Тепловые насосы для озера

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

Геотермальный тепловой насос – комплекс устройств, применяемых для извлечения тепла из грунтовых вод, подземных озер и непосредственно из почвы. Эту тепловую энергию можно использовать для отопления жилого дома, технологических процессов, сельскохозяйственных потребностей. Применять такое устройство — значит получить безлимитный доступ к теплу в любое время и в неограниченных количествах.

Устройство и принцип работы

Тепловые или геотермальные насосы отопления – автономные станции, использующие низко потенциальную тепловую энергию земли и грунтовых вод для обогрева дома. Системы давно используются в странах ЕС, Америки и Азии. Многолетняя практика их применения показала целесообразность дальнейшей эксплуатации и позволила увидеть и устранить определенные недостатки.

Главный рабочий элемент системы – тепловой насос. Это устройство, которое занимает не больше места, чем бытовая газовая плита. Производительность насоса достаточно высокая: на каждый киловатт использованной энергии он вырабатывает до пяти киловатт тепловой.

Агрегат подключен к 2 контурам:

Внешний

Габаритный теплообменник, установленный под землей или в водоеме. В нем теплоноситель, приняв температуру окружающей среды, подается в тепловой насос, откуда накопленное тепло поступает во внутренний контур.

Внутренний

Это привычная отопительная система, состоящая из радиаторов и трубопровода.

Алгоритм работы системы:

  1. Теплоноситель внешнего контура перекачивается по трубам насосом. За время движения жидкость нагревается на несколько градусов от земли, воды или воздуха.
  2. Внешний контур проходит через теплообменник-испаритель, где нагревает хладагент, например, фреон, который испаряется. Хладагент поступает в испаритель через капиллярное отверстие и резко расширяется, что также способствует нагреванию.
  3. Компрессор сжимает нагретый хладагент, повышая температуру фреона.
  4. Горячий сжатый хладагент поступает в конденсатор. В нем он охлаждается и превращается из пара в жидкость, которая отдает тепло теплоносителю системы отопления, циркулирующему уже по трубам. Другой вариант — нагревает воздух, который распределяется по помещениям.
  5. Далее хладагент вновь поступает в испаритель и нагревается новой порцией теплоносителя, циркулирующего во внешнем контуре.
  6. КПД теплонасосов достигает 300-700%. Это происходит благодаря тому, что теплоноситель внешнего контура выходит из насоса, имея температуру от – 15 до + 7 градусов, и нагревается грунтом, водой или воздухом на 2-8 градусов, забирая часть энергии из внешних источников. Хладагент в насосе испаряется за счет работы компрессора и из-за поступившего извне тепла.

Виды теплонасосов

Геотермальные установки различаются по типу теплоносителя на внутреннем и наружном контурах.

В зависимости от функций и используемых элементов их делят на следующие виды:

«Вода-вода»

Принцип работы основан на способности воды сохранять высокую температуру в нижних слоях. Трубы с теплоносителем оснащают грузом для погружения в воду. Если рядом с участком отсутствует водоем, используют потенциал грунтовых вод. Основными преимуществами таких установок являются низкие затраты на обустройство, невысокие теплопотери, отсутствие необходимости в использовании мощных насосных станций.

«Воздух-вода»

Использует воздушную среду – самый доступный и возобновляемый источник. Главное преимущество систем – простой в монтаж и обслуживание. К недостаткам относят чувствительность к внешним температурным режимам. Наибольшая эффективность достигается при температуре воздуха -15 градусов. При сильных колебаниях температуры существенно снижается эффективность работы.

«Земля-вода»

Системы, отбирающие тепло грунта с помощью тепловых коллекторов и зондов. Это лучший способ создать автономное отопление в загородном доме, независимо от расположения объекта.

В состав установки входит теплообменный аппарат, который размещают ниже уровня промерзания грунта, и сам тепловой насос с обратным циклом Карно (функционирует как холодильник наоборот, то есть выделяет тепло).

