Источники тепла и способы доставки энергии
Источником тепла для теплового насоса может являться любой ресурс, который не уходит в отрицательную температуру даже зимой.
Но даже низкопотенциальные источники можно эффективно использовать. Для этого придется делать длинный контур сбора энергии. Это один из самых заметных минусов такой системы – занимает большую площадь вокруг дома. К этому прилагаются большие затраты на специальное оборудование и наружный контур сбора тепла.
Вода
В холодное время года вода под ледяной коркой имеет положительную температуру. Для перемещения тепловой энергии к насосу используют полимерные трубы, по которым течет антифриз или соляной раствор, то есть любая незамерзающая жидкость.
Грунт
Грунт ниже зоны, до которой промерзает земля, всегда положительной температуры. Отопление с помощью грунта делится на вариант с горизонтальным коллектором и вертикальным.
Горизонтальные геотермальные контура
Для системы горизонтальных геотермальных контуров необходимо как минимум 200 м² площади. Первым делом нужно снять промерзающий слой грунта около 1,5 м (зависит от местности). Глубже летнее тепло уже не проникает, поэтому копать дальше не имеет смысла.
Вертикальные зонды
Вертикальные зонды более эффективны, поэтому их потребуется меньшее количество. Они опускаются на глубину ниже 20 м к стабильной температуре выше 10oC (зависит от местности и вида почвы) с помощью скважин.
Кластерное бурение
Если места на предыдущие коллекторы не хватает, то используют технологию кластерного бурения. Достаточно участка размером 4 м², так как скважины расходятся в стороны уже под землей. На нем снимают верхнюю часть почвы и строят колодец, в который направлены зондовые трубы.
Способы размещения труб (коллектора)
- Первый из них, горизонтальный, подразумевает размещение коллектора под точкой промерзания грунта. В зависимости от региона глубина расположения коллектора может составлять от полутора метров. Длинна подземного трубопровода не может быть короче труб теплого пола, уложенных в доме, так же она зависит от обводненности грунта, чем влажнее земля, тем выше теплоотдача.Не допускается строительство над контуром сооружений с заглубленным фундаментом, а после завершения монтажа потребуется благоустройство участка.
- Второй способ расположения коллектора – вертикальный. Придется бурить в грунте несколько скважин на расстоянии не ближе 2-3 м от дома, каждая из которых входит в почву под своим углом и направлены они в разные стороны. Внутри земляных отверстий глубиной до 50 м размещают геотермальные зонды. По конструкции это одна или пара U-образных труб, выполненных из пластика марки ПНД. Одна скважина (1 погонный метр) способна отдать до 50 Вт. Т. е., чтобы получить те же 7-9 кВт, нужно от 150 до 200 м геотермальных зондов. Это актуально, если участок небольшой, места мало. Данный способ в разы дороже горизонтального, но его плюс, не нарушается ландшафт участка. Единственное дополнительное условие – подготовка небольшого места под кессонный колодец, объединяющей трубы коллектора.
- Третий способ требует наличия рядом с домом водоема, который не промерзает зимой до дна (глубина должна быть от 2 м),там где будет располагаться затопленный геотермальный контур. Преимущества метода заключается в отсутствии необходимости проведения трудоемких земляных работ (исключая рытье транше до дома). Но есть и минусы – потребуется специальное разрешение, особенно, если водоем общественный. К тому же далеко не у каждого загородного дома рядом имеется озеро или пруд, река. И все же этот способ считается наиболее экономичным. Для отопления 100 кв. м площади понадобится от 250 до 300 погонных метров коллектора.
- И последний способ обустройства геотермальной установки – переливной. Когда вода отбирается из пробуренной водоносной скважины охлаждается в ТН на 4-5 градусов и снова сбрасывается, либо в приемную скважину, находящуюся на удалении 20 метров, либо в ближайший водоём. Недостатки данного способа заключаются в невозможности контроля уровня водоносного горизонта и необходимости дооборудования ТН фильтрами и промежуточными теплообменниками.
Подбор и расчёт геотермального насоса
Когда будете выбирать подходящую модель, обращайте на такие параметры, как СОР, тип укладки контура с теплоносителем, дополнительные функциональные возможности. Давайте, рассмотрим эти параметры подробнее.
