Что такое тепловой насос грунт-вода

В так называемую «зеленую линию» отопительного оборудования входят станции, работающие на альтернативных видах топлива и использующие возобновляемые источники энергии. Производители выпускают солнечные коллекторы, различные виды теплонасосов. Источниками энергии для последних, становятся воздух, земля, водоемы и артезианские скважины.

Тепловой насос грунт-вода, является одним из самых востребованных видов оборудования, предназначенного для отопления частных и промышленных объектов.

Устройство и принцип работы грунтового теплового насоса

Грунтовые тепловые насосы используют низко потенциальную тепловую энергию земли, для получения тепла, достаточного для отопления дома. Принцип работы заключается в совместном применении первичного и вторичного контура.

Благодаря слаженной работе всей установки, грунтовые тепловые насосы для отопления дома, выполняют функции обогрева, охлаждения и обеспечения потребности в ГВС.

Первичный контур работает следующим образом:

• Земля, ниже точки промерзания, сохраняет стабильную положительную температуру. Начиная с 30 м, нагрев грунта увеличатся до 18°С. Причем, на стабильность температуры не влияют природные факторы и время года.

• Чтобы извлечь тепло, используют грунтовый коллектор теплового насоса или первичный контур отопления. Трубы укладывают на 30-50 см ниже точки промерзания. Внутри труб, по замкнутому кругу, циркулирует солевой раствор или пропиленгликоль. Жидкость нагревается до 8°С, после чего направляется в теплонасос. Такой температуры гликоля более чем достаточно для нагрева теплоносителя.

• В корпусе насоса установлен испаритель, который отбирает низко потенциальную энергию и преобразовывает ее в тепло, достаточное для обогрева дома и нагрева горячей воды.

После того как тепловая энергия поступила на приемник насоса, функции первичного контура заканчиваются и в работу вступает теплообменник станции. Выполняется преобразование тепловой энергии из грунтового контура.

Дальнейший принцип работы напоминает тот, что используют холодильники или кондиционеры, только вместо охлаждения, устройство работает на нагрев:

• В корпусе теплового насоса земля-вода, находится еще одна замкнутая система трубопровода, по которому циркулирует фреон – газ, легко преобразовывающийся из газообразного в жидкое состояние и наоборот.

• В испарителе происходит преобразование фреона в газ. При этом, поглощается большое количество тепловой энергии, доставленной от земли первичным контуром.

• Газ поступает в компрессор, происходит увеличение давления хладагента, при этом его температура существенно вырастает. Под давлением, фреон поступает в следующую камеру – конденсатор.

• Главной функцией конденсатора является обеспечение достаточных условий для обратного преобразования фреона в жидкость. Происходит процесс направленного конденсатообразования. Через стенки аккумулируется полученное тепло и передается водяному контуру отопления дома. В результате расширения хладагента, выделяется дополнительное количество тепла, достаточного, чтобы нагреть теплоноситель до 60-65°С.
• Проходя через расширительный клапан, фреон окончательно охлаждается и преобразовывается в жидкое состояние, после чего возвращается в испаритель.

• Процесс передачи тепла выполняется посредством косвенного нагрева. Используется емкость, внутри которой размещен конденсатор. Тепло поступает через стенки блока, в результате чего нагревается жидкость внутри накопителя. Емкость подключена к системе отопления и ГВС.

Расчет и выбор теплового насоса земля-вода

Чтобы применение тепловых насосов с использованием теплоты грунта было эффективным, необходимо произвести грамотные расчеты и подобрать оборудование, максимально подходящее в каждом отдельном случае.

Перед принятием решения потребуется определить следующее:

1. Будет ли станция использоваться как основной или дополнительный источник тепла.
2. Какие функции, помимо нагрева теплоносителя, должен выполнять тепловой насос.

Производительность станции напрямую влияет на оптимальную длину трубы земляного контура.

При предварительных расчетах, протяженность трубы и необходимые размеры участка, достаточного для размещения коллектора, высчитывают, просто умножая отапливаемую площадь дома на 2. Следовательно, чтобы уложить горизонтальный контур для здания на 200 м², потребуется придомовая территория, равная 400 м² (существуют варианты вертикального и наклонного расположения, позволяющие расположить коллектор на меньшей площади).

