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

Бытовая техника

Геотермальный тепловой насос представляет собой комплекс устройств, используемых для извлечения тепла из подземных вод, подземных озер и непосредственно из земли. Эта тепловая энергия может быть использована для обогрева жилого дома, технологических процессов и сельскохозяйственных нужд. Использование такого устройства означает получение неограниченного доступа к теплу в любое время и в неограниченном количестве.

Содержание

  • Устройство и принцип работы геотермальных систем
  • Типы тепловых насосов
  • Типы наземных систем по типу расположения теплообменника
  • Преимущества и недостатки геотермальных насосов
  • Критерии выбора геотермальной системы
  • Как рассчитать мощность установки
  • Лучшие производители тепловых насосов
  • Часто задаваемые вопросы
  • Видео обзор плюсов и минусов геотермального отопления
  • Устройство и принцип работы геотермальных систем

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

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

    Термальные или геотермальные тепловые насосы — это автономные электростанции, использующие низкопотенциальную тепловую энергию земли и грунтовых вод для обогрева дома. Системы уже давно используются в ЕС, Америке и Азии. Многолетняя практика его применения показала целесообразность дальнейшей эксплуатации и позволила увидеть и устранить некоторые недостатки.

    Теплоснабжение геотермальными насосами основано на использовании низкопотенциальной энергии. По сути, это те же кондиционеры, только работают они наоборот — на обогрев. Они также могут охлаждать помещения. Но конструкция тепловых насосов больше подходит для обогрева, чем для подачи холода.

    Основным рабочим элементом системы является тепловой насос. Это устройство, которое занимает не больше места, чем бытовая газовая плита. КПД насоса достаточно высокий: на каждый киловатт израсходованной энергии он вырабатывает до пяти киловатт тепла.

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

    Установка подключена к 2 контурам:

    Внешний

    Большой теплообменник, установленный под землей или в резервуаре. В нем теплоноситель, приняв комнатную температуру, подается к тепловому насосу, откуда накопленное тепло поступает во внутренний контур.

    Внутри

    Это семейная система отопления, состоящая из радиаторов и труб.

    Алгоритм работы системы:

    1. Геотермальные насосы: принцип работы системы отопления, критерии выбора, лучшие производители

      Хладагент внешнего контура прокачивается по трубам насосом. Во время движения жидкость нагревается на несколько градусов от земли, воды или воздуха.

    2. Внешний контур проходит через теплообменник испарителя, где нагревает хладагент, например фреон, который испаряется. Хладагент поступает в испаритель через отверстие капилляра и быстро расширяется, что также способствует нагреву.
    3. Компрессор сжимает нагретый хладагент, повышая температуру фреона.
    4. Горячий сжатый хладагент поступает в конденсатор. В ней он остывает и переходит из пара в жидкость, которая передает тепло хладагенту системы отопления, циркулирующему по трубам. Другой вариант – подогрев воздуха, который распределяется по помещению.
    5. Кроме того, хладагент снова поступает в испаритель и нагревается за счет новой порции хладагента, циркулирующего во внешнем контуре.
    6. КПД тепловых насосов достигает 300-700%. Это связано с тем, что теплоноситель внешнего контура выходит из насоса, с температурой от -15 до +7 градусов, и нагревается грунтом, водой или воздухом на 2-8 градусов, забирая часть энергии от внешних источников. Хладагент в насосе испаряется за счет работы компрессора и тепла, поступающего извне.

    Виды теплонасосов

    Геотермальные установки различают по типу теплоносителя во внутреннем и внешнем контурах.

    В зависимости от используемых функций и элементов они подразделяются на следующие виды:

    «Вода вода»

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

    Принцип работы основан на способности воды поддерживать высокие температуры в нижних слоях. Трубы с хладагентом снабжены зарядкой для погружения в воду. Если водоема рядом с участком нет, используется потенциал подземных вод. Основными преимуществами таких установок являются низкие затраты на строительство, малые тепловые потери и отсутствие необходимости использования мощных насосных станций.