- Коэффициент СОР. Показывает соотношение, по которому можно судить о рентабельности установки. Это отношение выработки тепла насосом к затраченной электроэнергии. Значение 4 говорит о том, что при затратах 1 киловатта электричества насос вырабатывает 4 киловатта тепла;
- Длина контура и способ его укладки. Производительность геотермального насоса напрямую зависит от площади теплообменного контура в грунте. Чтобы приблизительно оценить его площадь, нужно общую дома умножить на три. В результате у вас получиться площадь участка, необходимая для укладки контура. Так, вы сможете оценить, возможно ли разместить его на участке рядом с вашим домом;
- Дополнительные возможности. К примеру, возможность обогрева дома зимой и охлаждения летом. Естественно, что для этого потребуется дополнительное оборудование (сплит-система) и расходы.
Геотермальный насос имеет высокий КПД, который превышает таковой у других видов отопительного оборудования. Большинство современных моделей имеют СОР 5. Электрический котёл на 1 киловатт даёт до 0.99 киловатта тепла. То есть, СОР 1.
Расчёт геотермального насоса Насос даёт теплоноситель, нагретый до 65 градусов, если работает при максимальной нагрузке. При оптимальном режиме работы теплоноситель нагревается до 45─50 градусов. То есть, насос без проблем работает с низкотемпературными системами отопления. Что касается мощности, то её можно примерно прикинуть, как 0,7 киловатта на 1 квадратный метр отапливаемого помещения. То есть, для обогрева дома площадью 100 «квадратов», потребуется установка мощностью 7 киловатт.При расчётах контура для геотермального насоса учитывается тип и влажность грунта, средний уровень его промерзания. Обычно специалисты исходят из того, что 1 киловатт тепла даёт водяной контур длиной 40─60 метров в грунте. Электричество в геотермальной системе расходуется на принудительную циркуляцию теплоносителя и работу компрессора. Чем выше коэффициент СОР, тем меньше насос расходует электричества, и тем быстрее он окупится.
Перспективы развития геотермальных конструкций
Всего 25 лет назад в Европе для обогрева жилищ использовали тепло земли 25 млн. домовладельцев, сегодня эта цифра выросла в несколько раз. Это доказывает рентабельность геотермальных систем, окупаемых за несколько лет. К тому же правительства многих стран дотируют домовладельцев, пожелавших использовать энергию земли. В России такие конструкции распространены мало, что связано с большими изначальными затратами. Однако перспективы есть: с развитием конкуренции стоимость тепловых насосов будет уменьшаться, что приведет к удешевлению геотермального отопления. Но лучший вариант – государственная или хотя бы региональная поддержка. Особенно, если учитывать экологическую значимость подобного способа обогрева жилищ.
Геотермальное отопление по стоимости расходов на 2020 год и удобству эксплуатации, приравнивается к отоплению магистральным газом, при этом полностью взрывобезопасно и устанавливается за пару недель. Все остальные способы отопления либо существенно дороже, либо требуют больших ежедневных трудозатрат. Тенденции удорожания энергоносителей в обозримом будущем приведут к выравниванию российских цен с ценами для европейских потребителей. Разговоры об окупаемости в основном ведутся конкурентами по цеху, они не учитывают удобство такого способа отопления и инфляцию.
Сегодня условный потребитель зарабатывает достаточно денег, чтобы не замечать высокую стоимость обогрева своего жилища, но со временем, все может измениться.
Так как мысли о загородном доме возникают у населения нашей страны старше 40 лет, то инвестиции в отопление ТН можно рассматривать как вложения в личный пенсионный фонд. Потратиться на инсталляцию один раз и в последующем получать на 1 кВт электроэнергии 4-5 кВт тепла.
Принцип действия тепловых насосов
Стоит отметить, что практически любая среда обладает тепловой энергией. Почему бы не использовать возможное тепло для отопления своего дома? Поможет в этом тепловой насос.
Принцип работы теплового насоса таков: тепло передается теплоносителю от источника энергии с низким потенциалом. На практике же все происходит следующим образом.
Теплоноситель проходит через трубы, которые зарыты, к примеру, в земле. Потом теплоноситель попадает в теплообменник, где собранная тепловая энергия передается на второй контур. Хладагент, который расположен во внешнем контуре, нагревается, и превращается в газ. После этого газообразный хладагент проходит в компрессор, где сжимается. Это приводит к тому, что хладагент еще больше нагревается. Горячий газ идет в конденсатор, а там тепло переходит к теплоносителю, который уже обогревает сам дом.
Геотермальное отопление дома: принцип работы
Холодильные системы устроены по такому же принципу. Это значит, что холодильные установки могут использоваться для охлаждения воздуха в помещении.
Виды тепловых насосов
Существует несколько видов тепловых насосов. Но чаще всего устройства классифицируются характером теплоносителя на внешнем контуре.