Если размеры и другие параметры участка позволяют уложить контур отбора тепла от грунта, переходят к выбору отопительной станции:

• В расчет принимают мощность равную 0,7 кВт на каждые 10 м².
• Для дома на 200 м², потребуется установка с производительностью не менее 14 кВт. Если планируется использовать насос для нагрева воды ГВС, к полученному результату добавляют еще порядка 20% запаса.

Основы монтажа теплонасоса земля-вода

Альтернативное отопление загородного дома на основе грунтового теплонасоса требует грамотного планирования, изготовления проектной документации, получения необходимых разрешений и проведения геодезических изысканий на участке. Только при выполнении всех этих требований, добиваются максимальной теплоотдачи системы.

Монтажные работы и установку теплового насоса типа грунт – вода, осуществляют в следующем порядке:

• Подготовительные работы и согласования – определяется тип грунта, анализируется площадь участка, подбираются варианты укладки труб, максимально соответствующие параметрам. Дополнительно получают все необходимые документы и проводят согласования с государственными учреждениями.
• Устанавливают насос, подключают электричество, устанавливают автоматы. Проверяют работоспособность установки. Подводят контур системы отопления дома.
• Укладывают водяной коллектор в грунт.
• Проверяют рабочие параметры.
• Сдают объект хозяевам дома.

Требования к помещению под теплонасос

Насосы, берущие тепло из слоев грунта, абсолютно безопасны. Каких-либо специфических требований, относительно помещений, используемых под котельную, не существует. Практика показала, что целесообразней устанавливать станции в котельных, соответствующих следующим требованиям:

• Площадь – помимо самого насоса, в помещении монтируют накопительную емкость. Размеры котельной должны позволить разместить все оборудования и обеспечить беспрепятственный доступ для обслуживания.
• Электрика – теплообмен между грунтом и грунтовым теплообменником происходит за счет работы энергозависимого оборудования. Подключение выполняется в согласии с действующими правилами. Автоматы устанавливают снаружи помещения. Обязательно подключение УЗО и заземления.
• Освещение – рекомендуется, чтобы в помещении было естественное и принудительное освещение.
• Звукоизоляция – большинство теплонасосов, во время работы издает шум около 40 дБ. Подобная интенсивность шумовых помех возникает при работе холодильника, кондиционера или принудительной вентиляции. По этой причине, дополнительная шумоизоляция не требуется, но комната под котельную должна закрываться дверью.

Основные требования к помещениям связаны с безопасным использованием электричества и созданием необходимых условий для простого обслуживания станции.

Какую трубу использовать для теплового насоса в землю

КПД теплонасосов с контуром в земле, во многом зависит от правильного выбора трубы для водяного контура. Коллектор, уложенный в землю, должен обеспечивать беспрепятственный теплообмен. Не лишним будет обратить внимание на стоимость трубы, так как при монтаже потребуется уложить большое количество материала.

Чаще всего для изготовления земляного коллектора используют виды труб, из следующих материалов:

Медь – медный земляной контур отличается высокой теплопроводимостью, что обеспечивает максимальный КПД насоса. Срок службы трубы не менее 100 лет. Материал устойчив к коррозии и воздействию рассола для грунтового контура. Широкого распространения медные системы не получили по причине высокой стоимости. Так, для отопления дома в дома в 200 м², для грунтового коллектора потребуется уложить около 400 погонных метров медной трубы. Приемлемый вариант для небольших станций.
Проведение монтажа выполняется методом пайки. В качестве альтернативы можно использовать стальные трубы. Полиэтиленовые трубы – имеют меньшую теплоотдачу, но стоят дешевле, отличаются прочностью и надежностью. Популярность труб из сшитого полиэтилена обеспечивает срок эксплуатации, достигающий 50 лет, а также простота укладки и проведения монтажных работ.

