Геотермальний тепловий насос: будова, принцип роботи, переваги та недоліки

Сучасні системи опалення і водопостачання, які отримують теплову енергію від альтернативних джерел – нове слово в енергетиці та відмінний спосіб економії коштів на забезпеченні оптимальних побутових умов у будинку. Отримання теплової енергії землі стало можливим з винайденням геотермальних теплових насосів – пристроїв, які відбирають тепло з ґрунту.<

На глибині 2 метри і нижче ґрунт має сталу температура 8-10 градусів за Цельсієм у будь-яку пору року. Саме це тепло і використовує геотермальний насос для обігріву будинку взимку та охолодження в літню спеку.

Теплові насоси: принцип дії

Температурного показника в межах 10 градусів недостатньо для обігріву приміщень взимку. Геотермальному насосу необхідно підвищити температуру теплоносія до 40-60 градусів, щоб забезпечити теплопотреби системи опалення будинку.

Енергія землі
Закопали в землю 880 метрів труб і економимо 45 тисяч гривень щорічно
Опубликовано Теплосфера Понедельник, 24 июня 2019 г.

Принцип роботи обладнання базується на зворотному термодинамічному циклі або циклі Карно. Ґрунт є джерелом низькопотенційного тепла. Система джерела тепла відбирає його та, використовуючи електричну енергію, передає до теплового насоса, де і відбувається нагрівання до потрібного показника. В середньому 1 кВт витраченої електроенергії дає до 6 кВт теплової.

Відбувається це тому, що:

• Теплова енергія завжди присутня у землі: навіть при температурі нижче нуля аж до показника -273 градуси (абсолютний нуль за шкалою Кельвіна.
• В системах з тепловим насосом використовують холодоагент, який закипає за низьких температурних показників. Найчастіше це фреон. Поглинання тепла відбувається саме завдяки тому, що холодоагент може змінювати агрегатний стан: переходити з рідкого в газоподібний і навпаки.

За другим законом термодинаміки тіло з високою температурою передає тепло тілу з низькою. В системі з тепловим насосом цей закон працює так: теплоносій із зонду, розміщеного в землі забирає низькопотенційну теплову енергію навколишнього середовища, піднімається і передає її охолодженому холодоагенту, а він у ході роботи теплового насосу нагрівається до встановленої температури і передає тепло в систему опалення.

Поетапна робота та будова геотермального теплового насоса

Тепловий насос складається із компресора, розширювального клапана (дроселя), випаровувача, конденсатора.

1. У випаровувач холодоагент потрапляє через дросель. В момент проходження через розширювальний клапан тиск и температура холодоагента знижуються, тому у випаровувач він потрапляє у рідкому стані.
2. Теплоносій (вода або розсіл) відбирає тепло з ґрунту, нагрівається і віддає теплову енергію холодоагенту, що міститься у випаровувачі геотермального теплового насоса.
3. Із випаровувача холодоагент потрапляє в компресор у вигляді газу. Там відбувається зростання тиску, що спричиняє підвищення температури, і направляється у конденсатор.
4. В конденсаторі нагрітий холодоагент передає тепло воді у системі опалення, поступово охолоджується, переходить із газоподібного стану в рідкий і знову проходить через дросель.
5. Цикл повторюється до отримання необхідної температури в приміщенні. Потім терморегулятор розмикає електричне коло і компресор припиняє роботу. За зниження температури в опалювальному контурі компресор знову запускається.

Влітку геотермальний насос може виконувати функцію кондиціонера – охолоджувати температуру в приміщенні за допомогою чотирьох ходового клапана. У цьому випадку принцип його роботи буде такий же, як у побутового холодильника: забирати тепло із приміщення і віддавати його в навколишнє середовище.

Як влаштована система «Ґрунт-Вода»

Система з геотермальним тепловим насосом використовує тепло землі для нагрівання теплоносія. Вона відрізняється за видом теплозабірної частини системи:

• Вертикальні зонди – поліетиленові труби U-подібної форми розміщуються вертикально в свердловині на необхідну глибину, де температура є оптимальною для нагріву теплоносія. Найбільш затратним у встановленні є буріння свердловини.
• Горизонтальний ґрунтовий колектор – змійовик із труб, розміщений на глибині близько метра – нижче рівня промерзання землі. Монтаж ґрунтового колектора менш затратний, але потребує значної площі земельної ділянки.
• Спіральний колектор – це поєднання вертикальної свердловини і ґрунтового колектора: в неглибокі свердловини встановлюються спіралі з тонких труб. Такий тип забору тепла доцільний, якщо земельна ділянка невелика, а геологічні особливості стають на заваді бурінню на велику глибину.

Система джерела тепла відбирає теплову енергію ґрунту і передає її на тепловий насос. В тепловому насосі холодоагент відбирає тепло, під дією тиску в компресорі нагрівається і віддає теплову енергію в контур системи опалення.

