Геотермальные тепловые насосы для отопления: принцип устройства системы

Содержание:
1.  Что такое тепловые насосы
2.  Принцип отопления геотермальными насосами основан на сборе тепла
3.  Применение водяной тепловой энергии
4.  Применение воздушной тепловой энергии
5.  Виды обмена тепла
6.  Достоинства и недостатки тепловых насосов
При строительстве загородного дома нужно обязательно продумать систему отопления. В настоящее время существует много вариантов обогрева жилья, и один из них – использование тепловых насосов для отопления дома. С такими устройствами знакомы далеко не все, поэтому будет не лишним разобраться, что они собой представляют и какие имеет особенности.

Что такое тепловые насосы

Геотермальные тепловые насосы для отопления по принципу работы похожи на холодильник (подробнее: " Геотермальное отопление: принцип работы на примерах"). Например, в самом обычном холодильнике тепло забирается из камеры и передается в помещение, а его задняя стенка становится горячей. По такому же принципу работают и геотермальные тепловые насосы – они забирают его извне и после повышения температуры передают в дом (прочитайте также: " Тепловой насос: принцип работы - особенности и виды").

Основное достоинство теплового насоса заключается в том, что сам он не перерабатывает тепло, а тратит электроэнергию лишь на его перемещение. Таким образом, для выработки 5 кВт тепловой энергии расходуется всего 1 кВт электричества. Как выглядит тепловой насос, можно посмотреть на фото.

Принцип отопления геотермальными насосами основан на сборе тепла

Внутри планеты находится горячее ядро, поэтому уже на небольшой глубине температура грунта значительно выше уровня замерзания воды. Так, на расстоянии 10-50 метров от поверхности (в зависимости от климата) температура почвы составляет 8-12 градусов. Что касается зон вечной мерзлоты, но в этих областях земля просто не успевает оттаять за короткий летний период. Даже здесь можно пользоваться геотермальными насосами, но источник тепла придется искать на большей глубине. Такие устройства с мелкозаглубленными горизонтальными коллекторами или вертикальными зондами забирают у грунта тепло и передают его дому.
Отопление строений с помощью геотермальных насосов очень выгодно. Эти устройства имеют высокую эффективность, так как температура почвы всегда высока. Чем она выше, тем меньше затраты электричества на транспортирование тепла. Кроме того, данная температура остается постоянной в течение всего года, поэтому система отопления будет высокоэффективной даже в самый сильный мороз.

Главный недостаток, которым обладают геотермальные тепловые насосы для отопления – это большие затраты, связанные с установкой насоса на отопление. Стоимость прибора не настолько высока, а вот чтобы пробурить пару скважин длиной несколько десятков метров, потребуются значительные финансовые вложения.
Использование горизонтального коллектора обходится гораздо дешевле, к тому же траншею для него можно даже выкопать самостоятельно всего за пару дней. Что касается установки теплового насоса, то если есть навыки в области монтажа сплит-систем, и с данным оборудованием проблем не возникнет.
Однако у горизонтальных коллекторов имеется пара существенных недостатков:

• площадь, отведенная под устройство, должна превышать квадратуру дома в несколько раз;
• данный участок не получится использовать для выращивания растений, так как многим из них не пойдет на пользу охлаждение корней.

Применение водяной тепловой энергии

Вода также служит хорошим источником энергии. Главное требование – наличие большого источника с постоянной температурой. Для отопления дома подойдет незамерзающий водоем глубиной хотя бы в 3-4 метра, желательно, проточный. Если на участке высокий уровень грунтовых вод, то также можно воспользоваться тепловым насосом (прочитайте также: " Как подобрать водяной насос для отопления").
Монтаж системы выглядит следующим образом. На дно водоема укладывают трубу теплообменника. Чтобы она не перемещалась течением и не всплывала, ее отягощают грузом (на каждый погонный метр должно приходиться около 5 килограммов веса). Для нормальной работы теплообменника расстояние между витками трубы должно составлять минимум 1,5 метра.

Чтобы получить 10 кВт тепловой энергии (этого достаточно для отопления дома площадью 100 «квадратов» в теплом климате), потребуется установить теплообменник протяженностью около 300 метров.
Геотермальный тепловой насос, поглощающий тепло грунтовых вод, обычно представляет собой открытую схему сбора. Это означает, что по направлению течения подземного источника делают две скважины. В одну из них погружают обычный скважинный насос, функцией которого является подача воды в теплообменник. Во вторую скважину передается холодная вода.

Применение воздушной тепловой энергии

Самым доступным источником тепла является атмосферный воздух. В данном случае теплообменник представлен большим радиатором с заметным оребрением и вентилятором для осуществления принудительного обдува. Насосы похожей конструкции также используются и для подогрева воды в бассейнах.
Отопление дома обычно организуется по традиционной схеме, с использованием теплоносителя и его распространения по элементам системы. В итоге насос может не только обогревать здание, но и обеспечивать его жильцов горячей водой для бытовых нужд. 
Наружный теплообменник может быть навесным – он устанавливается на стене здания. Для мощных устройств требуется отдельный фундамент, кроме того, они передают вибрацию стенам дома, что не добавляет комфорта.

