Технология геообмена для получения энергии
Земляной тепловой насос в научных кругах больше известен под другими названиями, в частности:
- геообмен (Geoexchange),
- грунтовой теплообменник,
- земная энергетическая система.
Инженеры, однако, чаще пользуются термином «земляные тепловые насосы», дабы избежать путаницы с традиционной геотермальной энергией, где используется высокотемпературный источник тепла для выработки электроэнергии.
Земляные тепловые насосы действуют по принципу сбора тепла, получаемого от Солнца и поглощаемого поверхностью Земли. Температура грунта ниже 6 метров от границы поверхности равна среднегодовой температуре воздуха для конкретной широты земного шара.
Структурная схема установки: 1 – природный земляной теплообменник на трубном петлевом замкнутом контуре; 2 (3) – тепловой насос; 4 – ресивер с горячей водой; 5 – тепло, направляемое в радиаторы или в систему тёплого пола; 6 – использование водного ресурса для хозяйственных нужд
В зависимости от параметра широты, температура под верхним слоем Земли поддерживается на постоянном уровне в диапазоне 10-16°C. Подобно холодильнику или кондиционеру, систему допустимо использовать в качестве теплового насоса для принудительной передачи тепла от грунта.
Тепловые насосы способны передавать энергию от холодной к тёплой области в противовес естественному направлению потока. Либо эти же устройства способны усиливать естественный поток тепла, направленный от теплой среды к холодной.
Принцип работы и устройство геотермального отопления
- воздух – вода
- земля – вода
- вода – воздух
- вода – вода
- земля – воздух
- вода – вода
- воздух – воздух
- внутреннего контура, который расположен в доме. Он (они) сделан как и при обычном отоплении и состоит из труб и радиаторов. В схему могут быть добавлены теплые полы.
- внешнего контура, который имеет больший масштаб чем внутренний, хотя его размеры можно увидеть только в период планировки и монтажа. В процессе эксплуатации он невиден, поскольку находится под землей или под водой. Внутри этого контура циркулирует обычная вода или антифриз.
- ключевым элементом, который связывает внешний и внутренний контур является тепловой насос, который занимает место приблизительно как стиральная машина или котел отопления.Он состоит из:- испарителя, основная функция которого – превращение в пар жидкого хладагента. Хладагент, циркулируя по замкнутому контуру, проходит через испаритель. В нем хладагент разогревается и превращается в пар. Образующийся пар под низким давлением направляется в сторону компрессора.- компрессора, основная функция которого – повышение давления и температуры паров, образующихся в результате кипения хладагента. В компрессоре пары хладагента подвергаются действию давления и их температура возрастает. Компрессор перекачивает под большим давлением разогретый пар в сторону конденсатора.- конденсатора, основная функция которого – отдаче тепловой энергии внутреннему контуру отопительной системы. Серийные образцы, изготавливаемые промышленными предприятиями, оснащаются пластинчатыми теплообменниками. Основным материалом для таких конденсаторов служит легированная сталь или медь. Для самостоятельного изготовления теплообменника подойдет медная трубка диаметром полдюйма. Толщина стенок труб, используемых для изготовления теплообменника, должна быть не менее 1 мм. При этом змеевик рассчитыается по формуле МТ/0,8 РТ, где МТ – мощность тепловой энергии, которая выдает система; 0,8 – коэффициент теплопроводности при взаимодействии воды с материалом змеевика; РТ – разница температур воды на входе и на выходе.– терморегулирующий, или иначе дроссельный, клапан устанавливается в начале той части гидравлического контура, где циркулирующая среда высокого давления преобразуется в среду с низким давлением. Точнее дроссель в паре с компрессором делят контур теплового насоса на две части: одну с высокими параметрами давления, другую – с низкими.При прохождении через расширительный дроссельный вентиль циркулирующая по замкнутому контуру жидкость частично испаряется, вследствие чего давление вместе с температурой падают. Затем поступает в теплообменник, сообщающийся с окружающей средой. Там захватывает энергию среды и переносит ее обратно в систему. Т.е. с помощью дроссельного клапана происходит регулирование потока хладагента в сторону испарителя. При выборе клапана нужно учитывать параметры системы. Клапан должен соответствовать этим параметрам.