    «Воздушная вода»

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

    Использует окружающую среду воздух — наиболее доступный и возобновляемый источник. Основным преимуществом систем является простота установки и обслуживания. К недостаткам можно отнести чувствительность к внешним температурным режимам. Наибольшая эффективность достигается при температуре воздуха -15 градусов. При сильных колебаниях температуры эффективность работы значительно снижается.

    «земля вода»

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

    Наземные системы отбора тепла с использованием термодатчиков и зондов. Это лучший способ создать автономное отопление в загородном доме вне зависимости от места установки.

    В состав установки входит теплообменник, который размещается ниже уровня промерзания земли, и сам тепловой насос обратного цикла Карно (работает как холодильник наоборот, то есть вырабатывает тепло).

    В системах такого типа используются два теплоносителя: антифриз (или рассол), получающий тепло от земли, и фреон, циркулирующий в контуре, который подключен к радиаторам отопления.

    Количество тепла, вырабатываемого этой системой, в 4 раза превышает количество электрической энергии, затраченной на ее производство.

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

    Виды грунтовых систем по типу расположения теплообменника

    Ключевым элементом геотермального насоса является грунтовый теплообменник. Благодаря ему тепловой насос получает из земли некачественное тепло.

    Есть 3 типа устройств:

  • Горизонтальный
  • Геотермальные насосы: принцип работы системы отопления, критерии выбора, лучшие производители

    Монтаж этого теплообменника самый простой. Но главный недостаток — расположение в солидном районе.

    Устройство такого теплообменника осуществляется на глубине ниже уровня промерзания грунта, обычно от 1 до 3 м в зависимости от географического района и типа грунта. Поэтому для установки не требуются большие земляные работы.

    Шаг укладки труб должен быть не менее 0,7 м для эффективной работы коллектора. Рекомендуется использовать контур общей протяженностью не более 150 м из-за высокого гидравлического сопротивления. При использовании нескольких контуров необходимо стараться сделать каждый из них примерно одинаковой длины.

  • Вертикальный
  • Геотермальные насосы: принцип работы системы отопления, критерии выбора, лучшие производители

    Такие теплообменники находятся на глубине 20 м. Температура там стабильна в течение всего года и равна 8-10 градусам, она поддерживается благодаря геотермальной энергии недр. Для получения энергии используются вертикальные наземные теплообменники, называемые «зондами».

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

    Теплоотвод вертикального теплообменника выше, чем горизонтального, и составляет в среднем 50 Вт/м. Однако фактическое значение может сильно отличаться и зависит от влажности породы и наличия грунтовых вод.

  • Геотермальные насосы: принцип работы системы отопления, критерии выбора, лучшие производители

    Теплообменники типа «корзина» и «спираль»

  • Они сочетают в себе свойства горизонтальных теплообменников с методом установки, напоминающим вертикальные теплообменники.

    Такие устройства размещают на глубине до 5 м. Существуют и некоторые другие модификации грунтовых теплообменников геотермальных тепловых насосов.

    Преимущества и недостатки геотермальных насосов

    Опыт использования систем отопления на базе геотермальных насосов в нашей стране невелик, поэтому объективно оценить их эффективность непросто.

    Но немногочисленные пользователи такого оборудования делятся на 2 лагеря: те, кто хвалит такое оборудование (в эту группу также входят продавцы и монтажники систем) и те, кто столкнулся с некоторыми проблемами в эксплуатации геотермального отопления. Часть противников пострадала из-за недобросовестных монтажников.

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

    На основании отзывов владельцев геотермального отопления можно сделать выводы о преимуществах и недостатках этой системы.

