Геотермальный тепловой насос: устройство, принцип работы, преимущества и недостатки

Современные системы отопления и водоснабжения, получающие тепловую энергию от альтернативных источников – новое слово в энергетике и отличный способ экономии средств на обеспечении оптимальных бытовых условий дома. Получение тепловой энергии земли стало возможным с изобретением геотермальных тепловых насосов – устройств, отбирающих тепло из почвы.

На глубине 2 метра и ниже почва имеет постоянную температура 8-10 градусов по Цельсию в любое время года. Это тепло и использует геотермальный насос для обогрева дома зимой и охлаждения в летнюю жару.

Тепловые насосы: принцип действия

Температурного показателя в пределах 10 градусов недостаточно для обогрева помещений зимой. Геотермальному насосу нужно повысить температуру теплоносителя до 40-60 градусов, чтоб обеспечить теплопотребности системы отопления дома.

Энергия земли
Зарыли в землю 880 метров труб и экономим 45 тысяч гривен ежегодно
Опубликовано Теплосфера Понедельник, 24 июня 2019 г.

Принцип работы оборудования базируется на обратном термодинамическом цикле или цикле Карно. Почва является источником низкопотенциального тепла. Система источника тепла отбирает его и, используя электрическую энергию, передает тепловому насосу, где и происходит нагревание до нужного показателя. В среднем 1 кВт израсходованной электроэнергии дает до 6 кВт тепловой.

Происходит это потому, что:

• Тепловая энергия всегда присутствует в земле: даже при температуре ниже нуля вплоть до показателя -273 градуса (абсолютный ноль по шкале Кельвина.
• В системах с тепловым насосом используют хладагент, закипающий при низких температурных показателях. Чаще это фреон. Поглощение тепла происходит именно благодаря тому, что хладагент может изменять агрегатное состояние: переходить из жидкого в газообразное и наоборот.

По второму закону термодинамики тело с высокой температурой передает тепло телу с низкой. В системе с тепловым насосом этот закон работает так: теплоноситель из зонда, размещенного в земле, забирает низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды, поднимается и передает ее охлажденному хладагенту, а он в ходе работы теплового насоса нагревается до установленной температуры и передает тепло в систему отопления.

Поэтапная работа и устройство геотермального теплового насоса

Тепловой насос состоит из компрессора, расширительного клапана (дросселя), испарителя, конденсатора.

1. В испаритель хладагент попадает через дроссель. В момент прохождения через расширительный клапан давление и температура хладагента снижаются, поэтому в испаритель он попадает в жидком состоянии.
2. Теплоноситель (вода или рассол) отбирает тепло из почвы, нагревается и отдает тепловую энергию хладагента, содержащемуся в испарителе геотермального теплового насоса.
3. Из испарителя хладагент попадает в компрессор в виде газа. Там происходит рост давления, что приводит к повышению температуры, и направляется в конденсатор.
4. В конденсаторе нагретый хладагент передает тепло воде в системе отопления, постепенно охлаждается, переходит из газообразного состояния в жидкое и снова проходит через дроссель.
5. Цикл повторяется до получения требуемой температуры в помещении. Затем терморегулятор размыкает электрическую цепь и компрессор прекращает работу. При понижении температуры в отопительном контуре компрессор снова запускается.

Летом геотермальный насос может выполнять функцию кондиционера – охлаждать температуру в помещении с помощью четырехходового клапана. В этом случае принцип его работы будет такой же, как у бытового холодильника: убирать тепло из помещения и отдавать его в окружающую среду.

Как устроена система «Почва-Вода»

Система с геотермальным тепловым насосом использует тепло земли для нагрева теплоносителя. Она отличается по виду теплозаборной части системы:

• Вертикальные зонды – полиэтиленовые трубы U-образной формы размещаются вертикально в скважине на необходимую глубину, где температура оптимальна для нагрева теплоносителя. Наиболее затратным в установке является бурение скважины.
• Горизонтальный грунтовой коллектор – змеевик из труб, расположенный на глубине около метра – ниже уровня промерзания земли. Монтаж грунтового коллектора менее затратен, но требует значительной площади земельного участка.
• Спиральный коллектор – это сочетание вертикальной скважины и грунтового коллектора: в неглубокие скважины устанавливаются спирали из тонких труб. Такой тип забора тепла целесообразен, если земельный участок невелик, а геологические особенности мешают бурению на большую глубину.

Система источника тепла отбирает тепловую энергию почвы и передает ее на тепловой насос. В тепловом насосе хладагент отбирает тепло, под действием давления в компрессоре нагревается и отдает тепловую энергию в контур отопительной системы.