- Незамерзающая жидкость нагревается на глубине, под землей до температуры, к примеру, 5–7ºС и поступает в тело теплового насоса.
- Внутри агрегата стоит теплообменник и нагретая жидкость, проходя через него, отдает тепло второму контуру, после чего уходит под землю за новой “порцией тепла”.
- Фреон, который испаряется во втором конуре попадает в компрессор и при сжатии его температура доходит до 100ºС, чего вполне хватает чтобы разогреть жидкость во внутреннем контуре.
- Разогретый фреон поступает в расширительный экран, где давление и температура нормализуются и все начинается снова.
Тепловые насосы для отопления небольших помещений или под ГВС
Предназначение – экономичное отопление жилых и вспомогательных помещений, обслуживание системы горячего водоснабжения. Самым низким потреблением (до 2 кВт) выделяются однофазные модели. Для защиты от скачков напряжения в сети им нужен стабилизатор. Надёжность трёхфазных, объясняется особенностями сети (нагрузка распределяется равномерно) и присутствием собственных защитных цепей, предотвращающих повреждение устройства при перепадах напряжения. Оборудование этой категории не всегда справляется с одновременным обслуживанием системы отопления и контура горячего водоснабжения.
1. Huch EnTEC VARIO КНР S2-E (Германия) – от 184 493 руб.
Huch EnTEC VARIO самостоятельно не эксплуатируется. Только в связке с накопительным баком системы горячего водоснабжения. ТН подогревает воду для санитарных нужд, охлаждая воздух в помещении.
Из преимуществ – небольшое энергопотребление прибора, приемлемая температура воды в контуре ГВС и функция очистки системы (периодическим кратковременным нагреванием до 60 °С) от патогенных бактерий, развивающихся во влажной среде.
Минусы в том, что прокладки, фланцы и манжету, надо докупать отдельно. Обязательно оригинальные, иначе будут потёки.
При расчёте необходимо помнить, что устройство прокачивает 500 м³ воздуха в час, поэтому минимальная площадь помещения, в котором установлен Huch EnTEC VARIO, должна быть не менее 20 м², при высоте потолка в 3 и более метра.
| Характеристикиа | Значение |
|---|---|
| Схема работы | Воздух — вода |
| Тепловая мощность, кВт | 3.2 |
| Потребляемая электроэнергия, кВт/ч (сеть) | 1.9 (220) |
| Температура теплоносителя на выходе, °С | 55 |
| Диапазон рабочей температуры первичного контура, °С | +7…+35 |
| Хладагент, тип | R134А |
| Вес, кг | 31 |
2. NIBE F1155-6 EXP (Швеция) – от 355 161 руб.
Модель заявлена, как «интеллектуальное» оборудование, с автоматической настройкой под потребности объекта. Внедрена инверторная схема питания компрессора – появилась возможность настраивать выходную мощность.
Присутствие такой функции при малом числе потребителей (точки водоразбора, радиаторы отопления), делает отопление небольшого дома более выгодным, чем в случае с обычным, неинверторным ТН (у которых нет плавного пуска компрессора и выходная мощность не регулируется). Потому что у NIBE, при малых значениях мощности, тэны включаются редко, а собственное максимальное потребление теплового насоса – не более 2 кВт.
В условиях небольшого объекта шум (47 ДБ) не приемлем. Оптимальный вариант установки – отдельное помещение. Обвязку размещать на стенах не примыкающим к комнатам для отдыха.
| Характеристика | Значение |
|---|---|
| Схема работы | Рассол — вода |
| Тепловая мощность, кВт | 4-16 |
| Потребляемая электроэнергия (сеть, V/насосы, компрессор/тэны), кВт/ч | 380 / 1.9 / 9 |
| Температура теплоносителя на выходе, °С | 65 |
| Диапазон рабочей температуры первичного контура, °С | 0… +35 |
| Хладагент, тип | R 407C |
| Вес, кг | 185 |
3. Fujitsu WSYA100DD6 (Япония) – от 524 640 руб.
«Из коробки» работает только на нагрев в одном контуре. Опционально предлагается комплект для подключения второго контура, с возможностью независимой настройки для каждого. Но сам тепловой насос рассчитан на систему отопления помещения до 100 м², с высотой потолка не более 3 метров.
