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.

Принцип работы земляного теплового насоса. Виды коллектора

Альтернативные источники энергии в наше время достаточно актуальны. Установка тепловых насосов частое явление сегодня, так как тарифы на газ и электроэнергию стали достаточно большими и люди стараются сократить свои растраты. Земляной тепловой насос (рис. 1) – это устройство, которое берет тепловую энергию из грунта и передает ее воде в системе отопления.

Следует отметить, что грунт является хорошим источником тепла, которое не иссекается, так как грунт вбирает солнечную энергию и тепло недр. Земля сохраняет стабильную температуру не зависимо от времени года и погодных условий. Например, на глубине 4 — 5 метров температурный режим может быть уже от 80С и до 120С.

Рис. 1 Схема работы насоса грунт-вода

Конструкция и принцип работы теплового насоса

Конструкция системы с тепловым насосом земля-вода:

• Земляной зонд или коллектор;
• Теплообменник, который транспортирует тепловую энергию к внутреннему контуру;
• Компрессор;
• Теплообменник, который передает тепловую энергию в систему отопления;
• Система отопления и горячего водоснабжения внутри дома.

Система грунтового теплового насоса имеет в своей схеме 3 контура. Внешний контур находится в земле, собирая там тепловую энергию. Второй контур – это сам тепловой насос, теплоноситель попадает в испаритель, где температура поднимается. А третий контур – это уже непосредственно система отопления в доме, в которой циркулирует вода.

За 1 час циркулирует 2-3 м3 теплоносителя. Этот теплоноситель нагревается в земле на 5-70С. Земляной зонд теплового насоса грунт вода, то есть теплообменник, который закопан на определенную глубину, собирает тепловую энергию. И с помощью теплоносителя эта энергия переносится в тепловой насос, а именно в испаритель. Теплоносителем может быть антифриз или смесь воды и пропиленгликоля или этиленгликоля. Часто в системе циркулирует фреон (хладагент) в жидком состоянии, который в испарителе сжимается и превращается в газ. Особенностью фреона является то, что он закипает при низкой температуре. Когда он закипает, то расширяется и пары, которые образуются, попадают в конденсатор.

Далее это тепло попадает к другому теплообменнику, в котором циркулирует уже вода для системы отопления дома. После того как фреон остыл, он обратно преобразуется в жидкое состояние, и циркулирует в грунтовой теплообменник. Процесс начинается заново.

Внешний теплообменник устройства грунт вода выглядит как полиетиленовая тонкостенная труба, ее диаметр может быть 4 см. Приблизительный расчет длины змеевика, который закапывается, такой: 5 погонных метров трубы соответствует 1 м2 площади дома. Можно сделать вывод, что если площадь дома 150 м2, то длина змеевика должна быть 750 метров погонных.

Важно соблюдать все дистанции. Например, нужно укладывать теплообменник на 3 метра от дома или других построек. Глубина, на которую ложится труба, не должна быть меньше 1,4 м.

Виды коллектора грунт вода

Коллектор грунтового теплового насоса может быть двух видов (рис. 2):

• Вертикальный;
• Горизонтальный.

Рис. 2 Виды коллекторов для грунтовых насосов: вертикальный и
горизонтальный

Вертикальный коллектор – это длинный трубопровод, опущенный в скважину длина, которой составляет от 40 до 150 м. Этот вид теплообменника лучше горизонтальных тем, что на такой глубине температура больше. Если скважина очень глубокая то теплообменник оснащается еще защитной обсадной трубой, а если глубина сравнительно не большая, то это не обязательно. Но значительным недостатком такого способа размещения коллектора является высокая стоимость такой скважины.

Конечно, специалисты рекомендуют бурить скважину глубже. Но если техника или почва не позволяют, то можно сделать несколько скважин. Например, можно сделать одну скважину глубиной 80 м, а можно 4 скважины по 20 м. Главное чтобы суммарный результат получился достаточным для отопления дома. Может быть каменистая почва, с которой достаточно тяжело работать, в ней можно пробурить скважины не более 15-20 метров.

Горизонтальный коллектор (рис. 3) – этот вид грунтового коллектора для насоса грунт вода выглядит как трубопровод, который выложен в горизонтальном положении на определенную глубину, под слоем земли. Этот коллектор легко устанавливается.

