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.

Как работает геотермальный тепловой насос

Повсеместное внедрение энергосберегающих технологий, позволило многим потребителям отказаться от использования традиционных видов топлива в пользу альтернативных источников энергии. Сравнительно недавно, отечественные покупатели смогли убедиться в эффективности и экономичности тепловых насосов. А после появления СОР, преимущества систем, получающих тепло от воды, земли, воздуха, стали особенно очевидны.

Среди нетрадиционного отопительного оборудования, особого внимания заслуживает геотермальный тепловой насос. Имея простую конструкцию, теплонасос способен эффективно отапливать дом, практически любой площади.

ТН нагревает теплоноситель до температуры +65°С, чего более чем достаточно для отопления дома с помощью теплых полов и радиаторов. Дополнительным преимуществом является возможность получить горячую воду для бытовых нужд.

Что такое геотермальный насос

Геотермальные тепловые насосы отопления – это автономные станции, использующие низко потенциальную тепловую энергию земли и грунтовых вод, для обогрева дома. Теплонасосы, использующие энергию грунта, уже давно используются в странах ЕС, Америки и Азии.

Многолетняя практика применения геотермальных тепловых насосов для отопления домов, не только показала целесообразность дальнейшего применения станций, но и позволила увидеть и устранить определенные недостатки.

Теплоснабжение с применением геотермальных насосов основано на использовании низко потенциальной энергии. По сути, теплонасос, это тот же кондиционер, только работающий на нагрев. Есть и отличия. Конструкция ТН более приспособлена на обогрев, чем на охлаждение помещений.

В отличие от воздушных теплонасосов, необходимыми условиями для эффективной работы не является положительная температура окружающей среды. Коллектор, по которому происходит забор тепловой энергии, расположен ниже уровня промерзания грунта. Поэтому, допускается применение теплового насоса в северных широтах.

Наибольшей популярностью пользуются комбинированные системы солнечного отопления и геотермального насоса. Работая в связке, оборудование получает достаточно энергии, для комфортного обогрева дома и обеспечения нужд ГВС.

Как работает геотермальный насос

В принципе работы используют так называемые геотермальные процессы. Ниже уровня промерзания грунта, земля имеет постоянную плюсовую температуру. По мере углубления в грунтовую породу, температура постепенно увеличивается.

Принцип работы системы геотермального теплоснабжения с тепловыми насосами заключается в использовании и преобразовании полученной энергии для нагрева теплоносителя дома. Происходит это следующим образом:

Устанавливается геотермальный контур отбора, заполненный рассолом (пропиленгликолем).

Контур соединен с вертикальными геотермальными зондами, помещенными в скважины глубиной 60-100 м, либо горизонтальным коллектором, уложенным на глубине свыше 1 метра.

Рабочая жидкость в контуре циркулирует по замкнутому кругу между зондов и нагревается до 5-6°С, после чего подается в приемник теплового насоса.

Дальше ТН работает также, как и остальные модели, аккумулирующие тепло из окружающей среды. Насос имеет следующее устройство:

Замкнутый контур – по трубкам циркулирует фреон, переходящий из жидкого в газообразное состояние.

Испаритель – модуль, соединенный с приемником ТН. В емкости происходит испарение фреона, при этом поглощается тепло от разогретого пропиленгликоля.

Фреон, в газообразном состоянии, подается в компрессор насоса. Там создается давление, разогревающее газ до +65°С, и дальнейшее впрыскивание его в конденсатор.

Конденсатор – разогретый фреон опять преобразовывается в жидкость, но уже нагретую до высокой температуры. Через стенки конденсатора происходит теплообмен, посредством чего нагревается теплоноситель водяного отопления дома.

Геотермальный насос обеспечит комфортную температуру обогрева помещений +23 +25°С. Этого показателя более чем достаточно для отопления в зимнее время года.

Геотермальный насос устроен как источник тепла для низкотемпературных систем отопления. Хотя теплонасос можно подключать к радиаторным схемам, производители рекомендуют использовать для нагрева теплоносителя в теплых полах.

Принцип работы геотермального теплового насоса обеспечивает абсолютную безопасность использования оборудования. В летнее время года станция работает на охлаждение.

Насос типа земля-вода

Системы геотермального отопления и охлаждения полностью зависят от эффективности забора тепла из грунта «рассолом». Существует два варианта прокладки контура, обеспечивающих различные характеристики теплоэффективности:

Горизонтальный теплообменник – глубина заложения контура ниже промерзания земли, что не требует использования сложной буровой техники, тщательного планирования и изготовления проектной документации. Трубы закапывают на глубину от 1 м. Минусом данного решения является то, что длина петли геотермального контура должна быть очень большой.
К примеру, для отопления дома с площадью 220 м², потребуется расположить трубы на площади 600 м², поэтому, проведение работ возможно только при условии большой придомовой территории.