Устройства могут черпать энергию с
- воды,
- грунта,
- воздуха.
Полученная энергия в доме может применяться для отопления помещения, для нагревания воды. Потому и различают несколько видов тепловых насосов.
Тепловые насосы: грунт — вода
Самый лучший вариант альтернативного отопления – получение тепловой энергии из грунта. Так, уже на глубине шести метров земля имеет постоянную и неизменную температуру. В качестве теплоносителя в трубах используется специальная жидкость. Наружный контур системы выполняется из пластиковых труб. Трубы в грунте могут размещаться вертикально или горизонтально. Если трубы размещаются горизонтально, то необходимо выделять большую площадь. Там, где трубы устанавливаются горизонтально, невозможно использовать земли для сельскохозяйственных нужд. Можно только устраивать газоны или сажать однолетние растения.
Чтобы устроить вертикально трубы в грунте, необходимо сделать несколько скважин глубиной до 150 метров. Это будет эффективный геотермальный насос, так как температура на большой глубине у земли высокая. Для передачи тепла применяются глубинные зонды.
Тип насоса «вода — вода»
Кроме того, тепло можно получать из воды, которая находится глубоко под землей. Могут использоваться водоемы, грунтовые воды или сточные воды.
Стоит отметить, что принципиальных отличий между двумя системами нет. Самые малые затраты требуются тогда, когда создается система получения тепла из водоема. Трубы нужно наполнить теплоносителем и погрузить в воду. Более сложная конструкция нужна для того, чтобы создать систему получения тепла из грунтовых вод.
Насосы «воздух — вода»
Можно собирать тепло и с воздуха, но в регионах, где очень холодные зимы, такая система не эффективна. В то же время монтаж системы очень простой. Вам понадобится только выбрать и установить нужное устройство.
Еще немного о принципе действия геотермических насосов
Для отопления очень выгодно использовать тепловые насосы. Дома, площадь которых имеет более 400 квадратных метров, очень быстро окупают затраты на систему. Но если ваш дом не очень большой, то можно сделать систему отопления своими руками.
Сначала нужно купить компрессор. Подойдет устройство, который оснащен обычный кондиционер. Его крепим на стене. Конденсатор можно изготовить самому. Нужно сделать из медных труб змеевик. Его помещают в пластиковый корпус. Испаритель также устанавливается на стене. Пайку, заправку фреоном и тому подобные работы должен выполнять только профессионал. Неумелые действия не приведут к хорошему результату. Мало того, можно получить травму.
Перед тем, как запустить в работу тепловой насос, необходимо проверить состояние электрификации дома. Мощность счетчика должна быть рассчитана на 40 ампер.
Самодельный тепловой геотермальный насос
Отметим, что не всегда созданный своими руками тепловой насос оправдывает ожидания. Причина тому – отсутствие правильных тепловых расчетов. Система имеет малую мощность, а также растут затраты на обслуживание
Поэтому важно провести точно все расчеты. опубликовано econet.ru
Геотермальное отопление: разбираем принцип работы
Принцип работы такого вида отопления достаточно прост и заключается в свойстве земли не промерзать даже при достаточно низких температурах. Например, при температуре воздуха около минус пятнадцати земля промерзнет всего до пяти-семи градусов. А теперь давайте ответим на вопрос, можно ли вполне успешно вытягивать из этого свойства земли пользу и отапливать дом с помощью такого ресурса? Ответ очевиден: конечно же, да! Так почему бы и не сделать это? Дело в том, что все не так уж и просто. Для того чтобы установить такое отопление, нужно решить связанные с этим небольшие проблемы, которые перечислены ниже.
Геотермальное отопление монтаж
- Чтобы достать из земли максимум тепла, нужно аккумулировать эту самую энергию тепла и сконцентрировать ее на обогревании дома, а это стоит некоторых усилий.
- Нужно поддерживать температуру проводника. Нагретый стояк должен проводить тепло в жидкостях, которая будет проходить в центральной системе отопления.
- Если же этот проводник остыл, его температуру нужно незамедлительно восстановить путем нагрева. Чтобы решить данную неурядицу были изобретены специальные геотермальные тепловые насосы, которые помогают справиться с поставленной задачей. Данное устройство помогает извлечь необходимое для нормального отопления дома количество тепла, которое может быть использовано для самых разных нужд. Кстати, такие насосы способны справляться с достаточно большими объемами работы. Возможности конструкции напрямую зависят от ее расположения в доме.
Если раньше такое явление, как отопление дома с помощь тепловой энергии земли можно было встретить исключительно за пределами нашей страны, то сегодня такие устройства – не чудо и не редкость.