Пользуются популярностью и приборы типа «воздух-воздух». Такое оборудование отапливает помещение без помощи теплоносителя. Самый простой пример таких устройств – кондиционеры, работающие в режиме обогрева.
Самые простые модели способны отапливать только одну комнату, но если теплообменник имеет большие размеры, а компрессор довольно мощный, то прибора хватит для поддержания температуры в помещениях с общей площадью в несколько десятков квадратных метров. Также встречаются и мультисплит-системы, в которых одного внешнего блока достаточно для обеспечения тепловой энергии нескольких внутренних. Подключить такой геотермальный тепловой насос своими руками не составит труда, обладая определенными знаниями в сфере климатического оборудования.
Почти все современные приборы, относящиеся к данной категории, являются инверторными. В них переменный ток преобразуется в постоянный, благодаря чему удается легко управлять мощностью компрессора. При нагреве воздуха в помещении до нужного уровня температуры компрессор не останавливается полностью, а лишь уменьшает производительность в несколько раз. Благодаря этому такие устройства являются экономичными и долговечными, но для них вредны постоянные запуски и остановки.
В продаже встречаются и обычные сплит-системы, которые функционируют по схеме «старт-стоп» и приближаются по теплоотдаче к инверторным. Производительность таких устройств также может в несколько раз превышать потребление электроэнергии.

Виды обмена тепла

Насосы с открытым циклом забирают подземную воду, подают ее в теплообменник и затем возвращают обратно в почву на некотором расстоянии от точки забора. Преимущество такой схемы заключается в возможности сразу получать воду для бытовых целей. Использование грунтовых источников не наносит вреда окружающей среде. Однако стоит учитывать, что эффективность такой отопительной системы не всегда одинакова, а использовать ее можно только при постоянно высоком уровне воды.
Насосы с закрытым циклом и водоразмещенным теплообменником забирают жидкость из водоема и прокачивают ее по трубам, забирая тепло. Отапливать дом таким способом удастся в том случае, если расстояние от него до водоема не превышает 100 метров. Глубина источника и береговая линия должны подходить для прокладки трубопровода. Нужно учитывать, что работа отопительной системы станет невозможной в случае промерзания водоема. Главным преимуществом метода является его невысокая стоимость по сравнению с другими.

Насосы с закрытым циклом и вертикальным теплообменником отличаются высокой эффективностью и малым энергопотреблением. В этом случае трубы, по которым прокачивается тепловая энергия, прокладываются вертикально и уходят в грунт на глубину до 200 метров. Уже на расстоянии 15-20 метров от поверхности земли температура почвы стабильна и составляет около 12 градусов. Чем глубже проложены трубы, тем выше эффективность системы. Главный недостаток метода заключается в значительных финансовых вложениях при обустройстве отопления.
Насосы с закрытым циклом и горизонтальным теплообменником требуют наличия немалой свободной площади около дома. В этом случае трубы располагаются горизонтально, на глубине не меньше метра от поверхности земли. Для дома площадью 200 «квадратов» потребуется примерно 500 «квадратов» поверхности земли (подробнее: " Используем тепло земли для отопления дома"). Нужно учитывать, что на данном участке, в случае поверхностной прокладки коллектора, вряд ли получится выращивать какие-либо растения – им будет не хватать тепла. Поэтому будет разумнее углубить теплообменник на несколько метров. Основное преимущество горизонтальных устройств – гораздо меньшая стоимость по сравнению с вертикальными.
Альтернативная система отопления, смотрите подробное видео:

Достоинства и недостатки тепловых насосов

Нужно учитывать, решаясь на геотермальное отопление - тепловой насос обойдется недешево. Дорого обойдутся и работы, связанные с бурением скважин. Если сравнивать газовое и электрическое отопительное оборудование, то первое гораздо экономнее. Устройства, работающие на электроэнергии, в эксплуатации обходятся намного дороже. Однако цены на газ постоянно растут, поэтому невозможно предсказать, какая система отопления в будущем станет дороже.

Что касается выбора, то в первую очередь нужно учитывать климат региона. В холодных областях лучше использовать систему отопления, в которую тепло поступает из грунта. Вдвое дешевле обойдется применение в качестве источника тепловой энергии воды из незамерзающего водоема – такой вариант предпочтителен в местности с умеренным климатом. В теплых регионах целесообразно пользоваться инверторными кондиционерами или тепловыми насосами, извлекающими тепло из воздуха – если температура воздуха практически никогда не опускается ниже нуля, затраты на отопление будут минимальными. Читайте также: " Теплообменник для печи своими руками".