Системы этого типа используют два теплоносителя: антифриз (или рассол), получающий тепло из грунта, и фреон, циркулирующий в контуре, который соединен с отопительными радиаторами.

Количество вырабатываемой этой системой теплоты в 4 раза превышает количество электрической энергии, затрачиваемой на ее выработку.

Виды грунтовых систем по типу расположения теплообменника

Ключевой элемент геотермального насоса – грунтовый теплообменник. Благодаря ему тепловой насос получает низкопотенциальное тепло грунта.

Существует 3 типа устройств:

  • Горизонтальные

Монтаж этого теплообменника самый простой. Но существенный недостаток – расположение на солидной площади.

Раскладка такого теплообменника осуществляется на глубине ниже уровня промерзания грунта, обычно от 1 до 3 м в зависимости от географической местности и типа грунта. Поэтому грандиозных земляных работ для его монтажа не требуется.

Шаг укладки труб не должен быть меньше 0,7 м для эффективной работы коллектора. Рекомендуется использовать контур общей длинной не более 150 м из-за большого гидравлического сопротивления. При применении нескольких контуров необходимо стараться, что бы каждый из них был примерно одинаковой длины.

Располагаются такие теплообменники на глубину от 20 м. Температура там стабильна на протяжении всего года и равна 8-10 градусов, она поддерживается благодаря геотермальной энергии недр. Для получения энергии используют вертикальные грунтовые теплообменники называемые «Зондами».

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

Теплосъем с вертикального теплообменника выше, чем у горизонтального и принимается в среднем 50 Вт/м. Однако реальное значение может сильно отличатся, и зависит от влажности породы и наличия грунтовых вод.

Читайте также:  Как образовалось озеро кукушкино

  • Теплообменники типа «корзина» и «спираль»

Они объединяют в себе свойства горизонтальных теплообменников и способ установки, напоминающий вертикальные теплообменники.

Такие устройства укладываются на глубину до 5 м. Существуют так же некоторые другие модификации грунтовых теплообменников геотермальных тепловых насосов.

Преимущества и недостатки

Опыта использования отопительных систем на основе геотермальных насосов в нашей стране не так много, поэтому объективно оценить их эффективность непросто.

Но немногочисленные пользователи подобного оборудования разделились на 2 лагеря: тех, кто хвалит подобное оборудование (в эту группу также входят продавцы и монтажники систем) и тех, кто столкнулся с некоторыми проблемами в эксплуатации геотермального отопления. Часть противников пострадала по вине недобросовестных компаний-установщиков.

На основании отзывов обладателей геотермального отопления можно сделать выводы о достоинствах и недостатках данной системы.

К ее преимуществам относят:

  • Низкое энергопотребление. На 1 кВт потраченной электроэнергии получают 2,5-3,5 кВт (в реальности) и до 7 кВт (в идеале) тепловой мощности.
  • Возможность установки в любой местности – в зависимости от региона применяют грунтовые, водяные или воздушные контуры забора внешнего тепла.
  • Реверсивность – система работает на обогрев зимой и охлаждение летом.
  • Универсальность – можно использовать для отопления дома, нагрева воды для повседневных нужд или воды в бассейне.
  • Долговечность – зарубежный опыт говорит о 30-50 годах эксплуатации до замены оборудования.
  • Минимальные затраты на техническое обслуживание.
  • Полная автоматизация процесса.
  • Экологическая безопасность – нет вредных выбросов.
  • Для работы потребуется только наличие электричества.

Системы проявляют следующие существенные недостатки:

  • Большие финансовые вложения на этапе проектирования и монтажа.
  • Системы эффективны только при оборудовании «теплого пола» – теплоноситель греется до +50 градусов. Таких показателей недостаточно для эффективной работы радиаторов.
  • Низкая эффективность при небольшом разбросе температур теплоносителя во внешнем контуре и среде прокладки (грунт, вода).
  • Опасность для почвенных микроорганизмов – грунт охлаждается, гибнут бактерии, снижается плодородие почвы.
  • Необходимость дополнительных источников тепла при температуре воздуха ниже – 25 градусов.