Вертикальный теплообменник – вариант установки теплового насоса с геотермальными зондами. Требует бурения специальных скважин, глубиной около 200 м и диаметром 150 мм, для расположения зондов. Преимуществом вертикального контура является стабильная высокая температура на глубине скважин +18°С. В качестве минусов можно выделить высокую стоимость работ.

Установка геотермального ТН требует проведения глобальных земляных работ, что ограничивает популярность систем отопления данного типа.

Насос типа вода-вода

Существует альтернативный вариант отопления дома геотермальной энергией, взятой из грунтовых вод. Работы также проводят двумя способами:

Теплообменник на дне водоема – одно из популярных решений. Не требует капитальных затрат и проведения масштабных земляных работ. Трубы укладывают на дно, рядом расположенного озера или пруда, а при условии получения соответствующего разрешения, речки. Минимальным требованием для установки является расположение водоема не более 100 м от отапливаемого помещения, глубина не менее 3 м.

Использование артезианской скважины – принцип работы основан на том, что воду прямо качают из скважины, прогоняя через тепловой насос. Такое решение требует изготовления второй скважины, для сброса воды и поддержания равновесия, для предотвращения изменения давления в пластах.

Как подобрать геотермальный насос

Главным требованием при геотермальном отоплении с использованием теплового насоса, является определение соответствия условий для установки станции. Не в каждом доме удастся установить ГН. Ограничения применимости в основном связаны с рельефом, глубиной пролегания грунтовых вод, общей площади приусадебного хозяйства, наличием расположенного рядом со зданием водоема и т.д.

Предварительные расчеты и проектную документацию составляет специалист компании, продающей отопительное оборудование. При выборе подходящей модели, обращают внимание на следующие параметры:

СОР – под сокращением, принятым во многих странах мира, скрывается соотношение, указывающее на рентабельность установки, а точнее производительность насоса по отношению к затраченному электричеству. Так, СОР 3 означает, что на каждый 1кВт электроэнергии, необходимой для поддержания работы устройства, будет произведено 3 кВт тепловой энергии.

Укладка геотермального контура – производительность прямо влияет на общую площадь уложенного в грунт трубопровода. Для предварительных расчетов, будет достаточно умножить общую отапливаемую площадь на 3. Полученный результат укажет на то, какие размеры участка будут необходимы для укладки контура.

Функциональные возможности. Дом, оборудованный геотермальным тепловым насосом, отапливается зимой, и при условии приобретения дополнительного оборудования, охлаждается летом. Чтобы это стало возможным, дополнительно устанавливаются сплит системы.

КПД геотермального насоса намного выше, чем у любого другого отопительного оборудования. Своевременные модели имеют коэффициент СОР равный пяти. Для сравнения, электрокотел вырабатывает на каждый 1 кВт, 0.09-0.99 кВт тепловой энергии.

Как рассчитать мощность ГН

ГН выдает температуру теплоносителя равную 65°С, при максимальной нагрузке. Оптимальными считаются параметры, находящиеся в пределах 45-50°С. ТН подключается к низкотемпературным системам отопления. Коэффициент мощности и другие параметры, рассчитываются с учетом особенностей эксплуатации:

Мощность теплонасоса – на 1 квадратный метр, понадобится тепловая мощность, равная 0,7 кВт. Для обогрева частного дома в 200 м², выбирают установку с производительностью 14 кВт.

Расчет геотермального контура – при вычислениях принимают во внимание влажность и тип грунта, а также средний уровень точки промерзания. В среднем, для получения 1кВт тепловой энергии, потребуется 40-60 метров водяного контура, уложенного в грунт.

Расходы электроэнергии – геотермальный насос работает за счет электричества, необходимого для создания принудительной циркуляции теплоносителя в первичном водяном контуре, а также нагнетания давления фреона в компрессоре. Чем выше СОР, тем меньше будут затраты электроэнергии и выше окупаемость теплонасоса.

Производители геотермальных насосов

При выборе отопительной геотермальной техники, немаловажную роль играет подбор производителя. Если учитывать качество и надежность оборудования, то лучшие тепловые насосы выпускают немецкие производители.

Стабильно хорошие отзывы заслуживают модели, предлагаемые следующими производителями:

Viessmann – продукция компании отличается высокой производительностью. В частности, насосы Vitocal 300-G/-W Pro способны развивать мощность до 290 кВт. Максимальный нагрев теплоносителя 60°С. Станции Viessmann укомплектовываются интегрированными накопительными емкостями, для обеспечения нужд ГВС, различной вместимостью.

