Геотермальный тепловой насос своими руками

Геотермальный тепловой насос своими руками

Геотермальный тепловой насос своими руками

Геотермальный тепловой насос – это инновационное средство организации автономного отопления в частных домах. Суть работы оборудования заключается в использовании в качестве источника нагрева или охлаждения теплоносителя естественной температуры земли.

Знойная жара или лютый мороз бушуют только на поверхности нашей планеты. Несколько метров вглубь, и температура становится практически постоянной. Зимой в глубине земли теплее, чем на поверхности почвы, а летом – холоднее.

Возможно, Вас заинтересует информация о том, из чего состоит насосная станция

Таким образом, системы с геотермальными насосами можно использовать не только для отопления, но и для охлаждения домов. Для более эффективной работы геотермальных насосов системы отопления с их участием часто объединяют с солнечными коллекторами.

Типовая схема насоса

Общие принципы действия геотермальных насосов

Понятие «геотермальный» для определения такого вида поддержания определенной температуры в доме не совсем правильно. Чаще всего под геотермальной энергией понимают нагрев определенных участков земной коры под воздействием магмы, поднимающейся из глубины Земли. Самый характерный пример – это горячие геотермальные источники.

Оборудование внутри дома

Разницу между температурой поверхностного слоя земли и температурой в ее глубине, можно использовать практически повсеместно. Многочисленные исследования показали, что уже на глубине 6 метров ниже уровня почвы ее температура постоянно равна среднегодовой температуре воздуха над этой точкой.

Возможно, Вас заинтересует информация-ремонт циркуляционного насоса

В зависимости от места расположения, температура на глубине 6 м будет составлять от +10 до +16°С. Область постоянной температуры обычно располагается между отметками глубины от 7 до 12 метров. Причина такого явления – тепловая инерция.

Как устроен геотермальный тепловой насос

Принцип работы теплового насоса, использующего разницу температур, практически аналогичен работе обычного холодильника или кондиционера. Такие насосы передают тепло от холодного пространства в теплое, в направлении, противоположном естественному распространению тепла, либо по естественному направлению, ускоряя его передачу. В первом случае система работает как холодильник, а во втором – как нагреватель.

Однако, такие насосы не всесильны. Специалисты считают, что их эффективность резко падает при падении температуры наружного воздуха ниже 5°С. КПД (показатель эффективности таких систем) колеблется в промежутке 3-6% в наиболее холодный период.

Затраты на монтаж таких отопительно-охладительных систем в целом выше, чем у других автономных источников отопления. По расчетам западных специалистов разница в цене проектирования и строительства обычно окупается в период от 3 до 10 лет в результате общей экономии энергии. Более высокие сроки окупаемости могут быть вызваны только целевым финансированием или введенными налоговыми льготами.

Срок службы качественно спроектированной и построенной системы отопления с использованием геотермальных тепловых насосов оценивается в 25 лет для внутренних компонентов системы и более полувека для наружного контура.

Траншея под трубы

Наружный контур системы прямого теплообмена

Варианты строительства систем, использующих разницу температур земли

Основной частью отопительной системы, построенной по такому принципу, является контур прямого теплообмена. Этот компонент стоит где-то от 1/5 до 1/2 общей стоимости системы и является наиболее громоздкой частью.

При строительстве такой системы очень важны первичные геологические исследования: ее энергоэффективность улучшается с примерно на 4% для каждого 1°С, выигранного от правильного расположения теплообменного контура.

При горизонтальном расположении теплообменных контуров на глубине от 1 до 2,4 м эта часть устройства будет испытывать сезонные циклы колебания температуры из-за естественного солнечного нагрева и потери тепла в атмосферный воздух на уровне земли. Эти циклы колебания температуры отстают от смены сезонов из-за тепловой инерции.

Глубокие вертикальные системы с залеганием теплообменников на отметках от 30 до 160 метров зависят только от геологической миграции тепла.

1.      Системы с прямым обменом

В тепловых насосах с прямым обменом используется непосредственный тепловой контакт с землей (в отличие от комбинации петли хладагента и водяной петли). Хладагент выходит из корпуса теплового насоса, циркулирует по петле из медной трубки, расположенной под землей, и обменивается теплом с грунтом перед возвращением к насосу.

Название «прямой обмен» относится к теплопередаче между петлей с хладагентом и землей без использования промежуточного жидкости. В такой системе нет прямого взаимодействия между жидкостью и землей, имеется только передача тепла через стенку трубы. Тепловые насосы с прямым обменом в настоящее время используются редко, их не следует путать с оборудованием, работающим на основании обмена теплом через промежуточные контуры.