Источник

Тепловые насосы для отопления дома: виды, плюсы и минусы

Содержание:

Как снизить расходы на отопление частного дома? Для любого, кто планирует строительство загородного жилья, это один из наиболее актуальных вопросов. Ответом на него являются тепловые насосы (ТН), которые позволяют уменьшить затраты на обогрев до 80%. Тепловые насосы – сравнительно новый метод обогрева дома и обеспечения горячего водоснабжения, который, тем не менее, набирает популярность. Далее мы поговорим о принципе работы такого оборудования, видах тепловых насосов, их особенностях, преимуществах и недостатках.

Электроэнергия, газ и уголь – три основных вида отопления, которые используют российские домовладельцы. У каждого из энергоносителей свои особенности, но объединяет их одно – стабильный рост цены год от года. Это заставляет искать альтернативы. Одной из таких альтернатив являются тепловые насосы – парокомпрессионные установки, обеспечивающие перенос тепла от низкопотенциальных (холодных) источников тепловой энергии к теплоносителю.

Принцип работы теплового насоса

В конструкцию любого теплового насоса входят следующие устройства: конденсатор, испаритель, компрессор (повышает давление) и расширитель (понижает давление). Все перечисленные элементы объединены при помощи трубопровода и представляют собой один замкнутый контур. По этому контуру циркулирует охладитель. Фреон, хладон — это технический термин присвоенный группе фторсодержащих производных метана и этана. Он представляет из себя инертный газ, который обладает сверхнизкой температурой кипения. По этой причине в «горячей» части контура он находится в газообразном состоянии, а в «холодной» он становится жидкостью.

Перемещаясь в компрессор, хладагент (чаще всего фреон) подвергается действию высокого давления и сжимается, из-за чего его температура повышается. Разогретый давлением газ поступает в другую часть теплообменника – в конденсатор. Тут промежуточный теплообменник передаёт тепло теплоносителю, который входит в систему отопления дома. Во время того, как хладагент отдает тепло, он конденсируется, снова становится жидким, а нагретый им теплоноситель подаётся в систему отопления. Жидкий фреон проходит через расширитель, где вскипает поглощая тепло. Затем перемещается в испаритель, где докипают остатки жидкой фракции – и цикл повторяется снова.

Важной особенностью тепловых насосов является универсальность использования – при низких температурах воздуха они обеспечивают обогрев помещений, а в жаркую погоду – их охлаждение. Во втором случае (реверсивный тепловой насос) используется тот же принцип. Разница лишь в том, что в жару теплоноситель движется в другом направлении – он поступает не снаружи, а из дома, из внутренних помещений.

Попробуем пересказать то же самое простыми словами.

Давайте вспомним, как работает холодильник. В камеры холодильника помещаются продукты, имеющие комнатную температуру. По закону сохранения энергии накопленное ими тепло не может испариться в никуда – его необходимо вывести за пределы холодильника, что и делается при помощи радиатора, расположенного позади агрегата. Радиатор для этого и предназначен – для рассеивания, передачи в окружающий воздух тепла, «извлеченного» из продуктов.

Теперь представим себе холодильник, который установлен на улице с открытой дверцей, а его радиатор демонтирован и установлен в доме. Даже если температура воздуха на улице будет на несколько градусов выше температуры кипения фреона, которым заправлен холодильник, агрегат будет передавать это тепло через радиатор в дом, извлекая его из окружающей среды. Это и есть простейший пример теплового насоса. Описанный принцип называется циклом Карно: именно на нем основана работа холодильных установок и климатической техники.

Разновидности тепловых насосов: аэротермальные, гидротермальные, геотермальные

Существует три основных вида тепловых насосов. Они отличаются источником получения тепла, ценой оборудования и стоимостью монтажа, параметрами работы.

