Что такое геотермальный тепловой насос

Геотермальные тепловые насосы: принцип работы и особенности

Геотермальные тепловые насосы — это устройства, которые используют внутреннее тепло Земли для обогрева помещений и обеспечения горячего водоснабжения. Такая система эффективна в регионах, где есть доступ к теплу, например, в виде подземных вод, речек, колодцев или грунтовых слоев, температура которых всегда положительная (ниже уровня промерзания земли).

Принцип работы геотермального теплового насоса

Геотермальный насос извлекает тепло из окружающей среды (например, из подземных вод или грунта) и передает его в систему отопления и горячего водоснабжения. Это делается с помощью циклического процесса, в котором используются теплообменники, компрессоры и теплоносители. Рассмотрим этот процесс более подробно.

1. Извлечение тепла из внешней среды
   Подземные воды или грунт, находящиеся ниже уровня промерзания (где температура всегда остается положительной), служат источником тепла. Эти среды обладают температурой выше 0°C даже зимой, что делает их подходящими для отопления. Вода или другой теплоноситель поступает в теплообменник-испаритель. Здесь тепло передается хладагенту (чаще всего фреону, который имеет низкую температуру кипения, примерно -5°C). Теплоноситель, отдавая тепло хладагенту, охлаждается и возвращается обратно в источник, будь то вода из колодца или из грунта. Хладагент, нагреваясь, начинает испаряться при температуре +5°C, переходя в газообразное состояние. Это критический момент, потому что преобразование тепла в пар — это начало основного цикла работы.
2. Сжатие хладагента
   Газообразный хладагент поступает в компрессор, где его сжимают, что приводит к резкому повышению давления и температуры. Сжатие газа в компрессоре выделяет значительное количество тепла. Газ выходит из компрессора при температуре от +35°C до +65°C.
3. Передача тепла в систему отопления
   Горячий газ поступает в конденсатор, где он отдаёт тепло в систему отопления. Это может быть система водяного обогрева (радиаторы, теплые полы и т. д.) или система горячего водоснабжения (ГВС). Процесс охлаждения газа в конденсаторе приводит к его частичной конденсации, но он остаётся в газообразном состоянии при высоком давлении.
4. Снижение давления и охлаждение хладагента
   Оставшаяся часть тепла постепенно теряется, и хладагент всё ещё остается в газообразном состоянии, но при более низкой температуре. Для того чтобы цикл завершился и хладагент мог снова забрать тепло, он поступает в сбрасывающий клапан. Здесь давление резко понижается, и хладагент остывает и конденсируется, превращаясь в жидкость.
5. Возвращение к испарителю
   Сжиженный хладагент снова поступает в испаритель, где он вновь забирает тепло из окружающей среды (например, из воды или грунта) и цикл повторяется.

Особенности и преимущества геотермальных тепловых насосов

• Высокая эффективность: Геотермальные тепловые насосы могут достигать коэффициента полезного действия (COP) от 4 до 6, что означает, что на каждый киловатт электрической энергии, затрачиваемой на работу насоса, он может предоставить от 4 до 6 киловатт тепловой энергии.
• Экологичность: Это решение является экологически чистым, так как использует природные ресурсы (тепло земли) и не выделяет вредных выбросов в атмосферу. Таким образом, такие насосы не только экономят энергию, но и снижают углеродный след.
• Долговечность: Геотермальные системы очень долговечны. При правильной установке и обслуживании, они могут служить десятилетиями (до 50 лет и более для подземных контуров, и до 20 лет для насосного оборудования).
• Независимость от внешних факторов: В отличие от воздушных тепловых насосов, геотермальные устройства не зависят от температурных колебаний воздуха. Даже в холодные зимы система будет работать эффективно, так как температура грунта и подземных вод остаётся стабильной.
• Не требует больших площадей: Геотермальные системы требуют лишь небольшой площади для установки подземных контуров, что делает их подходящими для использования в частных домах, где пространство ограничено.

Области применения геотермальных тепловых насосов

Геотермальные тепловые насосы применяются не только в частных домах, но и в коммерческих и промышленных объектах, таких как:

• Жилые и коммерческие здания: Обогрев и горячее водоснабжение для частных домов, коттеджей, многоквартирных домов и офисных комплексов.
• Сельское хозяйство: Обогрев теплиц, создание комфортных условий для животных, отопление складов.
• Гостиницы и курорты: Экономичные системы отопления и горячего водоснабжения.

Геотермальные тепловые насосы — это эффективное, экологически чистое и экономичное решение для отопления и горячего водоснабжения. Они используют природное тепло Земли, что позволяет значительно снизить затраты на энергию и уменьшить воздействие на окружающую среду.