Схема работы тепловых конструкций
При этом обратите внимание, что устанавливаются они не только на территории южных, теплых частей, как вы могли подумать. На территории Северных регионов это даже более частое явление. Давайте разберем более подробно, какая же схема работы у конструкций
Давным-давно у людей возник вопрос, почему же при испарении с какой-либо поверхности определенных жидкостей, затем поверхность охлаждается, и почему же при этом забирается энергия. Как только ответ на данный вопрос был дан, возникла мысль, почему бы не запустить этот механизм в обратном порядке, то есть почему бы вместо ледяного, не получить теплый воздух. В пример можно привести работу современных систем кондиционирования: многие из них могут не только охлаждать, но и нагревать воздух. Единственным минусом таких устройств является их ограниченность в функционировании при маленьких температурах. В определенной температуре они просто не могут работать. В отличие от них, геотермальное отопление загородного дома полностью лишено такого недостатка, хотя принцип работы у них и у вышеупомянутого устройства примерно одинаковый
Давайте разберем более подробно, какая же схема работы у конструкций. Давным-давно у людей возник вопрос, почему же при испарении с какой-либо поверхности определенных жидкостей, затем поверхность охлаждается, и почему же при этом забирается энергия. Как только ответ на данный вопрос был дан, возникла мысль, почему бы не запустить этот механизм в обратном порядке, то есть почему бы вместо ледяного, не получить теплый воздух. В пример можно привести работу современных систем кондиционирования: многие из них могут не только охлаждать, но и нагревать воздух. Единственным минусом таких устройств является их ограниченность в функционировании при маленьких температурах. В определенной температуре они просто не могут работать. В отличие от них, геотермальное отопление загородного дома полностью лишено такого недостатка, хотя принцип работы у них и у вышеупомянутого устройства примерно одинаковый.
Геотермальное отопление загородного дома
Монтаж теплообменника
Актуальными типами установки являются такие варианты:
- вертикальный, когда нужно бурить несколько скважин;
- горизонтальный, где выкапывают траншеи ниже глубины промерзания;
- подводный, когда укладка проводится по дну ближайшего водоема.
Это интересно: Разбираемся вместе — что эффективнее однотрубная или двухтрубная система отопления?
Самодельные установки
Агрегат, добывающий тепло из окружающей среды, можно создать самому, если взять за основу бытовой холодильник или кондиционер. Рассмотрим подробнее, как смонтировать тепловой насос своими руками. Подходящей альтернативой отоплению загородного дома послужит такая система, поскольку она не требует дорогостоящего подключения к газовой сети или постоянной заботы о покупке и доставке топлива.
Теплонасос из холодильника
Использование холодильника в качестве базиса для изготовления теплового насоса напрашивается по очевидной причине — конструкция агрегата включает такой ключевой элемент как компрессор.
На первом этапе работ следует изготовить конденсатор в виде емкости с теплообменным контуром в виде змеевика. Самодельный контур для циркуляции теплообменника лучше всего выполнить из тонкой медной трубки, предназначенной для монтажа инженерных сетей. Толщина стенки должна составлять не менее 1 мм. Трубку наматывают ровными витками на цилиндрический предмет подходящего диаметра. Затем готовый змеевик снимают с цилиндра. Для жесткости поверх витков змеевика можно установить перфорированные алюминиевые уголки, чтобы с равным шагом фиксировать витки к их отверстиям.
Тепловой насос из холодильника
Самодельный конденсатор представляет собой емкость из прочного материала, устойчивого к высоким температурам. Лучше всего выбрать бак из нержавеющей стали емкостью порядка 100 литров. Чтобы в ходе монтажа змеевик не деформировался, рекомендуется разрезать резервуар, установить туда контур, и сварить разрезанную емкость обратно. При этом в баке следует прорезать выходные отверстия для концов змеевика — сверху и снизу. В отверстия ввариваются резьбовые патрубки.
На следующем этапе необходимо установить компрессор от старого бытового холодильника. Предварительно проверьте его исправность. Компрессор монтируют на стену помещения при помощи кронштейнов, и рядом с ним устанавливают остальное оборудование.
Трубы внутреннего контура заводят в испаритель — пластиковую емкость, объем которой должен соответствовать объему конденсаторного бака. Внутрь испарителя ставят змеевик из трубы, диаметр которой составляет ¾ дюйма. Для монтажа водяного контура применяются трубы ПВХ. На заключительном этапе систему заправляют фреоном — это должен сделать специалист, располагающий соответствующим оборудованием.
