Как работает тепловой насос для отопления дома
Многие наши соотечественники толком не знают, что такое тепловой насос. Но отметим, что они есть у каждого в доме: в кондиционере или холодильнике. Эти устройства стали настолько популярными, что никто не обращает внимания на их работу.
Отопление зданий геотермальными насосами является настолько же популярным, например, в Швейцарии, как у нас использование кондиционера.
Тепловой насос похож на обычный кондиционер реверсивного типа, однако имеет множество функций. В отличие от кондиционера, такой насос может работать при любых температурах.
Обратите внимание
Так, кондиционер при минусовой температуре остановится. Потому лучше всего использовать геотермальную систему.
Принцип работы теплового насоса можно рассмотреть на схеме Карно. Цикл Карно изучается еще в школе на физике. Уже в 1852 году Кельвин предложил теплонасосную систему.
Принцип действия насоса таков: устройство берет тепло в одном месте и переносит его по разным точкам посредством специального теплоносителя. К примеру, в холодильнике тепло отбирается из холодильной камеры и отдается в помещение.
Продукты становятся холодными, а стенка холодильника с внешней стороны – нагревается.
Геотермальный насос отапливает помещение, забирая тепло из окружающей среды — воды, воздуха, земли. Тепло вбрасывается в систему отопления помещения.
Получается, что при отоплении дома геотермальной системой морозильная камера зарывается в землю или опускается в воду. Для того чтобы собирать тепло антифриз течет по трубам системы.
Тепловой насос отбирает тепло, охлаждая до 5 градусов жидкость. Тепло передается на нагрев воды и воздуха в помещении.
Получается, что тепловой насос отбирает тепло у всех предметов и веществ: воды, земли, воздуха. В нашей стране чаще всего используются системы, где тепло забирается с земли и передается в здания.
К тому же тепловой насос работает зимой на обогрев помещения, а летом – охлаждает помещение.
Важно
Очевидно, что тепловые насосы могут выполнять все задачи, которые связаны с подогревом и охлаждением поверхностей и жидкостей.
В насосе с открытым циклом вода из земли перекачивается в систему. Тепло забирается насосом, а затем вода вновь сливается на глубину забора.
Преимущество такой системы заключается в том, что можно одновременно и получать воду для дачного дома. Когда вода забирается из скважины, то окружающая природа не страдает.
Ведь по большому счету вода собирается в одном месте в земле, а затем опять возвращается в тот же горизонт.
Насос с закрытым циклом имеет жидкость, которая качается по коллекторам. Коллекторы размещены в водоеме. Тепло отбирается у воды и передается в дом. Преимущество системы – дешевизна. Однако систему уместно строить тогда, когда водоем находится на расстоянии не более 100 метров от строения.
Насос с закрытым циклом имеет трубки, которые пропускают по себе воду. Трубки могут уходить в воду на глубину до 150 метров. Известно, что на глубине 10 метров температура почвы составляет 12 градусов круглый год. Чем глубже, тем больше температура земли. Это значит, что без больших капиталовложений можно получать большое количество тепловой энергии.
В Европе насосы, которые забирают тепло в земле, называют геотермальными насосами. Воздушные тепловые насосы в нашей стране использовать нецелесообразно. Такие системы используются в странах, где климат намного жарче.
Если теплообменник, температура которого будет ниже — 5 градусов, разместить на улице, то он покроется льдом.
Что такое геотермальное отопление?
Это тепло, добываемое из земли или воды. На определенных глубинах грунта сохраняется плюсовая постоянная температура, причем перепадов не бывает даже в лютые морозы, то же самое с водой. Задача человека взять тепло из земли или воды, отправив его на обеспечение комфорта в жилых комнатах.
Геотермальное отопление представляет собой обычный холодильник, но наоборот – система вырабатывает не холод, а тепло. Алгоритм насоса выстроен на передаче тепла от источника с небольшим потенциалом тепловой энергии к теплоносителю, а грунт или вода выступают активными источниками тепла.
Преимущества и недостатки системы
Геотермальное отопление обладает рядом преимуществ:
- Выделение тепловой энергии во много раз превышает затраты на электричество, потребляемое насосом.
- Экологическая чистота и безопасность. Система не выделяет вредных веществ, нет выбросов, шлака после сгорания топлива.