Система «Грунт-Вода» отбирает тепловую энергию, которую постоянно аккумулирует земля и передает ее воде – теплоносители отопительной системы. Однако геотермальное оборудование может работать и с другими теплоносителями.

Геотермальный тепловой насос «Грунт-Воздух»

Строительная теплосборная часть в этом виде тепловых насосов такая же, как и в предыдущем: вертикальные зонды, горизонтальный грунтовой коллектор или спиральный коллектор, но разница состоит в том, что теплоносителем служит воздух. В ходе работы тепловой насос передает тепло воздуху, а с помощью отопительной системы нагретый воздух распространяется по помещению.

Тепловой насос «Вода-Вода»

Кроме геотермальный, получают распространение и водяные тепловые насосы. В них используется энергия воды для обогрева дома. Оборудование типа «вода-вода» имеет несколько разновидностей теплозаборных контуров:

• Для забора тепла из открытых водоемов используют горизонтальный контур – трубы укладывают на глубине более 3 метров – ниже уровня промерзания. При этом важно, чтобы расстояние до водоема было до 150 метров.
• Для использования тепла грунтовых вод бурят две скважины: заборная – выше по течению подземной реки, сбросная – ниже.
• В крупных городах и промышленных объектах также источником тепловой энергии для отопления могут выступать сточные воды. Преимущество состоит в том, что их температура обычно выше, чем в воде из водоемов. Однако для функционирования системы важно установить промежуточный теплообменник из материала с высокими показателями стойкости к коррозии и воздействию химических веществ.

Если у нас есть доступ к наземным или подземным водоемам – тепловой насос «вода-вода» сможет обеспечить обогрев вашего жилья или промышленного объекта.

Тепловой насос «Воздух-вода»

Если нет возможности использовать земные недра или воду в качестве источника тепла – устанавливают воздушные тепловые насосы. Такой вариант идеально подходит для города, частных домов с небольшой придомовой территорией, коммерческих заведений и т.д.

Ключевое преимущество оборудования состоит в том, что нет необходимости обустраивать теплозаборный контур – его функцию выполняет мощный вентилятор, отбирающий воздух из окружающей среды, а теплообменник в свою очередь передает полученную тепловую энергию в контур отопления.

Тепловой насос воздушного типа обеспечивает до 4 кВт тепла, используя 1 кВт электроэнергии. Долгое время такое оборудование применяли как вспомогательную систему обогрева в межсезонье, поскольку устройство качественно работало при температуре до -5°С. Однако современное оборудование качественно обогревает помещение даже при морозе –25°С, что в последнее время – редкость в нашей местности.

Итак, благодаря доступности источника тепла, относительной простоте монтажа и многофункциональности, тепловые насосы «Воздух-Вода» активно применяют для отопления домов, квартир и коммерческих площадей, для приготовления горячей воды в бытовых нуждах, для обогрева теплиц, бассейнов. , других помещений.

Преимущества и недостатки геотермального отопления

Тепловые насосы для отопления дома – возможность использовать бесплатную возобновляемую энергию и не зависеть от энергетической ситуации в стране. К их плюсам относятся:

• Экономическое использование электроэнергии по сравнению с электрокотлами;
• Экологичность – получение тепла не сопровождается вредными выбросами;
• Универсальность оборудования: подходит для обеспечения комфортной температуры в домах с различными отопительными системами, горячего водоснабжения, подогрева воды в бассейне и кондиционирования помещений в летнюю жару;
• Долговечность и минимальное обслуживание.

Тепловые насосы имеют и определенные минусы:

• Дорогоценное оборудование и монтаж. Со временем затраты окупятся, но на момент установки требуется кругленькая сумма.
• Сомнительная эффективность в старых отопительных системах, где используются только радиаторы. Наиболее эффективна работа геотермального оборудования в современных домах с надежной теплоизоляцией и системами «теплый пол».

Тепловые насосы – современное оборудование, которое при правильных расчетах и ​​монтаже обеспечит владельцам комфортные условия в доме в любое время года: зимой в доме будет тепло, а летом в комнатах приятная прохлада.

Какой вариант теплового насоса наиболее выгоден для обогрева?

Выгодность источника теплоснабжения оценивают по нескольким критериям:

• Стоимость оборудования;
• Стоимость монтажа;
• Стоимость эксплуатации.

В случае с тепловыми насосами – нужно учесть еще и возможность устройства теплозаборного контура и производительность (сколько киловатт тепловой энергии производит агрегат, потребляя 1 кВт электроэнергии). Только оценив все эти и дополнительные критерии, можно выбрать вид теплового насоса, который будет выгоден именно в вашем случае.

Все расчеты, подбор, монтаж и последующее сервисное обслуживание оборудования для вас выполнят профессиональные мастера компании ТеплоСфера.