В списке преимуществ – небольшие габариты, работа от бытовой электросети, регулировка температуры на выходе 8…55 °С, что по замыслу производителя должно было как-то повлиять на комфорт и точность управления подключенными системами.
Но всё перечеркнула низкая мощность. В нашем климате, отапливая заявленные 100 м², устройство будет работать на износ. Что подтверждают частые переходы устройства в «аварийный» режим, с отключением помпы и ошибками на дисплее. Случай не гарантийный. Исправляется перезапуском оборудования.
«Аварии» влияют на расход электроэнергии. Потому что когда умолкает компрессор, в работу включается тэн. Поэтому совместное подключение контуров СО и тёплого пола (или ГВС) допустимо на объекте площадью не более 70 м².
| Характеристика | Значение |
|---|---|
| Схема работы | Воздух — вода |
| Тепловая мощность, кВт | 6 |
| Потребляемая электроэнергия, кВт/ч (сеть) | 2.04 (220) |
| Температура теплоносителя на выходе, °С | 60 |
| Диапазон рабочей температуры первичного контура, °С | -20… +35 |
| Хладагент, тип | R410A |
| Вес, кг | 42 |
Принципы функционирования геотермального отопления
Отопление за счет энергии земли успешно применяется в различных климатических зонах: системы способны работать и в южных, и в северных регионах.
Геотермальная установка в процессе своего функционирования использует такое физическое свойство некоторых жидкостей, как способность испаряться, что приводит к охлаждению поверхности. Именно это явление лежит в основе работы холодильного оборудования.
Принцип работы геотермального отопления представляет собой запущенный в обратную сторону процесс охлаждения. Именно так работают кондиционеры, способные не только охлаждать, но и подогревать воздух в помещении.
Принцип работы теплового насоса
Однако, установки для кондиционирования воздуха имеют ограниченную работоспособность — они не могут функционировать при температуре ниже -5°C. А геотермальная система способна обеспечить обогрев дома независимо от температуры воздуха на поверхности. Это связано с тем, что в той среде, откуда она забирает тепловую энергию, естественным образом поддерживаются стабильные температурные условия.
Принцип работы геотермального насоса
Геотермальный тепловой насос представляет собой автономную станцию, работающую на низкопотенциальной тепловой энергии грунта или воды. Используется установка для отопления дома. Тепловые насосы, извлекающие тепло из грунта достаточно широко распространены в развитых странах. Практика использования таких установок показывает целесообразность этого оборудования. При этом был обнаружен и устранён ряд недостатков тепловых насосов. Геотермальный насос, как и все остальные типы тепловых насосов, представляет собой кондиционер, работающий на обогрев помещения. Конечно, есть различия, поскольку тепловые насосы затачиваются на обогрев помещения. Для геотермального теплового насоса нет требования положительной температуры на улице, как для установок типа воздух-воздух или воздух-вода. Коллектор, собирающий тепло, находится в грунте ниже того уровня, на который промерзает грунт. Так, что геотермальный насос можно использовать на севере России.
Схема работы геотермального теплового насоса
солнечными батареями для отопления дома
Что может использоваться в качестве источника тепла? Это может быть грунт, вода, воздух с температурой выше ноля градусов по Цельсию (в зимнее время). К примеру, незамерзающая речка или не промерзающий полностью водоём, колодец, артезианская скважина. Тепло можно также извлекать из грунта. Только это нужно делать ниже точки промерзания, поскольку там температура положительная даже зимой. Геотермальный тепловой насос забирает это тепло и переносит в установку. Там оно передаётся в контур отопления или ГВС.