    К его преимуществам относятся:

  • Низкое энергопотребление. На 1 кВт потребляемой электроэнергии получается 2,5-3,5 кВт (фактически) и до 7 кВт (идеально) тепловой мощности.
  • Возможность установки в любой местности – в зависимости от региона используются внешние контуры теплосбора – грунтовые, водяные или воздушные.
  • Реверсивность: система работает на обогрев зимой и на охлаждение летом.
  • Универсальность: его можно использовать для обогрева дома, подогрева воды для ежедневного использования или воды в бассейне.
  • Долговечность — зарубежный опыт говорит о 30-50 годах эксплуатации до замены оборудования.
  • Минимальные затраты на обслуживание.
  • Полная автоматизация процесса.
  • Экологическая безопасность – отсутствие вредных выбросов.
  • Для работы ему нужно только электричество.
  • Системы имеют следующие существенные недостатки:

  • Большие финансовые вложения на стадии проектирования и монтажа.
  • Системы эффективны только с оборудованием «теплый пол» — теплоноситель нагревается до +50 градусов. Таких показателей недостаточно для эффективной работы радиаторов.
  • Низкий КПД при малом разбросе температур теплоносителя во внешнем контуре и среде соединения (земля, вода).
  • Опасность для почвенных микроорганизмов: почва остывает, бактерии погибают, снижается плодородие почвы.
  • Необходимость дополнительных источников тепла при температуре воздуха ниже -25 градусов.
  • Геотермальные насосы: принцип работы системы отопления, критерии выбора, лучшие производители

    Мнение эксперта Кузнецов Василий Степанович Преимущества проявляются в качественном проектировании, правильном выборе оборудования и соблюдении правил монтажа.

    Критерии выбора геотермальной системы

    Выбор типа геотермальной системы зависит от характеристик отапливаемого объекта, его местоположения, средней температуры окружающего воздуха в течение года и в отдельные сезоны. Одним из основных параметров является коэффициент теплопередачи COP. Он равен 1 к 7, то есть 1 кВт электроэнергии преобразуется в 1-7 кВт тепловой энергии.

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

    Важно понимать, что реальный коэффициент будет меньше паспортного, так как при эксплуатации потребуются затраты электроэнергии на прокачку теплоносителя по внешнему контуру. Чем длиннее, тем выше стоимость.

    На практике следует рассчитывать на КПД, равный 2,5-3,2, если вести учет на протяжении всего периода эксплуатации: температура почвы и воды изменяется постепенно в зависимости от погодных условий.

    Выбор среды, из которой будет отбираться тепло, зависит в большей степени от климата региона и геологических особенностей строительной площадки. Альтернативный способ организации геотермального отопления с использованием резервуара.

    Расположение внешнего контура в воде выбирают, если:

  • глубина скважины до грунтовых вод не превышает 20 метров (в некоторых регионах до 45 метров).
  • водохранилище является частным прудом.
  • При несоблюдении этих условий требуется лицензия на право пользования недрами. Если его не обнаружат при контроле, команде придется остановиться и заплатить крупный штраф.

    Важным фактором является расстояние от склада до объекта. Если она больше 25-30 м, эффективность резко падает. В этом случае потребуются дополнительные затраты на откачку теплоносителя и утепление трубопровода.

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

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

    На вашем участке не возбраняется прокладывать внешний контур в земле, но нужно выбрать правильный способ прокладки труб – горизонтальный или вертикальный. В зависимости от состава грунта с одного метра горизонтальной трубы можно извлечь до 50 Вт тепловой мощности. Однако это справедливо для глинистых почв.

    Какой тип теплообменника у геотермального насоса установлен в вашем загородном доме?ГоризонтальныйВертикальный

    Песчаники и суглинки могут давать 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 потребуется участок площадью 450 м2 необходимо. Укладка труб кольцами не эффективна, так как теплоноситель охлаждает землю вокруг себя, и соседние кольца просто не будут эффективно нагреваться.

    Для горизонтального контура нужна абсолютно свободная площадь. По отзывам владельцев участка в месте расположения горизонтального контура теплового насоса через несколько лет меняется структура грунта. В результате овощные растения растут хуже, а землю можно использовать только под газоны. Деревья с мощной корневой системой, способной разрушить трубы, в таких местах не высаживают.

    оптимальной для небольших загородных участков считается вертикальная система проколов или колодцев, в которых размещено несколько контуров, расходящихся в разные стороны. На больших глубинах температура земли более стабильна и мало зависит от погоды. Для выходов труб оборудуется колодец, в котором размещаются коллекторы. Скважины бурят под углом к ​​горизонту и располагают по кругу; это уменьшает влияние каждого контура друг на друга.