Тем не менее, системы прямого обмена являются более эффективными и имеют потенциально более низкие затраты на установку, чем закрытые системы с водяным контуром. Высокая теплопроводность меди вносит свой вклад в повышение эффективности системы, но входящий тепловой поток преимущественно ограничен теплопроводностью земли, а не трубы.

Основными причинами высокой эффективности такого оборудования являются отсутствие водяного насоса (который использует электричество), отсутствие теплообменника между водой и хладагентом, который является источником тепловых потерь.

В тоже время они требуют большего количества хладагента, и их трубопроводные системы являются более дорогими.

2.      Системы с замкнутым контуром

Большинство из систем, устанавливаемых в настоящее время, имеют две петли:

• первичный контур с хладагентом;
• вторичный контур, заполненный водой, располагающийся под землей.

Вторичный контур, как правило, изготавливается из полиэтиленовых труб высокой прочности и содержит смесь воды и антифриза (пропиленглиголя, денатурированного спирта или метанола).

После выхода из внутреннего теплообменника, вода течет через вторичный контур вне здания, чтобы обмениваться теплом с землей перед возвращением. Вторичный контур располагается ниже линии замерзания, где температура является более стабильной или погружается в ближайший доступный водоем.

Системы, расположенные в земле, насыщенной влагой или в воде, как правило, более эффективны, чем сухие контуры заземления. Если земля в вашей местности сухая, то вместе с контуром рекомендуется размещать дренажный шланг, увлажняющий грунт вокруг контура заземления.

Закрытые системы имеют более низкую эффективность, чем системы прямого обмена, так как требуют более длинной трубопроводной системы и большого объема земляных или буровых работ.

Подземный контур геотермальной системы может быть установлен горизонтально в виде петли в траншеях или вертикально в виде нескольких длинных U-образных конструкций. Размер области петли зависит от типа почвы и содержания влаги, средней температуры и возможных потерь тепла, а также от иных характеристик.

3.      Замкнутые системы с вертикальным расположением труб

Контур такой замкнутой системы состоит из труб, которые вертикально уходят в грунт. Глубина проникновения составляет от 15 до 120 метров. Пары труб в каждой скважине соединены с U-образным поперечным разъемом в нижней части шахты. Скважины под трубы обычно заполняются специальным раствором, чтобы обеспечить тепловую связь с окружающей почвой или породой, для улучшения передачи тепла. Специальный раствор также защищает грунтовые воды от загрязнения.

Вертикальное расположение геотермальных труб

4.      Замкнутые системы с горизонтальным расположением труб

Контур такой замкнутой системы состоит из труб, которые проходят горизонтально в грунте.U-образные или кольцевые витки трубопровода закапываются в грунт ниже, чем линия промерзания.

Траншея с уложенным контуром

Земляные работы при монтаже такой системы обходятся вполовину дешевле, чем вертикальное бурение. Такая технология используется везде, где имеется достаточное пространство на участке.

Вариант строительства геотермальной системы

Для иллюстрации, отопительная система такого типа в отдельно стоящем доме, потребляющая  10 кВт тепловой мощности, потребует 3 петли длиной от 120 до 180 метров каждая.

5.      Система с направленным бурением

В качестве альтернативы, траншеи петли контура геотермального теплового насоса могут быть заложены с помощью технологии горизонтального бурения. Эта технология позволяет заложить трубы под дворы, подъездные пути, сады и другие элементы инфраструктуры, не разрушая их.

Стоимость такой системы колеблется между ценой конструкций с использованием траншей и ценой конструкции с вертикальным бурением. Эта система может также отличается от конструкций с траншеями или с вертикальным бурением, так как петли могут бытьсоединены с одной центральной камерой, что еще больше снижает количество необходимого пространства. Системы с использованием направленного бурения часто устанавливается ретроспективно, то есть уже после того, как здание было построено.

6.      Установка контура в водоеме

Теплообменный контур перед погружением на дно водоема

Замкнутая система с погружением контура на дно водоема состоит из трубопроводов, укладываемых в виде петель и расположенных на дне пруда соответствующего размера или другого водного источника.

Система с расположением труб в водоеме

7.      Открытые геотермальные тепловые системы

В открытых геотермальных системах (также называемых тепловыми грунтовыми насосами), во вторичный контур насосами закачивается природная вода из колодца или водоема. Затем вода поступает в теплообменник внутри теплового насоса. После извлечения тепла и переноса его на первичный контур хладагента вода возвращается в нагнетательные скважины, траншеи орошения или в водоем. Подающая и обратная линии должны быть размещены достаточно далеко друг от друга, чтобы обеспечить тепловую подпитку источника.Поскольку химический состав воды не контролируется, тепловой насос своими руками и трубопроводы должны быть защищены от коррозии с помощью различных металлов в теплообменнике и насосе. Также систему может загрязнять накипь и возможно, вам потребуется ее периодическая очистка.