Читайте также:  Презентация васюткино озеро становление характера главного героя 5 класс

1. Аэротермальные -воздушные тепловые насосы. Используют тепло из окружающего воздуха, из атмосферы. Особенность этого вида тепловых насосов в том, что для их монтажа не нужно тратиться на бурение скважин, рыть траншеи и проводить какие-либо иные трудоёмкие земляные работы – все узлы агрегата располагаются на поверхности. Это важный плюс, так как сметная стоимость существенно снижается, как и затраты времени на монтаж.

При всех перечисленных преимуществах у аэротермальных насосов есть один важный недостаток – они перестают работать при серьезных морозах. На их стабильную работу можно рассчитывать только при температуре не ниже -25℃, по этой причине воздушные насосы не могут полностью обогреть помещение при похолодании в регионах с суровыми зимами.ТН не «тянет» сильные морозы. При падении температуры воздуха до -25° и ниже, он не будет справляться с отоплением дома, поэтому в этом случае необходимо иметь дополнительный теплогенератор – электрический обогреватель или камин. В этом случае чаще используют комбинацию теплового насоса и электрического котла. При достижении уличной температуры -18-22℃, воздушный тепловой насос отключается, а электрический тэн полностью его замещает.

Еще один важный фактор, который нужно учитывать при выборе такого оборудования – это средняя влажность воздуха в том районе, где находится ваш дом. Идеальный вариант для таких систем – низкий уровень влажности и мягкие зимы. Если климат влажный и холодный, то установка воздушных тепловых насосов нецелесообразна: тепловые установки будут обледеневать и большее время стоять в режиме оттайки.

2. Гидротермальные (водяные) насосы. Используют тепло воды близлежащего водоёма или грунтовых вод. Такие установки отличаются высокой стабильностью и эффективностью работы благодаря высокому коэффициенту теплоотдачи воды и низкому уровню температурных колебаний. Гидротермальный тепловой насос имеет смысл купить в следующих случаях:

  • на участке, где расположен ваш дом, залегают грунтовые воды в достаточном объёме или есть водоём;
  • глубина залегания грунтовых вод – не более 40 метров;
  • вода обладает свойствами, необходимыми для стабильной работы оборудования (низкий уровень содержания железа и иных примесей)

Скважины . Вариант со скважинной водой в качестве источника тепла наиболее сложный в монтаже и затратный. Он предполагает бурение двух скважин: одна будет служить для забора воды, другая – для её сброса.

Водоёмы . Какие водоёмы могут использоваться? К их числу относятся море, река или озеро, которые должны быть расположены не далее 50 метров от дома. Коллектор (трубы с хладагентом) укладывают на дно водоёма и утяжеляют грузом. Благодаря высокой температуре рабочей жидкости обеспечивается высокий КПД установки и существенная экономия на отоплении. Тем, кто живёт в регионе с мягким климатом, на побережье моря, или неподалёку от глубокого озера или реки, водяной тепловой насос способен стать источником бесплатной энергии на долгие годы.

Стоки . Еще один источник воды, который может использоваться такими насосами – это канализационные стоки. Они успешно применяются в качестве источника тепла для систем горячего водоснабжения и отопления – как частных домов, так и многоэтажек.

3. Геотермальные (грунтовые) насосы. Такой агрегат для подогрева рабочей жидкости в испарителе использует тепло грунта. Это бесконечный источник энергии, так как температура грунта ниже уровня промерзания не меняется и не зависит от погодных условий. Уже на глубине 3 метра температура грунта варьируется от +5 до +8℃, а на 10 метрах она составляет уже +10 ℃.

Системы отопления, основой которых является геотермальный насос тепла, имеют высокую эффективность, могут круглогодично поддерживать в доме комфортный микроклимат.

Использование грунтового теплового насоса подразумевает закладку трубопровода с хладагентом в грунт рядом с домом. При этом существует два варианта размещения трубы системы.

Вертикальный геотермальный зонд . В этом случае трубы располагаются в вертикальной плоскости. Глубина их размещения может достигать 100 метров, что делает этот вариант достаточно затратным. Еще один нюанс – необходимость согласования с надзорными органами бурения скважин такой глубины. Преимуществом такого технического решения является экономия площади участка.

