Геотермальный тепловой насос: принцип работы, устройство и производители

Оглавление

Геотермальное отопление: как оно работает

Первые дома, обогреваемые теплом Земли, стали появляться 50 лет назад; сегодня их можно встретить по всему миру, от Канады до Новой Зеландии.

Работа устройства, использующего тепловую энергию недр, основана на применении обратного цикла Карно, описывающего круговые процессы обмена теплом. Такая термодинамическая система функционирует благодаря разнице температур составных частей; принцип давно и успешно реализован в холодильниках и кондиционерах.

Чтобы запустить геотермальное отопление дома, нужно организовать систему, которая будет собирать тепло из почвы (или воды) и передавать его в контур отопления дома. Подземное тепло генерируется в любой точке земного шара, и геотермальное отопление успешно реализуется в России, например, в Московской области. Интересно, что схема функционирует таким образом, что летом она работает как кондиционер, а зимой – как источник отопления.

Принцип геотермальной системы отопленияИсточник eurobion.info

На глубине шести метров начинается зона, где температура остается стабильной круглый год. Она сохраняется на уровне средней годовой температуры атмосферы в данной местности; в областях с умеренным климатом это +15°C, ниже она растет. Для сбора подземной тепловой энергии применяется контур (теплообменник). Это трубопровод, который монтируют под землей или под водой. Для организации отопления из земли используют следующие методы:

В вертикальную скважину. Вариант, подходящий для небольших участков. Рядом с домом пробивают две геотермальные скважины по 80-90 м, в каждую помещают геотермальный зонд. Тепловой насос поднимает нагретую воду, она проходит через теплообменник и отдает тепло во внутренний контур дома. Вертикальный контур отличается наибольшей энергетической эффективностью и сроком эксплуатации.
С устройством горизонтального коллектора. Метод подходит для участков большой площади. Чтобы получить исправно работающий коллектор, с помощью экскаватора подготавливают траншеи глубиной 2-2,5 м, куда укладывают ПНД (полиэтиленовые) трубы. Площадь участка, с которого будет собираться тепло, соизмерима с площадью жилья.

Разновидности геотермальных системИсточник wsimg.com

На дне водоема. Горизонтальный коллектор (зонды горизонтального типа) устанавливают на дне, если водоем обладает достаточными габаритами (площадью и глубиной), и находится недалеко от дома. Способ также демонстрирует хорошую энергоэффективность.
С использованием антифриза. На достаточную (75 м и более) глубину погружают емкость, заполненную антифризом. Нагретая жидкость поднимается тепловым насосом и отдает энергию теплообменнику, а затем возвращается под землю для следующего цикла.

Как сделать агрегат своими руками?

Независимо от того, какой вариант ресурса (земля, вода или воздух) выбран для отопления, для корректного функционирования системы понадобится насос.

Это устройство состоит из таких элементов, как:

компрессорный узел (промежуточный элемент комплекса);
испаритель, передающий низкопотенциальную энергию теплоносителю;
дроссельный клапан, через который хладагент находит обратную дорогу в испаритель;
конденсатор, где фреон отдает тепловую энергию и охлаждается до изначальной температуры.

Можно приобрести целостную систему у производителя, но это обойдется в приличную сумму. Когда свободных денег под рукой нет, стоит сделать теплонасос своими руками из имеющихся в распоряжении деталей и в случае надобности докупить недостающие запчасти.

Планируя установку в частном доме геотермальной отопительной системы, в первую очередь нужно позаботиться о снижении уровня теплопотери. Для этого стены необходимо утеплить специальным материалом, двери и оконные рамы снабдить поролоновыми прокладками, а пол и потолок защитить пенопластовыми панелями. Тогда выделенное насосом тепло в максимально объеме останется внутри помещения

Когда решение о собственноручном изготовлении теплового насоса принято, нужно обязательно проверить состояние имеющихся в доме электрической проводки и электросчетчика.

Если эти элементы изношенные и старые, необходимо просмотреть все участки, обнаружить возможные неисправности и устранить их еще до начала работ. Тогда система сразу после запуска будет безупречно работать и не побеспокоит хозяев короткими замыканиями, возгоранием проводки и выбиванием пробок.

Способ #1. Сборка из холодильника

Для сборки теплонасоса своими руками со старого холодильника снимают размещенный сзади змеевик. Эту деталь используют как конденсатор и помещают в высокопрочную емкость, устойчивую к агрессивным температурам. На нее крепят исправно работающий компрессор, а в качестве испарителя используют простую пластиковую бочку.

Если для создания насоса используется очень старый холодильник, лучше заменить в нем фреон на новый. Самостоятельно это сделать не получится, поэтому придется пригласить мастера со специальным оборудованием. Он быстро заменит рабочую жидкость, и система заработает в нужном режиме

Подготовленные элементы соединяют между собой, а потом созданный агрегат посредством полимерных труб подключают к отопительной системе и приступают к эксплуатации оборудования.

Способ #2. Теплонасос из кондиционера

Для того чтобы сделать теплонасос, кондиционер модифицируют и проводят перепланировку некоторых основных узлов. Сначала наружный и внутренний блоки меняют местами.

Испаритель, отвечающий за передачу низкопотенциального тепла, дополнительно не ставят, так как он имеется во внутреннем блоке агрегата, а передающий тепловую энергию конденсатор стоит во внешнем блоке. В качестве теплоносителя подходят как воздух, так и вода.

Если этот вариант монтажа не удобен, конденсатор устанавливают в отдельный резервуар, предназначенный для корректного теплообмена между греющим ресурсом и теплоносителем.

Саму систему снабжают четырехходовым клапаном. Для этой работы обычно приглашают специалиста, имеющего профессиональные навыки и опыт проведения мероприятий такого рода.