При отдаче тепла фреон остывает, но при этом находится при повышенном давлении в газообразной форме. Он подаётся на сбросный клапан, где происходит резкое падение давления. В результате он охлаждается и превращается в жидкость. Затем он поступает в испаритель, где опять нагревается от грунтового тепла. Таким образом, цикл замыкается.
Особенности отопления дома тепловым насосом воздух-воздух
Прежде чем начинать оценку эффективности отопления дома тепловым насосом воздух-воздух, необходимо сказать несколько слов об особенностях работы тепловых насосов этого типа.
Эффективность теплового насоса определяется его коэффициентом преобразования (COP) – этот коэффициент показывает, соотношение полученного тепла и затраченной на это электроэнергии. Умножив этот коэффициент на 100 можно получить КПД теплового насоса. Производители и продавцы тепловых насосов воздух-воздух заявляют об их высокой эффективности и экономичности, заявляя что их насосы обладают коэффициентом преобразования COP на уровне 3..4 – т.е. на каждый затраченный 1 кВт электроэнергии можно получить 3-4 кВт тепла. Так ли это в действительности? НЕТ!!! Указываемый производителем COP – это максимально возможное значение для строго определенных условий и наружных температур.
В действительности эффективность (и COP) тепловых насосов воздух-воздух сильно зависит от наружной температуры воздуха (вообще говоря, от разности температур внутри и снаружи дома, но внутреннюю температуру можно считать неизменной). И честные производители тепловых насосов воздух-воздух дают таблицы эффективности для разных наружных температур.
Рассмотрим для примера американский тепловой насос Lennox TSA036 мощностью 10,5 кВт. В инструкции на него дана таблица отдаваемой тепловой мощности и затраченной на это электроэнергии.
| Температура | +18°C | +7°C | -4°C | -7°C | -15°C | -26°C |
| Мощность нагрева, кВт | 11,5 | 8,9 | 6,0 | 5,2 | 4,4 | 2,2 |
| Потребление электричества, кВт | 2,34 | 2,18 | 2,03 | 1,96 | 1,83 | 1,36 |
| COP | 4,91 | 4,08 | 2,96 | 2,66 | 2,4 | 1,62 |
Из этой таблицы видно, что реальный COP снижается при понижении температуры на улице. Кроме того, из этой таблицы следует и другой очень важный факт – при понижении температуры на улице количество тепла, которое можно получить от данного теплового насоса, также снижается! Причем весьма существенно – при температуре на улице -4°C от теплового насоса Lennox TSA036 можно получить уже всего только 6 кВт, при том что номинальная мощность у него – 10,5 кВт.
Более того, для любого теплового насоса воздух-воздух существует критическая отрицательная температура, при достижении которой он начинает интенсивно обмерзать. Для теплового насоса Lennox TSA036 это -7°C. При более низких температурах необходимо устанавливать так называемый зимний комплект – набор обычных электрических нагревателей, которые будут размораживать тепловой насос. Поскольку КПД этих обычных электрических нагревателей не может превышать 100%, то суммарное потребление электричества теплового насоса и дополнительных зимних нагревателей приблизится к тепловой мощности, которую можно получить от теплового насоса (как следует из таблицы, Lennox TSA036 при -7°C всего 5,2 кВт тепла, его собственное потребление 2,66 кВт плюс дополнительно несколько кВт потребляют зимние нагреватели).
Указываемый производителем COP – это максимально возможное значение для строго определенных условий и наружных температур.
Реальный COP (эффективность) теплового насоса воздух-воздух снижается при понижении температуры на улице.
Количество тепла, которое можно получить от теплового насоса воздух-воздух, также снижается при понижении температуры на улице.