Альтернативой глубокой закладки труб является схема, при которой используются несколько геотермальных вертикальных зондов. Они заглубляются в грунт на 20 метров и располагаются на расстоянии 5-7 метров друг от друга. При использовании такого метода эффективность зондов (удельный теплосъём) определяется типом грунта. Наиболее выигрышный – это каменистая обводненная почва, которая хорошо проводит тепло (70 Вт/м). Влажные осадочные породы обеспечивают до 50 Вт/м. Наименее «эффективны» будут сухие осадочные породы – в этом случае теплосъём не будет превышать 30 Вт/м.

Подытожим: устройство геотермальных вертикальных зондов обходится дорого из-за глубокого бурения, однако имеет свои преимущества: высокий удельный теплосъем, гарантированная стабильность температуры, экономия площади участка и минимальные повреждения ландшафта.

Горизонтальный контур (коллектор) . При такой схеме расположения труб они помещаются в грунт на незначительную глубину (ниже уровня промерзания грунта – от 1,2 до 3 метров), и располагаются на большой площади. Длина труб геоконтура в каждом отдельном случае рассчитывается индивидуально. Для этой цели могут быть использованы полиэтиленовые трубы разного диаметра (от 25 до 40 мм), которые располагаются на расстоянии 500-1000 мм друг от друга.

В зависимости от проекта коллектор может иметь разную форму (спираль, зигзаг, петли и т.д.). После закладки трубы коллектора заполняются рабочей жидкостью (антифризом), который вбирает тепло от грунта, перемещает его к тепловому насосу и отдаёт хладагенту. После этого охлажденный антифриз снова возвращается в подземный контур и цикл повторяется.

Читайте также:  Какое озеро лучше калды или увильды

Эффективность насоса определяется характеристиками грунта, как источника тепла. К примеру, насыщенная влагой глина обеспечивает до 25 Вт на метр трубы, сухая глина 15-18 Вт/м, песок (сухой) — 10 Вт/м. Для примера – чтобы обеспечить отопление дома площадью 100 м2, потребуется свободная территория площадью в 400 квадратных метров. Из этого можно сделать вывод, что геотермальные насосы с горизонтальным коллектором подойдут владельцам участков с большой площадью, которая свободна от построек.

Особенности эксплуатации тепловых насосов

Для того чтобы снизить до минимума риски поломок теплового насоса и сделать его работу максимально эффективной, нужно позаботиться об обеспечении разницы температуры теплоносителя на входе и выходе из теплообменников, дельтой в 5℃ (температурный напор), а так же обустройстве в доме трехфазной электросети – это позволит обезопасить оборудование от перепадов напряжения. Еще один нюанс – должно быть проведено качественное утепление помещений (максимально допустимый уровень потерь тепла – не более 100 Вт/ м²).

Основные преимущества и недостатки тепловых насосов

Ключевое преимущество ТН в том, что их коэффициент полезного действия в разы выше, чем у обычного электрического оборудования для отопления или кондиционирования. К примеру, даже у современных, экономичных электрических обогревателей объёмы произведенного тепла примерно равны затраченной энергии.

Тепловые насосы в этой сфере вне конкуренции – они производят тепловой энергии в 3-7 раз больше (СОР), чем используют электроэнергии. COP- это единица, которая измеряет эффективность работы теплового насоса.