    Как рассчитать мощность установки

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

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

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

    Коэффициент мощности и другие параметры рассчитываются с учетом эксплуатационных характеристик:

  • Мощность теплового насоса – на 1 м2/м потребуется тепловая мощность равная 0,7 кВт. Для обогрева частного дома площадью 200 м2 выбирайте установку мощностью 14 кВт.
  • Расчет геотермального контура. В расчетах учитывают влажность и тип почвы, а также средний уровень температуры замерзания. В среднем для получения 1 кВт тепловой энергии потребуется 40-60 м заглубленного водяного контура.
  • Затраты на электроэнергию. Геотермальный насос работает за счет электроэнергии, необходимой для создания принудительной циркуляции теплоносителя в первом водяном контуре, а также для нагнетания фреона в компрессоре. Чем выше COP, тем ниже стоимость электроэнергии и выше окупаемость инвестиций в тепловой насос.
  • Лучшие производители теплонасосов

    При выборе геотермального отопительного оборудования одну из главных ролей играет выбор производителя. По качеству и надежности лучшие тепловые насосы производят немецкие производители.

    Стабильно хороших отзывов заслуживают модели, предлагаемые следующими компаниями:

    Вайланте

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

    Компания производит все виды геотермальных насосов. С другой стороны, были разработаны серии для размещения водосборника на дне резервуара с использованием геотермальных зондов и размещения контура ниже точки замерзания. Теплоноситель на выходе нагревается до 60 градусов. Максимальная производительность 46 кВт. Минус продукции Vaillant – скромный выбор насосов. Но этот недостаток компенсируется высоким качеством продукции.

    Стибель Элтрон

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

    Продукция этой компании предназначена для частичной и полной компенсации потребности в отоплении жилых помещений. Все модели интегрированы в систему вентиляции и летом работают как кондиционеры. Производительность тепловых насосов Stiebel Eltron до 98 кВт.

    Виссман

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

    Станции комплектуются встроенными гидроаккумуляторами, для обеспечения нужд горячего водоснабжения различной емкости. Насосы Vitocal 300-G/-W Pro способны развивать мощность до 290 кВт. Максимальный нагрев теплоносителя составляет 60 градусов.

    Будеро

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

    Компания специализируется на бытовых отопительных приборах мощностью до 60 кВт. Подача теплоносителя с температурой 65 градусов. При этом шум геотермального насоса Buderus благодаря специально разработанной изоляции составляет всего 40 дБ.

    Частые вопросы

    Какое количество теплоты можно отвести от спиральных теплообменников манометра?

    Один из производителей указывает, что спиральный зонд длиной 3 метра может выдавать до 500 Вт, что эквивалентно примерно 167 Вт на метр. Однако все зависит от типа почвы. При длине спирали во влажном песке или суглинке из 3-метровой спирали можно извлечь 300 Вт.

    Хватит ли встроенного водонагревателя на 160 литров для семьи из 4 человек?

    Это зависит от потребности семьи в воде. Обычно достаточно 160 литров. Но если вы, например, часто пользуетесь гидромассажной ванной, вам следует подумать об установке дополнительного источника воды. Это может быть дополнительный электрический водонагреватель (например, COMPACT 200) или тепловой насос 11-го типа с накопителем.

    Какое количество загрузок системы в день и год считается нормальным?

    Этот показатель не является постоянным и зависит от того, сколько часов в году работает компрессор. Нормальное количество часов в год 3000-4500. Чем меньше часов работы, тем чаще запускается компрессор и наоборот. Обычное количество пусков может варьироваться от 4000 до 16000 в год. Также возможно большее количество запусков при соблюдении дополнительных условий и обстоятельств.

    Видео-обзор плюсов и минусов геотермального отопления

    Читайте также:   Котлы на пеллетном топливе: устройство, принцип работы, лучшие модели
    Оцените статью