Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

Геотермальный тепловой насос – комплекс устройств, применяемых для извлечения тепла из грунтовых вод, подземных озер и непосредственно из почвы. Эту тепловую энергию можно использовать для отопления жилого дома, технологических процессов, сельскохозяйственных потребностей. Применять такое устройство — значит получить безлимитный доступ к теплу в любое время и в неограниченных количествах.

Устройство и принцип работы

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

Тепловые или геотермальные насосы отопления – автономные станции, использующие низко потенциальную тепловую энергию земли и грунтовых вод для обогрева дома. Системы давно используются в странах ЕС, Америки и Азии. Многолетняя практика их применения показала целесообразность дальнейшей эксплуатации и позволила увидеть и устранить определенные недостатки.

Теплоснабжение с применением геотермальных насосов основано на использовании низко потенциальной энергии. По сути это те же кондиционеры, только работающие наоборот – на нагрев. Охлаждение помещений им также под силу. Но конструкция теплонасосов более приспособлена на обогрев, чем на доставку холода.

Главный рабочий элемент системы – тепловой насос. Это устройство, которое занимает не больше места, чем бытовая газовая плита. Производительность насоса достаточно высокая: на каждый киловатт использованной энергии он вырабатывает до пяти киловатт тепловой.

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

Агрегат подключен к 2 контурам:

Внешний

Габаритный теплообменник, установленный под землей или в водоеме. В нем теплоноситель, приняв температуру окружающей среды, подается в тепловой насос, откуда накопленное тепло поступает во внутренний контур.

Внутренний

Это привычная отопительная система, состоящая из радиаторов и трубопровода.

Алгоритм работы системы:

  1. Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производителиТеплоноситель внешнего контура перекачивается по трубам насосом. За время движения жидкость нагревается на несколько градусов от земли, воды или воздуха.
  2. Внешний контур проходит через теплообменник-испаритель, где нагревает хладагент, например, фреон, который испаряется. Хладагент поступает в испаритель через капиллярное отверстие и резко расширяется, что также способствует нагреванию.
  3. Компрессор сжимает нагретый хладагент, повышая температуру фреона.
  4. Горячий сжатый хладагент поступает в конденсатор. В нем он охлаждается и превращается из пара в жидкость, которая отдает тепло теплоносителю системы отопления, циркулирующему уже по трубам. Другой вариант — нагревает воздух, который распределяется по помещениям.
  5. Далее хладагент вновь поступает в испаритель и нагревается новой порцией теплоносителя, циркулирующего во внешнем контуре.
  6. КПД теплонасосов достигает 300-700%. Это происходит благодаря тому, что теплоноситель внешнего контура выходит из насоса, имея температуру от – 15 до + 7 градусов, и нагревается грунтом, водой или воздухом на 2-8 градусов, забирая часть энергии из внешних источников. Хладагент в насосе испаряется за счет работы компрессора и из-за поступившего извне тепла.

Виды теплонасосов

Геотермальные установки различаются по типу теплоносителя на внутреннем и наружном контурах.

В зависимости от функций и используемых элементов их делят на следующие виды:

«Вода-вода»

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

Принцип работы основан на способности воды сохранять высокую температуру в нижних слоях. Трубы с теплоносителем оснащают грузом для погружения в воду. Если рядом с участком отсутствует водоем, используют потенциал грунтовых вод. Основными преимуществами таких установок являются низкие затраты на обустройство, невысокие теплопотери, отсутствие необходимости в использовании мощных насосных станций.

«Воздух-вода»

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

Использует воздушную среду – самый доступный и возобновляемый источник. Главное преимущество систем – простой в монтаж и обслуживание. К недостаткам относят чувствительность к внешним температурным режимам. Наибольшая эффективность достигается при температуре воздуха -15 градусов. При сильных колебаниях температуры существенно снижается эффективность работы.

«Земля-вода»

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производителиСистемы, отбирающие тепло грунта с помощью тепловых коллекторов и зондов. Это лучший способ создать автономное отопление в загородном доме, независимо от расположения объекта.