К другим достоинствам установки теплового насоса можно отнести:

  • Длительный рабочий ресурс. Если соблюдать правила эксплуатации и своевременно проводить техническое обслуживание, то насосы могут работать без поломок и ремонта десятилетиями (до 30 лет и более). Единственное «слабое звено» в таких системах – это компрессор, который может потребовать замены один раз в 15-20 лет;
  • Значительная экономия на топливе. В России цены на энергоносители всегда только растут, и в долгосрочной перспективе ТН позволяет экономить на них большие суммы;
  • Универсальность использования. У большинства моделей тепловых насосов есть одно замечательное свойство – реверсивность: в летнюю жару они охлаждают дом, а в холодное время года обеспечивают отопление;
  • Полная автоматизация. Правильная настройка работы ТН обеспечивает полную автоматизацию: пользователю остаётся только выставлять температуру нагрева помещений зимой и охлаждения – летом;
  • Широкая география использования. Разнообразие видов ТН позволяет эксплуатировать их в самых разных регионах, с разным климатом: в случае с тепловыми насосами источниками тепла может выступать грунт, воздух или вода;
  • Перспективы полной автономности. Если в качестве источника электроэнергии использовать солнечные панели, то можно построить в любой, даже самой отдаленной местности полностью автономный дом, который сам себя будет обеспечивать теплом, водой и электричеством;
  • Минимальное техническое обслуживание. Надежность и долговечность оборудования делает его малозатратным в эксплуатации;
  • Полностью бесплатный источник тепла. Мы пока не платим за воздух, которым дышим, воду в водоёмах и грунт под ногами: с помощью ТН они становятся бесконечным ресурсом для получения тепловой энергии.

Между тем у данных систем есть и свои недостатки, о которых необходимо знать:

Высокая стоимость самого оборудования и его монтажа. Так как первоначальные затраты достаточно велики, ТН окупится не сразу – в среднем на это уходит 3-7 лет. Быстро окупаются только аэротермальные (воздушные) насосы, которые требуют минимум затрат при установке.

Ориентация на отопительные системы с низкой температурой теплоносителя. Выгоднее всего тепловые насосы использовать для систем тёплого пола с температурой 35-40°C.

Воздействие геотермальных насосов на аэробные микроорганизмы. При работе грунтовых насосов земля вокруг труб подвергается постоянному охлаждению, что приводит к гибели аэробных бактерий, которые способствуют очищению стоков от вредных веществ.

Выбираем тепловой насос: основные критерии

Тем, кто планирует приобрести такое оборудование, рекомендуется выбирать подходящую модель по следующим критериям:

  • Климатические условия в регионе проживания. Для регионов с морозными зимами подойдет только ограниченное количество моделей;
  • Доступ к источникам тепловой энергии. Для геотермальных насосов – это наличие на участке свободной территории, для гидротермальных ТН – наличие вблизи водоёмов, грунтовых вод;
  • Площадь отапливаемого объекта, его энергоэффективность. Чем больше дом, тем более сложным и дорогостоящим будет тепловой насос: мощные модели требуют значительных затрат на монтаж.
  • Бюджет на покупку. Наиболее доступны по цене аэротермальные насосы, не требующие больших затрат на установку.

Расчет мощности теплового насоса. Какой мощностью должен обладать насос? Чтобы рассчитать нужную вам мощность, нужно знать следующие параметры: объём теплоотдачи отопительным системам, общую площадь поверхности труб в испарители и конденсаторе, а также объём рабочей жидкости (хладагента).

Удобным решением в этом случае будет использование для расчетов онлайн калькулятора. Чаще всего там требуется ввести:

  • высоту потолков и общую площадь дома (высчитывается отапливаемая площадь);
  • регион проживания (определяется средние температуры воздуха);
  • энергоэффективность объекта (степень утепления дома) – рассчитывается требуемая производительность теплового насоса.

Пример расчетов. Для отопления дома площадью 150 м² рекомендуется ТН производительностью 11-13 кВт.

Практические советы по выбору ТН

Тепловые насосы представляют собой технически сложное, дорогостоящее оборудование, поэтому к его покупке стоит подойти со всей ответственностью.

Перед покупкой необходимо обратиться к профильным специалистам для разработки проекта и произведения необходимых расчетов.

Целесообразнее обращаться в одну компанию, которая предоставляет полный комплекс услуг: продажу оборудования, установку и сервисное обслуживание.

Остались вопросы

Спасибо за обращение, мы обязательно перезвоним.

Источник

Поделиться с друзьями
Байкал24