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.