- Не нужно закупать топливо, газ, вся работа конструкции выстроена без применения химических и иных веществ, поэтому отопление теплом земли или воды считается самым безопасным.
- При соблюдении технологии монтажа, эксплуатации, оборудование и вся система отопления прослужит без технической поддержки минимум 50 лет.
- Тепловой насос работает бесшумно, нет акустических эффектов.
Максимальная экономическая выгода достигается отсутствием дополнительных вложений. Пользователю нужно один раз закупить все оборудование, настроить конструкцию и больше не придется вмешиваться в работу системы. Дополнительным преимуществом является расположение всех элементов вне строения – отопление из земли или воды не требует размещения в доме габаритных установок, поэтому способ добычи и подачи тепла подходит для домов любого размера.
Недостатком считается большой объем разовых затрат на покупку оборудования, установку и запуск системы в работу. Для формирования конструкции требуется насос, некоторое количество материалов, монтаж наружного коллектора и внутреннего контура.
Виды насосов
С течением времени выгодность геотермального теплового насоса для отопления дома, несмотря на высокие цены , становится все более очевидной из-за постоянного роста стоимости топлива. Правильно подобранный и качественно смонтированный ГТН обеспечивает теплом вне зависимости от времени года и рыночных колебаний стоимости энергоносителей.
Существует несколько вариантов монтажа внешнего коллектора, что позволяет адаптировать тепловой насос к конкретным условиям прилегающего к дому земельного участка:
- Трубы укладываются в траншеи на глубину ниже уровня промерзания почвы. На юге России земля замерзает максимум на 0,5 м, поэтому проще снять грейдером полностью слой земли на монтажном участке, уложить коллектор, а затем засыпать экскаватором котлован.
- Если вблизи дома есть водоем на расстоянии не более 100 м, то применяют самый экономичный и эффективный вариант — трубы укладывают под воду на глубину от 3 метров и более.
- Сухие песчаные грунты не дадут достаточного теплового потока, поэтому применяют бурение скважин глубиной до 50 метров, чтобы достичь водоносного слоя. В скважины опускают трубы.
- Если вода из скважины хорошего качества, то достаточно пробурить только две: одна — для забора грунтовых вод, а вторая — для слива обратно в водоносный слой.
Сливную скважину пробурите на расстоянии 20 метров от заборной и ниже по течению водоносного слоя.
Тип вода-вода
Относительно недорогую разновидность ГТН типа вода-вода рекомендуется использовать, когда рядом находится озеро, пруд, река или море. Эффективность такой системы достигается за счет максимальной величины конвективного теплообмена между внешней средой и теплоносителем, который циркулирует в трубах коллектора. Экономия получается за счет простоты монтажа. Бухты расстилают на поверхности воды, затем к трубам крепят грузы и затапливают систему на глубину 3 метра и более.
Если поблизости нет водоема, то можно применить вариант с разомкнутым коллектором. В этом случае используется энергетический потенциал грунтовых вод хорошего качества. Тогда системе и насосу не угрожает заиливание, отложение солей жесткости, ускоренная коррозия. Из одной скважины берут воду, прокачивают через теплообменник ГТН, а затем сливают в другую, которая должна располагаться на расстоянии 15—20 метров.
Если пробуренная скважина быстро заиливается или вода содержит много солей жесткости, тогда стабильную работу ГТН обеспечивается бурением большего количества скважин. В них опускают петли герметичного внешнего контура. Затем в скважины заливают тампонаж из глинисто-песчаной смеси.
Тип грунт-вода
Когда рядом с домом нет водоема и нет возможности пробурить скважины, тогда трубы укладывают горизонтально ниже глубины промерзания грунта. Если подпочвенные воды залегают близко к поверхности, то эффективность системы грунт-вода практически такая же, как у ГТН типа вода-вода, так как принцип работы тот же. На юге России величина промерзания грунта менее 0,75 м, поэтому роют котлован глубиной 1 метр, раскладывают трубы внешнего контура, а затем засыпают. В северных регионах почва замерзает глубже, поэтому экономичнее рыть параллельные траншеи.
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:
- Испаритель. Это элемент, соединяемый с приемником. Нужен для испарения фреона, поглощения тепла от прогретого теплоносителя.