В том случае, если используемая вода содержит высокий уровень солей, минералов, железа, бактерий или сероводорода, предпочтительнее использовать замкнутые системы.

Открытые отопительные геотермальные системы с использованием грунтовых вод, как правило, более эффективны, чем закрытые системы, так как они лучше используют разность температур. Так, системы с замкнутым контуром должны ещё передавать тепло через дополнительные слои стенки трубы и почвы.

Однако, при установке таких систем могут возникнуть юридические проблемы, потому что они могут делать скудными водоносные горизонты или загрязнять скважины. Это заставляет строителей использовать более экологичные замкнутые системы.

8.      Система со столбом жидкости

Система геотермального охлаждения или отопления является специализированным типом замкнутых систем. Вода в такую конструкцию поступает из нижней части глубокой скважины породы, пропускается через тепловой насос и возвращается в верхнюю часть скважины, где путешествуя вниз, обменивается теплом с окружающей породой.

Системы со столбом жидкости обычно используются при ограниченных площадях участка. Такая конструкция не рекомендуется к использованию на песчаных и глинистых почвах. Конструкция также может предусматривать несколько столбов жидкости. Она популярна в жилых и небольших коммерческих зданиях.

Основные узлы системы геотермального отопления

Жидкостно-воздушный тепловой насос

Тепловой насос является центральным блоком системы геотермального охлаждения или отопления. Внешне и функционально он напоминает холодильник.

Некоторые модели таких тепловых насосов могут не только отапливать помещения, но и охлаждать их, подогревать воду, обеспечивая потребность в горячем водоснабжении.

Нагретый или охлажденный воздух может быть доведен до конечного прибора системы отопления или кондиционирования за счет циркуляции воды или принудительной подачей воздух. Почти все виды тепловых насосов изготавливаются как для коммерческого, так и для бытового назначения.

Жидкостно-воздушные тепловые насосы (также называемые «вода-воздух») часто используются для замены устаревших центральных систем кондиционирования.

Жидкостно-водяной тепловой насос

Жидкостно-водяные тепловые насосы (также называемые «вода-вода») являются гидравлическими системами, которые используют два контура, заполненных жидкостью для теплообмена между ними. Такие системы обычно питают теплоносителем такое оборудование, как полы с водяным подогревом, отопительные радиаторы с жидким теплоносителем. Такие устройства могут нагревать воду до температуры примерно в 50° C, в то время как температура теплоносителя на выходе из обычного отопительного котла достигает 65-95° C. Таким образом, в системах с геотермальными насосами невозможно использовать радиаторы, предназначенные для более высоких температур.

Геотермальные тепловые насосы особенно хорошо подходят для напольного отопления, которое требует сравнительно низких температур до 40° C. Использование больших поверхностей, таких как полы, в отличие от радиаторов, распределяет тепло более равномерно и позволяет эффективно использовать более низкую температуру воды. Напольное покрытие из древесины или ковровые напольные покрытия ослабляют этот эффект, потому что термический КПД передачи этих материалов ниже, чем у каменных полов (плитка, бетон).

Также существуют комбинированные тепловые насосы, которые могут производить одновременную принудительную циркуляцию воздуха и воды. Эти системы в основном используются для домов, имеющих сочетание потребностей воздушного кондиционирования и жидкостного отопления.

Самостоятельная установка геотермальной отопительной системы

Самостоятельный монтаж геотермальной системы отопления и кондиционирования требует серьезного денежного вливания и определенных технологических навыков.

1. Проводятся геологоразведочные мероприятия, определяется глубина промерзания грунта.
2. Составляется проект системы, исходя из выбранной технологии (закрытая, открытая, с горизонтальным или вертикальным расположением контуров).
3. Приобретается необходимое оборудование: трубы, тепловой насос. В зависимости от конфигурации системы подбираются необходимые элементы внутренней отопительной системы: радиаторы отопления, теплый водяной пол или фанкулеры (системы принудительного обдува).
4. Производится монтаж системы. Бурятся скважины или прокладываются системы траншей, возможна подготовка к размещению трубопроводов в водоеме.
5. После монтажа всех элементов производится подключение и тестовый запуск.

В связи с большим объемом и сложностью проводимых работ проектирование и строительство отопительно-охладительных геотермальных систем лучше поручать специализированной организации, имеющей необходимый опыт. И уж точно у вас вряд ли получится самостоятельно изготовить сам обменный тепловой насос — их производство в домашних условиях пока не очень распространено.

Цены на геотермальный тепловой насос

Чтобы более подробно ознакомиться с процессом строительства геотермальных тепловых насосов, посмотрите ознакомительное видео.

Видео — Геотермальный тепловой насос своими руками