Система «Грунт-Вода» відбирає теплову енергію з, яку постійно акумулює земля та передає її воді – теплоносієві опалювальної системи. Однак геотермальне обладнання може працювати й з іншими теплоносіями.

Геотермальний тепловий насос «Грунт-Повітря»

Будова теплозбірної частини у цьому виді теплових насосів така ж, як і в попередньому: вертикальні зонди, горизонтальний ґрунтовий колектор чи спіральний колектор, але різниця полягає в тому, що теплоносієм слугує повітря. В ході роботи тепловий насос передає тепло повітрю, а вже з допомогою опалювальної системи нагріте повітря розповсюджується по приміщенню.

Тепловий насос «Вода-Вода»

Окрім геотермальний, набувають поширення і водяні теплові насоси. У них використовується енергія води, щоб обігрівати будинок. Обладнання типу «вода-вода» має кілька різновидів теплозабірних контурів:

• Для забору тепла із відкритих водойм використовують горизонтальний контур – труби вкладають на глибині понад 3 метри – нижче рівня промерзання. При цьому важливо, щоб відстань до водойми була до 150 метрів.
• Для використання тепла ґрунтових вод бурять дві свердловини: забірна – вище по течії підземної річки, скидна – нижче.
• У великих містах та на промислових об’єктах також джерелом теплової енергії для опалення можуть виступати стічні води. Перевага полягає в тому, що їхня температура, зазвичай, вища, ніж у воді з водойм. Однак, для функціонування системи важливо встановити проміжний теплообмінник, із матеріалу з високими показниками стійкості до корозії та впливу хімічних речовин.

Якщо ми маєте доступ до наземних чи підземних водойм – тепловий насос «вода-вода» зможе забезпечити обігрів вашого житла чи промислового об’єкту.

Тепловий насос «Повітря-вода»

Якщо ж немає можливості використовувати земні надра чи воду у якості джерела тепла – встановлюють повітряні теплові насоси. Такий варіант ідеально підходить для міста, приватних будинків з невеликою прибудинковою територією, різноманітних комерційних закладів тощо.

Ключова перевага обладнання полягає в тому, що немає необхідності облаштовувати теплозабірний контур – його функцію виконує потужний вентилятор, який відбирає повітря з навколишнього середовища, а теплообмінник у свою чергу передає отриману теплову енергію в контур опалення.

Тепловий насос повітряного типу забезпечує до 4 кВт тепла, використовуючи 1 кВт електроенергії. Тривалий час таке обладнання застосовували, як допоміжну систему обігріву у міжсезоння, оскільки пристрій якісно працював за температури до -5°С. Однак сучасне обладнання якісно обігріває приміщення навіть при морозі -25°С, що останнім часом – рідкість у нашій місцевості.

Тож завдяки доступності джерела тепла, відносній простоті монтажу та багатофункціональності, теплові насоси «Повітря-Вода» активно застосовують для опалення будинків, квартир і комерційних площ, для приготування гарячої води у побутових потребах, для обігріву теплиць, басейнів, інших приміщень.

Переваги та недоліки геотермального опалення

Теплові насоси для опалення будинку – можливість використовувати безкоштовну відновлювану енергію та не залежати від енергетичної ситуації в країні. До їх плюсів належать:

• Економічне використання електроенергії у порівнянні з електрокотлами;
• Екологічність – отримання тепла не супроводжується шкідливими викидами;
• Універсальність обладнання: підходить для забезпечення комфортної температури в будинках з різними опалювальними системами, гарячого водопостачання, підігріву води в басейні та кондиціонування приміщень у літню спеку;
• Довговічність і мінімальне обслуговування.

Теплові насоси мають і певні мінуси:

• Дороговартісне обладнання та монтаж. З часом витрати окупляться, але на момент установки потрібна кругленька сума.
• Сумнівна ефективність у старих опалювальних системах, де використовуються лише радіатори. Найбільш ефективна робота геотермального обладнання в сучасних будинках з надійною теплоізоляцією та системами «тепла підлога».

Теплові насоси – сучасне устаткування, яке за правильних розрахунків та монтажу забезпечить власникам комфортні умови в домі у будь-яку пору року: взимку в будинку буде тепло, а влітку в кімнатах приємна прохолода.

Який варіант теплового насоса найвигідніший для обігріву?

Вигідність джерела теплозабезпечення оцінюють за кількома критеріями:

• Вартість обладнання;
• Вартість монтажу;
• Вартість експлуатації.

У випадку з тепловими насосами – треба врахувати ще й можливість облаштування теплозабірного контуру та продуктивність (скільки кіловат теплової енергії виробляє агрегат, споживаючи 1 кВт електроенергії). Тільки оцінивши усі ці , а також додаткові критерії, можна обрати вид теплового насосу, який буде вигідний саме у вашому випадку.

Усі розрахунки, добір, монтаж та подальше сервісне обслуговування обладнання для вас виконають професійні майстри компанії ТеплоСфера.