Таким образом, тепловые насосы воздух-воздух эффективны только при температурах, при которых они способны работать без зимнего комплекта, и при этом нужно обязательно принимать во внимание, что при пониженных температурах они дают тепла гораздо меньше, чем их заявленная номинальная мощность. В частности, для взятой модели Lennox TSA036 при температурах ниже -7°C нужно отключать тепловой насос и переходить на резервные нагреватели (электрические)
Так будет ли эффективно отапливать дом тепловым насосом воздух-воздух в Московской области, даст ли это экономию?
Преимущества и недостатки насосов
Геотермальный тепловой насос для отопления дома дает владельцам следующие плюсы:
- Экономичность оборудования – главное его преимущество. Если сравнить расходы на другие энергоносители (газ, твердое топливо или электричество), то экономия получается существенной. Причем затраты на покупку и монтаж оборудования полностью окупаются в течение 5 лет максимум.
- Геотермальное оборудование можно назвать универсальным, ведь оно подходит не только для обогрева помещений, но и для их охлаждения. Если летом насос будет выполнять функции кондиционера, то обеспечивается существенная экономия электроэнергии.
- Долговечность насосного агрегата – еще одно преимущество. Само оборудование способно прослужить до 100 лет, но некоторые узлы нуждаются в ремонте раз в 30-50 лет.
К недостаткам тепловых агрегатов причисляют следующее:
- К прилегающей территории и самому оборудованию предъявляются определенные нормативные требования. Станции можно устанавливать не в каждой местности. Перед установкой нужно провести геологоразведку территории и сделать выводы о целесообразности применения тепловых насосов.
- На покупку оборудования и его монтаж нужно выложить около 5400-7700$ (350-500 тысяч рублей). Не у всех владельцев частных домов есть такие средства. Но иногда можно воспользоваться программой льготного кредитования или помощью государства.
- В течение первого года после монтажа циркуляция теплоносителя ухудшается из-за проседания трубы для геотермального контура. Это способствует снижению теплоотдачи. Именно поэтому через год приходится проводить аудит системы, что вынуждает хозяев повторно облагораживать территорию после проведения работ.
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.
Особенности отопительной системы
В отличие от газового котла, тепловому насосу не требуется нагревать теплоноситель системы отопления до высокой температуры, так как образование конденсата при холодной «обратке» ему не грозит. К тому же работа в низкотемпературном режиме потребует меньших энергозатрат.
Чтобы компенсировать низкую температуру теплоносителя, поверхность радиаторов пришлось бы сильно увеличивать, поэтому вместо них лучше использовать систему «теплый пол». Этот вид отопления является и наиболее рациональным, так как нагреваемый воздух в первую очередь поступает, так сказать, в зону обитания, а не под потолок.
Тепло от земли
Еще один аргумент в пользу «теплого пола» — минимальные теплопотери. Ведь их величина зависит, в первую очередь, от перепада температур, а он при низкотемпературном режиме является наименьшим. Второй фактор – площадь контакта нагретого воздуха с наружными стенами. Поднимающийся от «теплого пола» воздух наружных стен не касается (при использовании обычных радиаторов он буквально омывает остекление окна и прилегающие участки наружной стены).
Основной недостаток «теплого пола» — энергозависимость – в данном случае неактуален, так как тепловой насос тоже не сможет работать без электричества.
Опасность скрытой протечки также можно не принимать во внимание, если контур делать цельным из гибких полимерных труб.
Рабочая жидкость в установке грунтового теплового насоса.
Ранее, в системах проводящих тепло из грунта, был использован раствор соли NaCl, отсюда и возник сегодня термин – соляные насосы. «Солянки» давно уже не применяются. Самым популярным является водный раствор пропиленгликоля, считающийся экологичным. Как правило, именно он рекомендуется для заполнения – он может покупаться, как готовая рабочая жидкость для такого использования. При его выборе необходимо руководствоваться рекомендациями производителя теплового насоса, так как жидкость может содержать различные добавки ингибиторов, стабилизаторов, антиоксидантов.