Источники тепла и методы доставки энергии для тепловых насосов

Тепловые насосы используют различные источники тепла, которые могут быть доступны даже в зимний период. Основными источниками тепла являются:

1. Водные источники:
   • Вода, даже под ледяной коркой, сохраняет положительную температуру, что делает её подходящим источником тепла. Для получения тепловой энергии из водоемов используются системы трубопроводов, которые помещаются в воду. Эти трубы, заполненные незамерзающей жидкостью (например, соляным раствором или антифризом), передают тепло к тепловому насосу. В среднем один метр водопровода может обеспечить около 30 Вт тепла. Для расчета необходимой длины трубопроводов общее требуемое количество ватт делится на 30.
2. Грунтовые источники:
   • Грунт ниже уровня промерзания земли сохраняет положительную температуру на протяжении всего года. Системы отопления, использующие тепло грунта, делятся на два основных типа:
     • Горизонтальные коллекторы: Для установки горизонтального геотермального контура требуется минимум 200 м² площади. При его строительстве сначала снимается верхний промерзающий слой грунта на глубину около 1,5 м. Снимать более глубокий слой нецелесообразно, так как летнее тепло не проникает на такую глубину.
     • Вертикальные зонды: Вертикальные зондовые системы устанавливаются в скважины, которые опускаются на глубину ниже 20 м, где температура стабильно превышает 100°C (глубина зависит от местности и типа почвы).
3. Кластерное бурение:
   • Если площадь участка недостаточна для установки вертикальных зондов, применяется технология кластерного бурения. Для этого необходимо минимальное пространство от 4 м². В этом случае снимается верхний слой почвы, и создается колодец, в котором устанавливаются зондовые трубы. Скважины располагаются под землей горизонтально, расходясь в разные стороны.
4. Технология геообмена:
   • Эта технология позволяет тепловым насосам использовать накопленное в почве тепло. На глубине более 6 м температура почвы равна средней годовой температуре воздуха на данной широте, которая в среднем составляет около 14 °C. Это тепло может быть эффективно использовано для отопления и горячего водоснабжения.

Преимущества и недостатки геотермальных тепловых насосов

Преимущества:

1. Экологичность
   Геотермальный тепловой насос использует тепло, поступающее из недр Земли. Это возобновляемый ресурс, который не наносит ущерба окружающей среде, не приводит к загрязнению и не выбрасывает вредных веществ в атмосферу. Таким образом, система является экологически чистым решением для отопления и горячего водоснабжения.
2. Надежность и долговечность
   Геотермальные системы могут служить десятилетиями. Производители дают гарантии до 100 лет на скважинные зонды, что свидетельствует о надежности этого типа системы. Основные компоненты системы, такие как компрессоры и другое оборудование, также обладают длительным сроком службы, достигающим до 30 лет.
3. Высокая эффективность
   Геотермальные тепловые насосы являются одними из самых эффективных устройств. Из 1 кВт электроэнергии, затрачиваемой на работу компрессора, можно получить до 5 кВт тепла для отопления, горячего водоснабжения и теплых полов. Это делает их очень энергоэффективными и позволяет значительно снизить эксплуатационные расходы в долгосрочной перспективе.
4. Независимость и автономность
   Геотермальная система не зависит от внешних факторов, таких как погодные условия, колебания температуры воздуха или поставки топлива. Это делает её очень стабильной в работе и дает возможность обеспечить стабильный источник тепла в любое время года. Система может работать десятилетиями без значительных затрат на топливо или внешние ресурсы.

Недостатки:

1. Долгая окупаемость
   В отличие от традиционных источников отопления, геотермальные системы требуют значительных первоначальных вложений. Срок окупаемости может варьироваться от 3 до 10 лет, в зависимости от конкретных условий местности и технических характеристик оборудования. Тем не менее, после этого периода система начинает приносить ощутимую экономию на отоплении и водоснабжении.
2. Занимаемая площадь
   Геотермальные системы занимают значительные площади для установки подземных контуров. Для горизонтальных геотермальных контуров требуется достаточно большое пространство (до 4 м² на 1 кВт мощности), что может быть проблемой для малых участков. В случае кластерного бурения (для нескольких домов) площадь немного уменьшается, но стоимость увеличивается. Горизонтальные контуры обходятся дешевле, чем вертикальные, но требуют больше места.
3. Сложность установки и подключения
   Установка геотермальной системы требует специальных знаний и опыта, так как включает в себя бурение скважин, прокладку трубопроводов и монтаж оборудования. Это сложный и дорогостоящий процесс, требующий высокого уровня профессионализма. Особенно это актуально для одиночных домов, где сложность подключения увеличивается, а если речь идет о нескольких зданиях, подключение становится немного проще, но все равно требует серьезных затрат на инфраструктуру.

Виды геотермальных тепловых насосов

Геотермальные тепловые насосы можно разделить на два типа в зависимости от того, какой источник тепла используется: грунт-вода или вода-вода.

1. Тип вода-вода
   Этот тип системы использует энергию из подземных вод, таких как реки, озера, колодцы или сточные воды. Он является более экономичным и легким в установке, так как используется вода, которая стабильно поддерживает высокую температуру круглый год. Однако для установки такой системы необходимо, чтобы рядом с объектом был водоем или доступ к подземным водам. Если водоем отсутствует, можно пробурить две скважины: одна служит для забора воды, другая для её сброса. Эти скважины должны быть расположены не менее чем на 6 метров друг от друга.
2. Тип грунт-вода
   Система грунт-вода использует теплоту, которая содержится в земле. Тепловые зонды (или коллекторы) погружаются в землю на глубину, где температура остается стабильной на протяжении всего года (ниже уровня промерзания). Система грунт-вода подходит для любых территорий, независимо от наличия водоемов, и является более универсальной, чем вода-вода. Эффективность такой системы также высокая, а её основной плюс — возможность работы как на отопление, так и на охлаждение.

Энергетическая эффективность

Один из важнейших аспектов работы геотермальной системы — это её высокая эффективность. Электрическая энергия, которая расходуется на работу компонентов системы, (например, насосов и компрессоров), составляет лишь около 20% от общей потребности энергии, а остальное тепло добывается из земли. Это делает геотермальные насосы одними из самых энергоэффективных систем отопления и горячего водоснабжения.