В состав установки входит теплообменный аппарат, который размещают ниже уровня промерзания грунта, и сам тепловой насос с обратным циклом Карно (функционирует как холодильник наоборот, то есть выделяет тепло).

Системы этого типа используют два теплоносителя: антифриз (или рассол), получающий тепло из грунта, и фреон, циркулирующий в контуре, который соединен с отопительными радиаторами.

Количество вырабатываемой этой системой теплоты в 4 раза превышает количество электрической энергии, затрачиваемой на ее выработку.

Одним из недостатков системы является то, что земельные участки с обустроенными коммуникациями уже непригодны для сельскохозяйственных нужд.

Виды грунтовых систем по типу расположения теплообменника

Ключевой элемент геотермального насоса – грунтовый теплообменник. Благодаря ему тепловой насос получает низкопотенциальное тепло грунта.

Существует 3 типа устройств:

  • Горизонтальные

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производителиМонтаж этого теплообменника самый простой. Но существенный недостаток – расположение на солидной площади.

Раскладка такого теплообменника осуществляется на глубине ниже уровня промерзания грунта, обычно от 1 до 3 м в зависимости от географической местности и типа грунта. Поэтому грандиозных земляных работ для его монтажа не требуется.

Шаг укладки труб не должен быть меньше 0,7 м для эффективной работы коллектора. Рекомендуется использовать контур общей длинной не более 150 м из-за большого гидравлического сопротивления. При применении нескольких контуров необходимо стараться, что бы каждый из них был примерно одинаковой длины.

  • Вертикальные

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производителиРасполагаются такие теплообменники на глубину от 20 м. Температура там стабильна на протяжении всего года и равна 8-10 градусов, она поддерживается благодаря геотермальной энергии недр. Для получения энергии используют вертикальные грунтовые теплообменники называемые «Зондами».

Их погружают в скважины глубиной 20-300 м и диаметром 120-200 мм. Обычно используют пластиковую трубу диаметром от 32 мм.

Теплосъем с вертикального теплообменника выше, чем у горизонтального и принимается в среднем 50 Вт/м. Однако реальное значение может сильно отличатся, и зависит от влажности породы и наличия грунтовых вод.

  • Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производителиТеплообменники типа «корзина» и «спираль»

Они объединяют в себе свойства горизонтальных теплообменников и способ установки, напоминающий вертикальные теплообменники.

Такие устройства укладываются на глубину до 5 м. Существуют так же некоторые другие модификации грунтовых теплообменников геотермальных тепловых насосов.

Преимущества и недостатки

Опыта использования отопительных систем на основе геотермальных насосов в нашей стране не так много, поэтому объективно оценить их эффективность непросто.

Но немногочисленные пользователи подобного оборудования разделились на 2 лагеря: тех, кто хвалит подобное оборудование (в эту группу также входят продавцы и монтажники систем) и тех, кто столкнулся с некоторыми проблемами в эксплуатации геотермального отопления. Часть противников пострадала по вине недобросовестных компаний-установщиков.

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

На основании отзывов обладателей геотермального отопления можно сделать выводы о достоинствах и недостатках данной системы.

К ее преимуществам относят:

  • Низкое энергопотребление. На 1 кВт потраченной электроэнергии получают 2,5-3,5 кВт (в реальности) и до 7 кВт (в идеале) тепловой мощности.
  • Возможность установки в любой местности – в зависимости от региона применяют грунтовые, водяные или воздушные контуры забора внешнего тепла.
  • Реверсивность – система работает на обогрев зимой и охлаждение летом.
  • Универсальность – можно использовать для отопления дома, нагрева воды для повседневных нужд или воды в бассейне.
  • Долговечность – зарубежный опыт говорит о 30-50 годах эксплуатации до замены оборудования.
  • Минимальные затраты на техническое обслуживание.
  • Полная автоматизация процесса.
  • Экологическая безопасность – нет вредных выбросов.
  • Для работы потребуется только наличие электричества.