При выборе материала, рекомендуется прислушиваться к мнению проектно-монтажной организации, выполняющей установку и расчет земляного коллектора.

Организация укладки контура в грунт

Все монтажные работы по укладке коллектора в грунт выполняются исключительно после проведения предварительных расчетов и изготовления проекта. При этом учитываются следующие параметры:

• Глубина укладки – промерзание грунта при использовании теплонасоса несколько снижается, но все же присутствует. Минимальное расстояние контура от поверхности составляет 1,5-2 м.
• Шаг между трубами – минимальное расстояние между проложенными трубами 1 м. Допускается сокращение шага до 0,7 м при высокой теплоотдаче грунта (известняк и гранит). Расстояние между траншеями при укладке горизонтальных зондов нельзя сокращать по причине снижения показателей теплоотдачи.
• Способы укладки земляного коллектора – на выбор влияют общая площадь участка, близкое расположение термальных источников, производительность системы.

• Тип почвы – наибольшая тепловая емкость у каменистого грунта, песка, в районе пролегания поверхностных грунтовых вод. Наименьшие параметры у песчаной почвы, расположенной вдалеке от водоемов.

Глубина укладки земляного горизонтального контура зависит от выбранного способа прокладки труб. Тип разводки контура влияет на эффективность системы отопления. Существует три основных типа укладки:

• Горизонтальный – трубопровода размещают близко к поверхности земли. Такое решение имеет относительно небольшие параметры производительности, находящиеся в пределах 30-40 Вт на каждый погонный метр контура.
  Глубина прокладки труб внешнего горизонтального коллектора зависит от средней точки промерзания грунта в регионе. Трубопровод углубляют ниже на 0,3-0,5 м, в результате точка залегания труб 1,3-2 м.
  Недостатком данного решения является то, что для использования низкопотенциальной тепловой энергии земли потребуется сделать коллектор, занимающий огромную площадь, что не всегда возможно. Требуются глобальные земляные работы по устройству наружного зонда. Сажать деревья по всей площади укладки коллектора запрещается.

• Вертикальный – принцип работы теплонасоса грунт-вода оптимально соответствует теплоотдаче, получаемой от вертикальных скважин. После достижения глубины свыше 30 м, земля нагревается и стабильно поддерживает температуру +18°С. Трубы коллектора располагают вертикально. Максимальная глубина скважины 150 м.
  Грунтовый насос работает как кондиционер, только при условии обращения процесса охлаждения в обратную сторону. Соответственно, чем больше тепловой энергии, полученной из грунта будет поглощено, тем эффективней работает станция. Вертикальное расположение скважин обеспечивает нужным теплом и сокращает (по сравнению с горизонтальной установкой) необходимую площадь.
  Минусом решения является необходимость в использовании специального бурового оборудования и установок. При расчетах учитывают, что в глубоких скважинах (более 30 м) происходит ежегодное изменение температуры грунта при использовании теплового насоса грунт-вода. Со временем теплоотдача стабилизируется.
• Наклонный – даже простой расчёт геоконтура теплового насоса покажет, что данное решения является наиболее правильным. Занимаемая под установку площадь участка не более 4 м², допускается бурение даже в подвале своего дома.
  Для начала изготавливается шахта, которую опускают на глубину 4 м. Дальше, в разные стороны бурят скважины, расположенные под углом. В подземных коллекторах закладывают трубы, соединенные с теплоприемником в доме.
  Чтобы избежать промерзания грунта от контура, пустоты между трубами и землей заполняют специальным строительным раствором с хорошей теплопроводностью.

После монтажа, первичный водяной контур заполняют незамерзающей жидкостью для коллектора – рассолом. Состав должен иметь следующие характеристики:

1. Иметь хорошие параметры теплоотдачи.
2. Не замерзать при температуре -50°С.
3. Сохранять текучесть после нескольких циклов нагрев/охлаждение.

В качестве рассола обычно используется пропиленгликоль. Продукт, имеющий оптимальные показатели вязкости и рабочие показатели, позволяющие сохранять параметры при температуре от +12 до -50°С. Рассольно-водяной тепловой насос может работать и на других типах жидкости. Тип рассола указан в технической документации к теплонасосу.