Пропиленгликоль имеет не только достаточно низкую температуру застывания, но и не вызывает коррозии металлов, не растворяет пластик и не вызывает размывания насосов. Тем не менее, его плотность и вязкость, положительно влияющие на количество энергии, необходимой для прокачки, больше, чем воды, поэтому его используют в не очень большой концентрации (34%). Есть, конечно, много жидкостей, которые не замерзают при температуре -15 градусов Цельсия. Часто используется также раствор этиленгликоля, но он считается вредным для окружающей среды, потому что ядовитый и не подвергается биологическому разложению.
Хорошие свойства имеет также этанол. Его самое большое преимущество — это низкая вязкость и плотность, благодаря чему его прокачка поглощает меньше энергии. Применение его не является популярным из-за его воспламеняемости, интенсивного запаха, и, в первую очередь, отсутствия смазочных свойств, что грозит повреждением циркуляционного насоса. Поэтому некоторые производители запрещают его использование.
Преимущества и недостатки
Плюсы
- Практически неисчерпаемый и стабильный источник энергии;
- Производители подобных систем называют такое отопление бесплатным для владельца. Но это не так, поскольку нельзя забывать о затратах на электричество. Тем не менее, это обходится дешевле традиционных систем отопления;
- Геотермальное отопление можно использовать практически в любом регионе, за исключением северных;
- Геотермальные отопительные установки не имеют вредных выбросов;
- Занимают немного места в доме (размером примерно с холодильник);
- Возможна настройка работы установок как на нагрев, так и на охлаждение;
- Если есть необходимость, то геотермальную установку можно интегрировать в систему отопления дома с газовым или электрическим котлом.
Минусы
- Длительный срок окупаемости;
- Большая сумма первоначальных вложений при покупке и монтаже системы геотермального отопления.
Монтаж системы
Геотермальное отопление загородного дома на этапе обустройства требует солидных денежных вложений. Высокая итоговая стоимость системы во многом обусловлена большим объемом земельных работ, связанных с монтажом контура нагревания.
С течением времени финансовые затраты окупаются, поскольку используемая в отопительный сезон тепловая энергия извлекается из земных глубин с минимальными затратами электроэнергии.
Монтаж горизонтального теплообменника геотермальной системы отопления
Для обеспечения отопления дома теплом земли необходим монтаж системы
- основная часть должна располагаться под землей или на дне водоема;
- в самом доме устанавливается только достаточно компактное оборудование и прокладывается контур радиаторного или напольного отопления. Оборудование, расположенное внутри дома, позволяет регулировать уровень нагрева теплоносителя.
Как выглядит геотермальное оборудование в доме При проектировании отопления за счет тепла земли, необходимо определиться с вариантом монтажа рабочего контура и типом коллектора.
Различают два типа коллекторов
- Вертикальный — погружается в грунт на несколько десятков метров. Для этого на небольшом расстоянии от дома требуется пробурить некоторое количество скважин. В скважины погружается контур (самый надежный вариант — трубы из сшитого полиэтилена).
- Недостатки: Большие финансовые затраты на бурение в грунте нескольких скважин глубиной от 50 метров.
Преимущества: Подземное расположение труб на глубине, где температура грунта отличается стабильностью, обеспечивает высокую эффективность работы системы. Кроме того, вертикальный коллектор занимает небольшую площадь земельного участка.
-
- Горизонтальный. Использование такого коллектора допускается в регионах с теплым и умеренным климатом, так как глубина промерзания грунта не должна превышать 1,5 метров.
- Недостатки: Необходимость использования большой площади участка (основной недостаток). Этот участок земли после укладки контура невозможно использовать под сад или огород, так как система работает с выделением холода при транспортировке хладагента, из-за чего корни растений будут перемерзать.
Преимущества: Более дешевые земельные работы, которые можно даже выполнить своими силами.
Горизонтальный и вертикальный тип коллектора Геотермальную энергию можно добывать, если уложить на дне непромерзающего водоема горизонтальный геотермический контур. Однако, это сложно осуществить на практике: водоем может быть расположен за пределами частной территории и тогда установку теплообменника нужно будет согласовывать. Расстояние от отапливаемого объекта до водоема должно составлять не более 100 метров.