Системы проявляют следующие существенные недостатки:

  • Большие финансовые вложения на этапе проектирования и монтажа.
  • Системы эффективны только при оборудовании «теплого пола» – теплоноситель греется до +50 градусов. Таких показателей недостаточно для эффективной работы радиаторов.
  • Низкая эффективность при небольшом разбросе температур теплоносителя во внешнем контуре и среде прокладки (грунт, вода).
  • Опасность для почвенных микроорганизмов – грунт охлаждается, гибнут бактерии, снижается плодородие почвы.
  • Необходимость дополнительных источников тепла при температуре воздуха ниже – 25 градусов.

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

Мнение эксперта
Кузнецов Василий Степанович
Достоинства проявляются при качественном проектировании, верном выборе оборудования, соблюдении правил монтажа.

Критерии выбора системы

Выбор типа геотермальной системы зависит от особенностей отапливаемого объекта, места его расположения, средней температуры окружающей среды на протяжении года и в определенные сезоны. Один из главных параметров – коэффициент трансформации теплоты COP. Он равен от 1 до 7, то есть 1 кВт электроэнергии преобразуется в 1-7 кВт тепловой мощности.

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производителиВажно понимать, что реальный коэффициент будет меньше паспортного, поскольку для работы потребуются затраты электроэнергии на перекачку теплоносителя по внешнему контуру. Чем он длиннее, тем больше затраты.

На практике следует рассчитывать на СОР равный 2,5-3,2 если вести учет в течение всего периода эксплуатации – температура грунта и воды постепенно меняется в зависимости от климатических условий.

В большей степени выбор среды, откуда будет забираться тепло, зависит от климата региона и геологических особенностей места строительства. Альтернативный способ организации геотермального отопления с использованием водоема.

Расположение внешнего контура в воде выбирают, если:

  • глубина скважины до подземных вод не превышает 20 метров (в некоторых регионах до 45 метров).

  • водоем является частным прудом.

Если эти условия не соблюдаются, необходима лицензия на право пользования недрами. Если при проверке ее не окажется, оборудование придется остановить и заплатить солидный штраф.

Важным фактором является расстояние от водоема до помещения. Если оно более 25-30 м, эффективность резко снижается. В этом случае потребуются дополнительные расходы на перекачку теплоносителя и утепление трубопровода.

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

Размещение внешнего контура в грунте на своем участке не запрещается, но следует правильно выбрать способ расположения труб – горизонтальный или вертикальный. В зависимости от состава грунта, с одного метра горизонтальной трубы можно снимать до 50 Вт тепловой мощности. Однако это справедливо для глинистых грунтов.

Какой тип теплообменника у геотермального насоса установленного на Вашей даче?
ГоризонтальныйВертикальный

Песчаники и суглинки могут отдать от 12 до 25 Вт/м, а для теплового насоса мощностью 10 кВт может понадобиться внешний горизонтальный контур длиной от 200 до 700 м. Для его размещения понадобится участок 450 м2. Размещение труб кольцами не эффективно, так как теплоноситель охлаждает грунт вокруг себя и соседние кольца просто не будут эффективно прогреваться.

Для горизонтального контура нужна абсолютно свободная площадь. По отзывам владельцев участков в месте, где размещен горизонтальный контур теплового насоса, через несколько лет меняется структура грунта. В результате хуже растут овощные растения и землю можно использовать только под газон. Не сажают в таких местах и деревья с мощной корневой системой, которая может разрушить трубы.

Оптимальной для небольших загородных участков считают вертикальную систему проколов или скважин, в которых размещают несколько контуров, расходящихся в разные стороны. На большой глубине температура земли стабильнее и мало зависит от климата. Для выводов труб оборудуют колодец, в котором размещают коллекторы. Скважины бурят под углом к горизонту и располагают по окружности – так снижается влияние каждого контура друг на друга.

Как рассчитать мощность установки

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

Геотермальный насос выдает температуру теплоносителя равную + 65 градусов при максимальной нагрузке. Оптимальными считаются параметры, находящиеся в пределах + 45 – + 50 градусов. Теплонасос подключается к низкотемпературным системам отопления.