- Фреон. Вещество, которое в состоянии газа транспортируется в компрессор ТН, где прогревается до +65 С под давлением, затем впрыскивается в конденсатор.
- 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.
Насос типа вода-вода
Это альтернативный вариант обустройства системы отопления, при котором тепловая энергия забирается из грунтовых вод.
Работы можно выполнить двумя способами:
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).
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.
Варианты расположения теплообменников
Различается геотермальное отопление за счет тепла земли по расположению оборудования. Теплообменник может устанавливаться вертикально и горизонтально. При горизонтальном монтаже выкладка осуществляется в котлован или на дно водоема, укладка в форме змеевика. Вертикальный монтаж теплообменников – это установка оборудования в шахтах или скважинах.
Рассмотрим подробнее оба варианта:
- Вертикальное размещение требует заглубления на 50-100 метров, где круглогодичная температура грунта не бывает ниже +10 С. Для установки теплообменника пробуриваются скважины, где формируется внешний контур системы. Глубина шурфа может достигать 200 м, параметры скважины будут зависеть от индивидуальных геологических показателей местности. Срок службы системы от 100 лет. Если вертикальное размещение предполагает отбор тепла у воды, то бурятся 2 водоносные скважины, из дебитовой забирается жидкость, которая после отработки в системе отопления сливается во вторую, приемную скважину.
- При горизонтальном размещении коллектора будет много земляных работ, причем сначала требуется выяснить точку промерзания грунта. Трубопроводы выкладываются ниже точки промерзания, для чего выкапываются траншеи. Площадь обработки грунта для формирования системы велика, например, для дома в 250 м2 нужно задействовать примерно 600 м2 теплообменника, то есть 6 соток.
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.
Принцип работы геотермального отопления
Тепла у Земли предостаточно. Зимой даже в прохладных регионах стоит копнуть несколько метров, как грунт перестает быть мерзлым. Соответственно, ниже он ещё теплее. А что, если собирать тепло из земли и направлять его на свои нужды? Так решили инженеры и придумали геотермальное отопление. Система собирает тепло из-под земли и аккумулирует его, а затем распределяет по дому.
Ключевой элемент отопительной системы – геотермальный тепловой насос. Он одновременно включён в два контура. Первый, внутренний – классическое внутридомовое устройство (трубы и батареи ). Внешний контур представляет собой теплообменник впечатляющих размеров. Он может располагаться в толще воды или под почвой. Теплообменник наполнен циркулирующей жидкостью с антифризом в составе.
Принцип устройства геотермального отопления
Функционирует система так:
- Земля передаёт тепло теплоносителю (жидкости в трубах). Его движет компрессор.
- Вода нагревает тепловой насос и оттуда поступает во внутреннюю систему: трубы и радиаторы.
- Полезным элементом системы является буферная ёмкость. Она аккумулирует собранное тепло.
Внимание! Ещё один вариант – использование тепловой энергии грунтовых вод, залегающих не менее чем на 75 м в глубину. Она обладает высокой температурой и, поднимаясь, самостоятельно нагревает тепловой насос
Сам геотермальный насос по размерам не превышает стиральную машину. Обычно его размещают в подвале дома вместе с буферной ёмкостью. Оборудование, а особенно укладка труб под землю – довольно дорогостоящее мероприятие. Но создатели обещают, что геотермалика окупится за несколько лет.
При правильном монтаже и уходе за элементами системы она способна проработать до 100 лет. Производительность геотермального отопления высока. Потратив 1 кВт электроэнергии, насос выработает 4-5 кВт тепловой энергии. Для сравнения: обычный электрообогреватель с вентилятором не «переработает» 1 кВт электричества даже в 1 кВт тепла из-за естественных потерь.
Внимание! Принцип действия геотермального типа отопления схож с работой кондиционера. Соответственно, он может не только обогревать в холода, но и охлаждать помещение летом
Нужно только изменить настройки теплового насоса.
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.
Реальные преимущества и недостатки
Если в России геотермальное отопление частного сектора получило сравнительно малое распространение, значит ли это, что идея не стоит затрат на её воплощение? Может быть, и заниматься этим вопросом не стоит? Оказалось, что это не так.