Тепловой насос из холодильника способен обогревать небольшое помещение или постройку — гараж, мастерскую.
Теплонасос из кондиционера
Самодельный тепловой насос из кондиционера изготавливается несколькими способами. К особенностям кондиционера можно отнести схожесть принципов его работы с функционированием теплового насоса. Но есть и ряд отличий, в том числе касающийся температурного режима работы — сплит-системы не приспособлены для функционирования при низких температурах. Чтобы из кондиционера выполнить тепловой насос, требуется самостоятельно модифицировать имеющуюся конструкцию.
Работа теплонасоса из кондиционера
Способ 1. Наружный блок кондиционера меняют местами с внутренним, в котором расположен испаритель. Функция испарителя в тепловом насосе — передавать низкопотенциальное тепло. Во внешнем блоке находится конденсатор, передающий тепловую энергию. Теплоносителем в системе служит вода или воздух. Если выбрана вода, конденсатор требуется смонтировать внутри резервуара, где будет передаваться тепло.
Способ 2. Климатическая техника полностью разбирается, а ее детали идут на сборку классической схемы, в которой задействованы испаритель, компрессор и конденсатор.
Как устроено?
Принцип работы геотермального отопления подразумевает использование тепловых насосов. Они действуют по классическому циклу Карно, беря глубоко внизу холодный теплоноситель и получая взамен нагретый до 50 градусов поток жидкости внутри отопительной системы. Аппаратура работает с коэффициентом полезного действия от 350 до 450% (это не противоречит фундаментальным физическим законам, почему – будет сказано позже). Стандартный тепловой насос обогревает дом или иное здание за счет тепла земли на протяжении 100 тысяч часов (именно таков средний промежуток между профилактическими капитальными ремонтами).
Нагрев до 50 градусов выбран неслучайно. Именно такой показатель по результатам специальных расчетов и при изучении практически реализованных систем был признан наиболее эффективным. Поэтому земляное отопление, использующее поток энергии из недр, в основном дополняется не радиаторами, а теплым полом или воздушным контуром. В среднем, на 1000 Вт энергии, приводящей в работу насос, удается поднять наверх примерно 3500 Вт тепловой энергии. На фоне безудержного роста стоимости теплоносителя в магистральной сети и иных способов отопления это очень приятный показатель.
Геотермическое отопление образовано тремя контурами:
- грунтовым коллектором;
- тепловым насосом;
- собственно, греющим комплексом дома.
Причина проста – та вода, которая встречается в достаточно разогретом слое почвы, быстро разъедает оборудование. И даже такую жидкость можно найти далеко не в любом произвольно взятом месте. Выбор конкретного теплоносителя определяется конструктивными решениями инженеров. Насос подбирается в зависимости от устройства остальных частей системы. Поскольку глубина скважины (уровень заложения оборудования) определяется природными условиями, решающие отличия между типами геотермальных систем связаны с устройством коллектора в грунте.
Горизонтальная структура подразумевает расположение коллектора под линией промерзания почвы. В зависимости от конкретной местности это означает углубление на 150-200 см. Такие коллекторы могут оснащаться различными трубами, как медными (с внешним слоем из ПВХ), так и сделанными из металлопластика. Чтобы получить от 7 до 9 кВт тепла, придется уложить не менее 300 кв. м коллектора. Такая методика не позволяет приближаться к деревьям более чем на 150 см, а по окончании монтажа придется благоустраивать территорию.
Вертикально выставленный коллектор подразумевает бурение нескольких скважин, причем обязательно устремленных в разные стороны, и каждую ведут под своим углом. Внутри скважин располагаются геотермальные зонды, тепловая отдача от 1 пог. м достигает примерно 50 Вт. Нетрудно подсчитать, что для идентичного количества тепла (7-9 кВт) придется поставить 150-200 м скважин. Преимущество в этом случае не только в экономии, но и в том, что ландшафтная структура территории не изменяется. Надо будет только выделить небольшой участок для монтажа кессонного блока и для выставления концентрирующего коллектора.
Нагреваемый от воды контур практичен, если можно вывести наружный узел обмена теплом в озеро или пруд на глубину от 200 до 300 см. Но обязательным условием будет расположение водоема в радиусе 0,1 км от отапливаемого строения и площадь водного зеркала минимум 200 кв. м. Существуют также воздушные теплообменники, когда получение тепла внешним контуром происходит из атмосферы. Подобное решение отлично проявляет себя в южных областях страны и не требует никаких земляных работ. Слабости системы – низкий КПД при морозе в 15 градусов и полная остановка, если температура понизится до 20 градусов.
