Геотермальные тепловые насосы для отопления дома и принцип их действия

Изобретение энергосберегающих технологий позволяет потребителям отказываться от стандартных тепловых источников в пользу альтернативных. Тепловые насосы – оборудование, уже знакомое многим хозяевам загородных домов, а после определения параметров СОР, преимущества конструкций, добывающих тепло из природных ресурсов, стали более явными. Рассмотрим, что такое тепловой насос геотермальный, как работает оборудование и в чем его плюсы, минусы.

Что такое геотермальный насос

Конструкция прибора проста, но при этом оборудование может отапливать дома любой площади. Агрегат прогревает теплоноситель до +65 С, чего достаточно для поддержания комфортного режима теплых полов, радиаторов. Также ТН (тепловой насос) способен обеспечить дом бесперебойным поступлением горячей воды.

Геотермальный тепловой насос для отопления дома – автономная станция, использующая для обогрева дома тепловую энергию грунта, воды, которая определяется как низкопотенциальная. По своей конструктивной особенности оборудование похоже на сплит-систему (кондиционер), но только не охлаждающий, а нагревающий теплоноситель.

В отличие от ТН воздушного типа, которые теряют эффективность при понижении температуры воздуха от -15 С, геотермальный забирает энергию из земли, воды. В грунте коллектор располагается ниже точки замерзания, в воде тоже заглубляется до определенного уровня. Такие параметры работы позволяют применять оборудование в условиях северных широт.

Особое удобство обеспечивают комбинированные конструкции, где сочетаются коллекторы солнечного отопления и геотермальные насосы. Такая связка позволяет получить нужную энергию для поддержания работоспособности систем на должном уровне.

Как работает геотермальный насос?

Технология работы выстроена на применении геотермальных процессов. Ниже уровня замерзания грунтовых пород земля имеет стабильные показатели температуры, по мере заглубления температура повышается. Чтобы ТН работал нормально, его нужно установить на заранее рассчитанную глубину.

Алгоритм работы такой:

• монтируется контур отбора, который заполнен пропиленгликолем;
• контур соединяется с вертикальными зондами, заглубленными на 60-100 м или трубопроводом горизонтального типа монтажа, выложенным на расстоянии от поверхности грунта от 1 м;
• теплоноситель нагревается до +5 С..+6 С, затем подается в приемник ТН;
• дальше тепловой насос работает как все модели с аккумуляцией тепла из окружающей среды.

Конструктивно тепловой насос включает следующие элементы:

1. Испаритель. Это элемент, соединяемый с приемником. Нужен для испарения фреона, поглощения тепла от прогретого теплоносителя.
2. Фреон. Вещество, которое в состоянии газа транспортируется в компрессор ТН, где прогревается до +65 С под давлением, затем впрыскивается в конденсатор.
3. Конденсатор. В этом модуле прогретый фреон снова меняет состояние на жидкое, но уже прогретое до нужной температуры. Теплообмен осуществляется посредством стенок модуля конденсатора, от чего нагревается теплоноситель в домашней системе отопления.

Оборудование показано для обогрева помещений, поддержания температуры до +25 С. К тому же насос может быть источником тепла для систем отопления с низкотемпературными показателями, подключаться к теплым полам. Конструкция безопасна, удобна в использовании и летом может работать на охлаждение.

Определенные преимущества дает сочетание конструкции из солнечных батарей и ТН, из которых главное достоинство – автономность работы без зависимости от центрального электроснабжения. А если нет потребления магистрального тока, то снижаются и затраты на обслуживание дома.

Насос типа земля-вода

Система напрямую зависит от того, насколько эффективно отбирается тепло из грунта теплоносителем первого контура (пропиленгликолем).

Различается два типа установки контура, которые обладают собственными характеристиками теплоэффективности:

• Горизонтальное расположение теплообменника. Требует глубины закладки ниже точки промерзания земли. Это примерно от 1 м, потому не потребуется техника для бурения скважин, что удешевляет монтаж. Не нужно тщательное планирование, составление сложных схем, но есть минус – увеличенная длина петли контура. Например, для дома в 220 м2 потребуется выкладка контура на 6 сотках земли.
• Вертикальное расположение теплообменника. Этот земляной насос считается самым дорогим, так как под него нужно бурить скважины глубиной до 200 м и размером окружности до 15 см. Зато при таком типе выкладки неважен размер участка, поддерживается стабильно высокая температура – на данном уровне заглубления показатель термометра не опускается ниже +18 С.

