина будет зависеть от региона расположения участка. Данный способ является наиболее простым в техническом плане, но требует больших трудозатрат.
3. Скважины наклонного бурения. Такое бурение будет актуальным, если существует строгое ограничение доступной площади. Даже вертикальные скважины требует определенного удаления друг от друга. Наклонное бурение позволяет обойтись площадью в 4 квадратных метра. Теоретически его можно осуществлять даже в подвале частного дома, ели он расположен не на монолитном фундаменте. С технической точки зрения такое решение самое сложное.

Технология создания скважин под теплонасосы

Процесс создания скважин для теплонасосов предполагает использование специализированных буровых установок. Однако перед их применением нужно тщательно рассчитать параметры самой скважины. Наиболее важными из них являются ее глубина и используемые в монтаже материалы.

Необходимая глубина скважин для тепловых насосов

Глубина скважин для тепловых насосов рассчитывается с учетом нескольких факторов. К ним относится площадь дома, а соответственно и количество тепла, необходимого для его отопления. Кроме того играют роль уже упомянутые типы грунтов и доступная под расположение скважин площадь. В том случае, если ограничений по площади не испытывается лучше сделать несколько среднезаглубленных скважин, порядка 30 метров глубиной. Техника позволяет производить бурение на 100 и более метров. Однако лучше этого не делать, так как куда проще обслуживать скважины и проводить мониторинг их состояния при меньших глубинах.

Материалы для оборудования скважины

Коллектор скважины может быть выполнен из металла или полимерного состава. Кроме установки самого коллектора нужно провести работы по изоляции его от грунта. Пространство между трубой коллектора и грунтом должно быть заполнено специальным составом. При выборе обоих компонентов решающее значение имеет их качество, а также теплопроводность, так как от нее напрямую зависит эффективность теплопередачи.

Геотермальная скважина

Лучшим вариантом станет металлический коллектор. Помимо большего срока службы, металл обладает более высокой теплопроводностью, чем полимер. Что касается заполнителя, то данный материал должен обладать достаточной прочностью для защиты от усадочных деформаций. Если не производить защиту от усадки грунта, тепловой контур может быть поврежден и приведен в негодность. Оптимальным вариантом выбора материала для заполнителя является бетонит.

Бурение скважинного колодца под геотермальные тепловые насосы требует тщательных расчетов и подготовки. От качества выполнения данного процесса зависит не только эффективность теплонасоса, но и срок его эксплуатации.