Использование системы геотермального отопления жилища – решение выгодное. И тому есть несколько причин. В их числе и быстрая установка оборудования, которое способно длительное время работать без каких-либо перебоев. Если использовать в отопительной системе не воду, а качественный антифриз, она не будет промерзать и её износ будет минимальным.
Перечислим и прочие преимущества этого вида отопления.
- Исключается процедура сжигания топлива. Мы создаём абсолютно пожаробезопасную систему, которая, в процессе своей эксплуатации, не сможет нанести жилью никакого ущерба. Кроме того, исключается ряд других моментов, связанных с присутствием топлива: теперь не нужно искать место для его хранения, заниматься его заготовкой или доставкой.
- Акустический комфорт. Тепловой насос работает практически бесшумно.
- Существенная экономическая выгода. В процессе эксплуатации системы не потребуется никаких дополнительных вложений. Ежегодный обогрев обеспечивают силы природы, которые мы не покупаем. Конечно, при функционировании теплового насоса затрачивается электрическая энергия, но при этом объём производимой энергии существенно превышает размеры потребления.
- Экологический фактор. Геотермальное отопление частного загородного дома – это экологически безопасное решение. Отсутствие процесса горения исключает поступление в атмосферу продуктов сгорания. Если это осознают многие, и такая система теплоснабжения получит должное повсеместное распространение, негативное влияние людей на природу многократно уменьшится.
- Компактность системы. Вам не придется организовывать в своём доме обособленное помещение котельной. Всё, что будет необходимо – это тепловой насос, который можно разместить, например, в подвале. Наиболее объёмный контур системы будет располагаться под землей или под водой, на поверхности вашего участка вы его не увидите.
- Многофункциональность. Система может работать как на отопление в холодное время года, так и на охлаждение в период летней жары. То есть, по сути, она заменит вам не только обогреватель, но и кондиционер.
Выбор геотермальной системы отопления экономически выгоден, несмотря на то, что придется потратиться на покупку и установку оборудования. Кстати, в качестве недостатка системы упоминают именно затраты, на которые придется пойти, чтобы установить систему и подготовить её к работе. Нужно будет купить сам насос и некоторые материалы, выполнить работы по монтажу наружного и внутреннего контуров коллектора.
Не секрет, что ресурсы дорожают год от года, поэтому автономная система отопления, которая способна окупиться в течение нескольких лет, всегда будет экономически выгодна для её владельца
Впрочем, эти расходы окупаются всего за несколько первых лет эксплуатации. Последующее использование коллектора позволяет сэкономить значительные средства. К тому же сам процесс монтажа не настолько сложен, чтобы приглашать для его выполнения сторонних специалистов. Если не заниматься бурением, то всё остальное можно сделать самостоятельно.
Преимущества и недостатки насосов
Геотермальные насосы имеют свои плюсы и минусы. К минусам такого оборудования относятся:
1. Высокая стоимость. Не каждый человек может себе позволить установку такого оборудования. Именно поэтому некоторым приходится обращаться в банки, которые предоставляют клиентам льготное кредитование для осуществления покупки.
2. Требования к территории, где будет устанавливаться насос. Станцию нельзя устанавливать в любой местности. Сначала должна быть проведена специальная геологическая разведка. Она поможет определить, целесообразно ли использовать такой насос в данной местности.
3. Возможные изменения в геотермальном контуре. В первые месяцы использования трубы могут просесть. Из-за этого циркуляция пропиленгликоля значительно уменьшается, что приводит к ухудшению характеристик СОР и теплоотдачи. Поэтому со временем рекомендуется проводить специальный аудит.
К преимуществам геотермального насоса относятся:
1. Эксплуатационный срок. Теплонасос может проработать не один десяток лет. Некоторые модели нуждаются в ремонте только после 40 лет эксплуатации. Проведя ремонт, оборудование может быть использовано в обычных эксплуатационных условиях.
2. Функциональность. Оборудование применяется не только для прогревания домов, но и для их кондиционирования. Поэтому целесообразность покупки такого насоса вполне очевидна.
3. Экономичность. Если сравнивать его с аналогами, которые работают на электричестве, твердом топливе и газе, то становится понятным, что теплонасос более выгодный. Буквально через 5–10 лет можно полностью окупить все затраты на установку и покупку оборудования.