Важно! При монтаже ТН земля-вода необходимо проведение большого объема земляных работ, что увеличивает итоговую сумму сметы.

Насос типа вода-вода

Это альтернативный вариант обустройства системы отопления, при котором тепловая энергия забирается из грунтовых вод.

Работы можно выполнить двумя способами:

1. Поместить теплообменник на дно водоема. Решение актуально для хозяев домов, рядом с которыми есть река, пруд. Для обустройства системы не придется производить значительные земляные работы, трубы контура выкладываются на дно. Важно лишь определение глубины водоема (не менее 3 м) и отдаленность от жилого объекта (не более 100 м).
2. Поместить теплообменник в артезианскую скважину. Тут принцип работы основан на выкачке жидкости из скважины и прогонке ее через ТН. Потребуется бурить 2 скважины, одна из которых будет заборной, а вторая – для сброса использованной жидкости.

Несмотря на некоторые сложности в обустройстве системы, величину затрат, следует знать, что окупается конструкция довольно быстро, а работает при правильной установке более 100 лет. Причем вложения финансов нужны разовые, обслуживание и поддержка системы не требует больших затрат.

Как подобрать геотермальный насос?

Основное требование – соответствие условий для монтажа ТН геотермального типа. Монтаж возможен не в каждом доме, ограничения касаются особенностей рельефа, глубины залегания водоносных слоев, площади надела, наличия водоема и прочих факторов. Составлением проектов, предварительными расчетами занимается мастер из компании, которая реализует оборудование.

Выбор модели осуществляется по следующим параметрам:

• СОР. Это международное сокращение, которое показывает уровень рентабельности монтажа теплового геотермального насоса, то есть производительность оборудования в отношении к затратам электроэнергии. СОР обозначает, что на каждый 1 кВт затраченной энергии будет произведено не менее 3 кВт тепловой энергии.
• Тип размещения, выкладки насоса. Этот показатель влияет на производительность и в расчет берется площадь участка, в грунт которого укладывается контур. Чтобы провести предварительные расчеты, нужно умножить общую площадь дома (отапливаемую) на 3. Итоговая цифра покажет нужные размеры надела.
• Функциональные возможности. Строение, оборудованное геотермальной системой тепла, получает зимой отопление, а в теплое время года охлаждается. Чтобы такое положение дел было возможным, нужен монтаж сплит-системы.

Важно! КПД ТН геотермального типа выше, чем у прочих отопительных систем. Современные модели предлагаются с коэффициентом СОР от 5 единиц, что выше популярных тепловых электрокотлов, вырабатывающих на 1 кВт всего 0,9-0,99 кВт тепловой энергии.

Как рассчитать мощность ГН?

При максимальной нагрузке система тепловых насосов выдает температуру теплоносителя +65 С. Но это самые высокие параметры, а оптимальными считаются показатели в пределах +45 С…+50 С, этого достаточно для подключения к системам низкотемпературного типа, например, к теплым полам.

Чтобы рассчитать коэффициент мощности и др. характеристики, следует принимать во внимание особенности эксплуатации оборудования:

1. Мощность. Для 1 м2 потребуется тепловая отдача в 0,7 кВт. Для отопления дома размером в 200 м2 нужна установка, производительность которой не ниже 14 кВт.
2. Чтобы рассчитать, сколько труб нужно для геотермального контура, берутся факторы влажности, типа грунта, заглубление уровня промерзания (средний показатель). В среднем для выработки 1 кВт теплоэнергии нужно 40-60 м водяного контура, заглубленного в грунт.
3. Затраты электроэнергии будут выше, если СОР маленький и наоборот – чем выше показатель СОР, тем меньше затраты электричества. Циркуляция теплоносителя осуществляется за счет принудительного перемещения в первичном водяном контуре, а также требуется нагнетание давления фреона в модуле компрессора, поэтому показатели СОР должны быть максимально высокими.