Buderus – в отличие от предыдущего производителя, компания делает акцент на бытовых приборах отопления, мощностью до 60 кВт. Подача теплоносителя с температурой 65°С. Шум от геотермального насоса Buderus всего 40 дБ, благодаря специально сконструированной изоляции. Можно спокойно эксплуатировать теплонасос непосредственно в доме, рядом с жилыми помещениями.

Vaillant – компания предлагает все типы геотермальных насосов. Отдельно разработаны серии для укладки водяного коллектора на дно водоема, использования геотермальных зондов и укладки контура ниже точки промерзания. Теплоноситель на выходе прогревается до 60°С. Максимальная производительность 46 кВт. Недостатком продукции компании Vaillant является скромный выбор ГН, что, впрочем, компенсируется высоким качеством продукции.

Stiebel Eltron – продукция компании предназначена для частичной и полной компенсации потребностей жилых помещений в тепле. Все модели интегрируются в систему вентиляции и в летнее время года работают на охлаждение. Максимальная производительность ГН Stiebel Eltron 98 кВт.

Ассортимент выпускаемой продукции огромен. При выборе лучше ориентироваться на мнение специалиста.

Стоимость геотермального оборудования и монтажа

Чтобы подсчитать, во сколько обойдется приобретение и установка геотермальной отопительной системы, учитывают следующие четыре фактора:

Приобретение станции – себестоимость ГН зависит от производителя и мощности модуля. Средняя стоимость варьируется от 80 до 1200 тыс. руб. и выше. Дороже всего обойдется оборудование немецких производителей, но переплаты в данном случае оправданы, по причине высокого качества и надежности.

Обустройство участка геотермальных полей или земляные работы – дешевле всего обходится горизонтальный геотермальный контур теплового насоса. При желании, можно самостоятельно вырыть траншеи, по предварительно подготовленному проекту, что уменьшит стоимость работ практически вдвое.

Монтаж геотермального насоса – прокладка трубопровода и подключение его к емкости с испарителем, правильно выполнит только квалифицированный специалист. На монтажных работах лучше не экономить и предоставить профессионалам выполнение работ.

Преимущества и недостатки геотермальных отопительных насосов

Отзывы о геотермальных насосах теплоснабжения и реальный опыт эксплуатации, помогают выявить сильные и слабые стороны оборудования. К недостаткам геотермального насоса можно отнести:

Высокие нормативные требования к геотермальным тепловым насосам, а точнее прилегающей территории. Станция не может быть установлена в любой местности. Первоначально потребуется провести геологическую разведку, и определить, будет ли целесообразно использовать ГН или лучше выбрать другой источник тепловой энергии.

Стоимость – не каждый хозяин частного дома, в состоянии выложить за приобретение и установку насосного оборудования порядка 350-500 тыс. руб. Некоторые банки предлагают льготное кредитование на приобретение оборудования, также можно воспользоваться государственной помощью (если она предусмотрена).

Изменения в геотермальном контуре в первый год эксплуатации – уложенные трубы проседают, что приводит к уменьшению скорости циркуляции пропиленгликоля. В результате, снижаются показатели теплоотдачи и характеристики СОР. Поэтому, через год эксплуатации проводится аудит первичного водяного контура, что часто неудобно и приводит к дополнительным расходам на облагораживание территории.

Вот практически и все недостатки геотермального насоса. Теплонасос, в противовес этому, обладает достоинствами, перевешивающими существующие минусы:

Экономичность – сравнение затрат на газ, твердое топливо и на электричество, расходуемые традиционными котлами отопления, покажет, что ГН является более выгодным. Причем, экономическая выгода настолько существенна, что позволяет окупить затраты на покупку и установку модуля уже через 4-5 лет.

Функциональность – существует возможность использования геотермального оборудования для отопления и кондиционирования помещений. Если учесть, что в летнее время года теплонасос будет продолжать работать как кондиционер и обеспечивать дополнительную экономию электроэнергии, становятся очевидным, целесообразность приобретения.

Длительный срок эксплуатации – сам теплонасос сможет проработать и 100 лет, но отдельные узлы потребуют ремонта уже через 30-50 лет. После проведения ремонтных работ, можно будет продолжить использовать оборудование в обычных условиях эксплуатации.

Геотермальные насосы в странах ЕС устанавливают не только в жилых помещениях. Некоторые крупные промышленные центры, отапливают с помощью тепла, отдаваемого грунтом или водой. Большой опыт эксплуатации показывает экономическую выгоду и целесообразность вложения средств в тепловые геотермальные установки.