После заполнения, проверяется наличие повреждений земляного контура. Если присутствует течь, участок заменяется, дефекты устраняются.

Вопросы и ответы о теплонасосах земля-вода

В странах ЕС, системы получили широкое распространение и эксплуатируются уже более 30 лет. Для отечественного потребителя, использование теплоты грунта в качестве низкопотенциального источника энергии для теплового насоса, является относительно новым методом отопления. Не удивительно, что, судя по отзывам консультантов компаний, продающих станции, покупатели все снова и снова задают одни и те же вопросы. В частности, следующие:

• Если дом отапливается за счет тепла земли, будет ли эффективным использование теплонасоса зимой?
• Стоит ли отказаться от привычного природного газа в пользу альтернативного отопления.
• Во сколько обойдется приобретение и установка станции.

Чтобы сократить время, необходимое на расспросы, ниже приводятся подробные ответы на эти и другие волнующие потребителей вопросы.

Можно ли отопить дом грунтовым насосом зимой?

Оптимальная температура грунта, достаточная для беспрерывной работы насоса 6-8°С. Таким параметрам соответствует нагрев земли, в 1,5-2 м от поверхности. Если правильно расположить контур, с соблюдением минимального шага, выхолаживание грунта не происходит. Устройство земляного коллектора позволит отапливать помещение круглый год в умеренных широтах и даже на Севере.Грунтовые тепловые насосы с закрытым циклом, преобразовывают низко потенциальную тепловую энергию, нагревая с ее помощью теплоноситель и воду для ГВС до температуры 60-65°С. Отапливать помещение лучше посредством теплых полов. В остальном, производительности насоса будет достаточно для обогрева.

Чем эффективнее обогревать дом – газом или грунтовым насосом?

Мировой уровень использования низкопотенциальной тепловой энергии земли неуклонно растет. Некоторые страны ЕС почти полностью отказались от использования газа, в пользу альтернативных видов энергии. В Германии, широко используются электростанции, работающие на тепле, получаемом от гниения отходов (используется такой же принцип работы, как и в насосах, земля – вода).

Газовое оборудование имеет определенные преимущества:

• Стабильная производительность – существует влияние температуры грунта на мощность теплового насоса. Котел, работающий на газе, выдает указанную тепловую энергию, независимо от времени года.
• Стоимость подключения – оформление документов на газовый котел и подключение, в среднем обойдется в 1.5-2 тыс. $. Установка аналогичного теплового насоса стоит приблизительно 6000$.
• На этом преимущества газового оборудования заканчиваются. Стоит отметить, что тепловой насос, даже по сравнению с экономичным котлом на газе, требует меньше расходов на энергоносители. Полная окупаемость затрат достигается уже спустя 6-8 лет, после этого станция начинает работать в плюс.

Современные тепловые насосы имеют коэффициент СОР, равный 5, что соответствует выработке 5 кВт тепла на каждый киловатт потраченной электроэнергии. Опыт эксплуатации теплонасоса земля-вода доказывает, что им можно с успехом заменить традиционные газовые котлы.

Сколько стоит оборудование с установкой под ключ?

Полностью подсчитать затраты, необходимые на приобретение и установку теплового насоса, можно только после проведения осмотра участка и получения представителями компании общего представления о технических характеристиках участка и дома. На сайте расположен калькулятор, позволяющий сделать предварительные подсчеты. На стоимость установки влияет:

• Себестоимость теплонасоса – станции, в зависимости от модели, производителя и мощности, в среднем обойдутся от 200 до 1200 тыс. руб. и выше.
• Длина контура – приблизительный расчет длины горизонтального грунтового теплообменника можно выполнить, умножив площадь отапливаемых помещений на 2. На стоимость работ влияет тип и материал коллектора.

Несмотря на необходимость в первоначальных затратах, использование тепловой энергии грунта с помощью геозондов, полностью экономически оправдано. Вложения окупаются за счет экономичности системы и долгому сроку эксплуатации, составляющему 50-70 лет.