Коэффициент мощности и другие параметры рассчитывают с учетом особенностей эксплуатации:

  • Мощность теплонасоса – на 1 кв/м понадобится тепловая мощность, равная 0,7 кВт. Для обогрева частного дома в 200 м2, выбирают установку с производительностью 14 кВт.
  • Расчет геотермального контура. При вычислениях принимают во внимание влажность и тип грунта, а также средний уровень точки промерзания. В среднем, для получения 1 кВт тепловой энергии потребуется 40-60 м водяного контура, уложенного в грунт.

  • Расходы электроэнергии. Геотермальный насос работает за счет электричества, необходимого для создания принудительной циркуляции теплоносителя в первичном водяном контуре, а также нагнетания давления фреона в компрессоре. Чем выше СОР, тем меньше будут затраты электроэнергии и выше окупаемость теплонасоса.

Лучшие производители

При выборе отопительной геотермального оборудования одну из главных ролей играет подбор производителя. По качеству и надежности лучшие тепловые насосы выпускают немецкие производители.

Стабильно хорошие отзывы заслуживают модели, предлагаемые следующими компаниями:

Vaillant

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

Компания производит все типы геотермальных насосов. Отдельно разработаны серии для укладки водяного коллектора на дно водоема, использования геотермальных зондов и укладки контура ниже точки промерзания. Теплоноситель на выходе прогревается до 60 градусов. Максимальная производительность 46 кВт. Недостатком продукции компании Vaillant является скромный выбор насосов. Но этот минус компенсируется высоким качеством продукции.

Stiebel Eltron

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

Продукция этой компании предназначена для частичной и полной компенсации потребностей жилых помещений в тепле. Все модели интегрируются в систему вентиляции и летом работают как кондиционеры. Производительность теплонасосов Stiebel Eltron – до 98 кВт.

Viessmann

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

Станции укомплектовываются интегрированными накопительными емкостями, для обеспечения нужд ГВС, различной вместимостью. Насосы Vitocal 300-G/-W Pro способны развивать мощность до 290 кВт. Максимальный нагрев теплоносителя 60 градусов.

Buderus

Геотермальные насосы: принцип работы отопительной системы, критерии выбора, лучшие производители

Компания делает акцент на бытовых приборах отопления мощностью до 60 кВт. Подача теплоносителя с температурой 65 градусов. При этом шум от геотермального насоса Buderus, благодаря специально сконструированной изоляции, всего 40 дБ.

Частые вопросы

Какой съем тепла могут дать спиральные теплообменники с метра скважины?

Один из производителей указывает, что с одного спирального зонда длинной 3 метра можно снять до 500 Вт, это примерно 167 Вт с метра. Однако все зависит от типа грунта. При спирали длиной во влажном песке или суглинке со спирали в 3 м можно снять 300 Вт.

Достаточно ли будет интегрированного водонагревателя на 160 л для семьи из 4 человек?

Это зависит от потребности семьи в воде. Обычно 160 л вполне достаточно. Но если Вы часто пользуетесь, например, джакузи, следует подумать об установке дополнительного источника воды. Это может быть дополнительный электрический водонагреватель (напр. COMPACT 200) или тепловой насос 11 типа с аккумуляционным баком.

Какое количество стартов системы в день и год считается нормальным?

Этот показатель непостоянный и зависит от того, сколько часов в год работает компрессор. Нормальное количество часов в год составляет 3000-4500. Чем меньше рабочих часов, тем чаще стартует компрессор и наоборот. Нормальное число стартов может колебаться от 4000-16000 в год. Большее количество стартов также возможно, при наличии дополнительных условий и обстоятельств.

Видео-обзор плюсов и минусов геотермального отопления

Рейтинг автора
Автор статьи
Кузнецов Василий Степанович
Написано статей
110
Понравилась статья?
Лайк автору Лайк автору
Загрузка...