Сомневаясь в выборе того или иного типа установки, необходимо посоветоваться со специалистом. Учитывая приведенные параметры, мастер поможет подобрать оборудование, которое будет отвечать всем требованиям заказчика.

Производители геотермальных насосов

Внимание к бренду, марке иногда помогает определить лучший тип оборудования. В частности, самыми надежными считаются немецкие изготовители:

• Viessmann. Высокая производительность до 290 кВт, нагрев теплоносителя до +60 С, встроенные накопительные емкости – плюсы оборудования. Модель Vitocal 300-G/W Pro адаптирована под суровые климатические условия.
• Buderus. Это товарная линейка бытовых приборов отопления мощности до 60 кВт, прогревом теплоносителя до +65 С, шумовой эффект не более 40 дБ. То есть такие агрегаты можно размещать в самом доме.
• Vaillant. В линейке представлены все типы геотермальных насосов, есть серии для выкладки водяных коллекторов по дну водоемов, применения геотермальных зондов, монтажа контура ниже точки промерзания грунта. Прогрев теплоносителя до +60 С, производительность максимальная до 46 кВт. Недостаток в небольшом ассортименте оборудования, но зато качество заслуживает самой высокой оценки.
• Stebel Eltron. Это изделия частичного и полного обеспечения теплом жилых помещений. Удобство в простоте интеграции моделей в систему вентиляции летом. Производительность до 98 кВт, большой ассортимент заставит задуматься, поэтому лучше обратиться к профессионалу.

Стоимость геотермального оборудования и монтажа

Для расчета итоговой суммы сметы берутся показатели:

1. Покупка оборудования. Цена зависит от мощности модуля, производителя и составляет 1067-1600$. Дороже всего оценивается продукция немецких компаний, но тут играет роль качество, надежность и длительность срока эксплуатации.
2. Формирование участка или земляные работы. Недорого обойдется горизонтальная выкладка контура, причем можно вырыть траншеи своими силами, сократив расходы почти в 2 раза.
3. Монтаж ТН геотермального типа. Выкладку труб, подключение – все работы лучше доверить профессионалу, тут экономить нельзя.

На заметку! Почти все компании, реализующие оборудование, предлагают установку «под ключ». Цена услуги для объекта площади в 80 м2 от 4700$, для дома площади в 220 м2 от 10000$.

Преимущества и недостатки геотермальных отопительных насосов

Следует начать с отрицательных сторон:

• Высокие требования к нормативным параметрам прилегающих территорий. Станцию нельзя установить в любой точке, сначала требуется проведение геологической разведки, определение целесообразности использования оборудования.
• Высокая цена. Разовые вложения превышают возможности многих хозяев. Есть вариант воспользоваться государственной помощью, но она выдается только определенной группе льготников.
• Перемены положения контура в первый год использования. Трубы проседают, снижается скорость циркуляции пропиленгликоля, что приводит к уменьшению показателей теплоотдачи, СОР.

Важно! После истечения первого года пользования система требует профилактической проверки. Аудит проводится силами специалистов, недочеты устраняются. В этом плюс работы профессионалов – все компании дают гарантию на свои работы, и дефекты уберут бесплатно или за минимальную оплату.

Достоинства оборудования:

1. Экономичность. Не требуется запасаться твердым топливом, подводить газовую магистраль. Потребление электроэнергии минимальное. Затраты могут окупиться уже через 5 лет.
2. Функциональность. Вся система работает на обогрев зимой и кондиционирование летом. Это удобно и не придется обустраивать еще одну систему.
3. Длительный срок службы. Сам насос работает 100 лет, но некоторые узловые детали меняются раз в 30-50 лет, что намного реже, чем любое другое оборудование.

Следует знать, что в европейских странах геотермальные насосы применяются для получения тепла не только для жилых домов, но и производственных, промышленных предприятий. Экономическая выгода становится более явной, если учесть длительность срока службы, а также минимальные расходы на обслуживание и ремонт системы – последнее практически исключено, так как все узлы надежно заглублены в грунт или воду и не подвергаются механическим воздействиям.