Рис. 3 Внешний контур насоса грунт-вода

Площадь, на которую устанавливается коллектор земляного теплового насоса достаточно большая в отличие от вертикального варианта, на который нужен небольшой кусочек земли. Как правило, горизонтальный теплообменник занимает от 25 до 50 м2, а может и больше, смотря какая отапливаемая площадь. Негативным фактором этого варианта является то, что территория с этим коллектором может использоваться только под газон.

Зависимо от различных обстоятельств теплообменник может укладываться зигзагом, петлями, змейкой и т.д. Очень важно, какая теплопроводность у грунта, в который устанавливается теплообменник. Это зависит от качества земли, например, если почва влажная, то теплопроводность больше, а если почва песчаная, то теплопроводность маленькая. Если есть много петель в теплообменнике, то в комплектации обязательно должен быть циркуляционный насос.

Преимущества и недостатки насосов грунт вода

Тепловой насос грунт-вода имеют такие преимущества:

• Автономность установки. Насос грунт вода не зависит от энергоносителей, для потребления этой тепловой энергии не нужны никакие разрешения и проекты.
• Экологичность. Тепловые насосы это установки, от которых нет вредных выбросов в атмосферу, а также используется неиссякаемая энергия Земли.
• Безопасность. Это отопление безопасно, так как максимальная температура здесь достигает 600С, а значит оборудование пожаробезопасно и взрывоопасно.
• Универсальное оборудование. Грунтовой насос можно использовать совместно с газовым или другим котлом.
• Небольшие затраты при эксплуатации грунтового насоса. Установке грунт вода не нужно никакое дополнительное обслуживание.

Недостатки земляных тепловых насосов:

• Высокая стоимость. Сама по себе установка стоит достаточно дорого, а также, чтобы ее установить, нужны большие затраты. Работа спецтехники, установка теплообменника и т.д. это все дорогостоящие услуги. Это оборудование намного дороже котельного оборудования.
• Срок эксплуатации грунтового насоса становит около 25 лет. С такой стоимостью это не так уж и много. После этого срока, как правило, нужен либо ремонт, либо бурение другой скважины.

Отопление тепловым устройством грунт вода

Квалифицированные специалисты рекомендуют при установке земляного теплового насоса обустроить в доме систему теплых полов. Так как особенностью этого отопления является то, что нужно большие радиаторы, а это не слишком красиво. Поэтому можно обустроить теплые полы и дополнительно небольшие радиаторы.

Дом должен быть подготовленным, то есть полностью утепленным. Так как чем лучше утеплен дом, тем меньше будет тепловых потерь. Также следует отметить, что температура при работе теплового насоса типа грунт-вода не достигает такого уровня, как при отоплении котельным оборудованием, а значит нужно предпринять все меры, чтобы тепло не выходило.

Если на участке где устанавливается змеевик, проходит водопроводная труба, то беспокоиться не стоит, так как никакого воздействия на нее грунтовый теплообменник не будет оказывать.

Конечно, цельной трубы для земляного коллектора такой длины не найти, по этому они будут устанавливаться бухтами, и между собой соединяться специальными муфтам (рис. 4) и, как правило, бухты длинной 100-200 м.

Рис. 4 Соединение труб муфтами в земляном коллекторе

Тепловой насос земля-вода питается от электрической сети 220В или 380В. Так как циркуляционный насос работает только от электричества. Грунтовое тепловое устройство потребляет электрической энергии в 4-5 раз меньше, чем вырабатывает тепловой энергии. Экономия очевидна. То есть на 1 кВт электроэнергии приходится 4-5 кВт тепловой энергии.

Теплоноситель для теплового насоса

Фреон – это вещество, которое относится к искусственным синтезированным газам. Этот газ используется не только в работе грунтового устройства грунт вода, но также в конструкции холодильников и кондиционеров. Когда фреон нагревается до +30С, он начинает закипать и переходит в газообразное состояние. В компрессоре он сжимается до 26 атмосфер.

Рис. 5 Вход труб внешнего контура в дом

Именно под воздействием такого давления температура этих газов поднимается до +600С, а иногда и до +750С. Но когда происходит теплоотдача воде в системе отопления, то теряется от 10 до 150°. Отдав тепло, фреон остывает, показатель давления опускается до 4 атмосфер. Это так называемый эффект дросселирования. Далее происходит полное охлаждение до 00С, и фреон переходит опять в жидкое состояние.