Современные сплит системы малоэффективны при низких температурах, поэтому профессионалы не рекомендуют использовать их для самостоятельного изготовления теплонасосов

В третьем варианте кондиционер полностью разбирают на составные детали, а потом из них комплектуют насос по традиционной общепринятой схеме: испаритель, компрессор, конденсатор. Готовый прибор присоединяют к обогревающему дом оборудованию и приступают к использованию.

На сайте есть серия статей по изготовлению тепловых насосов своими руками, советуем ознакомиться:

Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы сборки
Как сделать тепловой насос воздух-вода: схемы устройства и самостоятельная сборка

Способы реализации геотермальной установки

Такое отопление отличается между собой по способам установки теплообменника. На сегодня используются три разновидности:

Вертикальный теплообменник: отличается компактностью и более высокой себестоимостью установки в сравнении с другими видами. Для установки вертикального теплообменника не нужно использовать большую площадь, но понадобится использование специализированных бурильных установок. В зависимости от выбранной технологии глубина готовой скважины может достигать показателя до 200 метров, минимальный показатель — 50 метров. Срок службы системы составляет до одной сотни лет. Выгодно устанавливать такой вид геотермального отопления в случае монтажа на уже обустроенном участке. Ландшафт местности останется практически не тронутым.
Горизонтальный теплообменник: такой тип используется довольно часто. При монтаже горизонтального теплообменника трубы укладываются на большую достаточно глубину, которая обязательно превышает уровень промерзания грунта. Основной минус использования именно такой разводки заключается в том, что под монтаж коллектора необходимо использовать большую площадь. Трудно проложить такую систему на уже обустроенном участке.
Водоразмещенный теплообменник: такая установка является наиболее экономной по затратам среди всего разнообразия геотермального отопления, так как работает за счет энергии водных массивов. Такая система актуальна для тех домовладельцев, у которых на расстоянии сотни метров есть какой-либо водоем. Такой теплообменник наиболее выгодный, что делает его монтаж наиболее целесообразным среди всех разновидностей подобного отопления.

Монтаж системы oтoпления в земле

Для осуществления подключения системы oтoпления предварительно необходимо выполнить все требования. Это сложный технологический процесс. В этом случае следует заниматься прокладкой тpуб в земле с индивидуальным подходoм к каждoму клиенту.

Для проведения мoнтaжа необходимы следующие условия:

– необходимо открыть ордер для выполнения работ;
– подготовить проект;
– оформить договор со службой технического надзора;
– исследование зоны работ;
– измерение глубины и ширины канавы для прокладки тpуб ;
– проведение непосредственно мoнтaжных работ;
– испытания и запуск в эксплуатацию.

Перечисленные условия необходимы для правильного оформления документов установленного образца в соответствующих органах. Это необходимо делать всегда сначала, до оказания услуг по мoнтaжу тpуб для отопительной системы в землю.

Купить оборудование flexalen с доставкой Трубопровод – незаменимая инженерная система в частных и многоквартирных дoма х, а также не жилых зданиях

Очень важно выбрать качественное оборудован…

Продажа труб для автономного водоснабжения Когда речь заходит о коммуникациях, идеально подходящих для вoдoснабжeния , то многие люди сразу вспоминают тpубы для частного дoма flехalеn. Констр…

Купить трубы flexalen В этой статье мы опишем компанию, которая производит качественные тpубы для систем коммуникаций

А также рассмотрим, какие бывают тpубы у данной компа…

Монтаж водоснабжения для частного дома Преимущества мoнтaжа вoдoснабжeния в частном дoме Чем отличается мoнтaж вoдoснабжeния в частном дoме от мoнтaжа в квартире? Владелец частной собс…

Продажа flexalen Вельяминово Заказать тpубы flехalеn можно на интернет ресурсе лидирующей компании, которая сотрудничает с проведёнными производителями. Стоимость мoнтaжа flе…

Продажа flexalen Барвиха Продажа flехalеn в Барвихе осуществляется на выгодных условиях, по доступной стоимости и без потери высокого качества. А все тpубы являются надежными …

Трубы для котельной монтаж в почве Что мы предлагаем Наша компания предлагает тpубы Flехalеn . Достоинства товара Материал обладает уникальной изоляцией, делающей тpубопровод из него…

Продажа flexalen Орехово-Зуево Занимаемся продажей flехalеn . Высококачественные материал по доступной цене. Предлагаем мoнтaж flехalеn . В последнее время в России все чаще выпо…

Продажа flexalen от дилера Предлагаем современные тpубы для oтoпления и вoдoснабжeния Flехalеn купить в Москве недорого. Мы – прямые поставщики тpуб Флексален, у нас продажа fl…

Продажа flexalen Для устройства тeплoтpaссы или водопровода в регионах с низкой температурой используются утепленные тpубы с низким коэффициентом потери тепла. Такие т…

Как это работает

Вся конструкция состоит из 3 контуров, которые завязаны на так называемый тепловой насос — сердце системы. Тепловым насосом называют агрегат обеспечивающий теплообмен между контурами и циркуляцию теплоносителей внутри контуров.

Схема теплонасоса в разрезе.

Назначение контуров

Наружный контур — этот контур расположен непосредственно в земле ниже уровня промерзания или воде. Заполняется этот контур какой-нибудь незамерзающей жидкостью, в самом простом варианте рассолом. Жидкость, нагреваясь под землей, поднимается в теплонасос и отдает тепло второму контуру;

Наружный контур имеет достаточно большую длину.

Второй контур заполнен фреоном и полностью спрятан внутри теплонасоса. Температура кипения у фреона достаточно низкая, нагреваясь от первого контура, он превращается в пар и разогревает внутренний, третий контур. Именно поэтому такую систему называют холодильником наоборот;
В качестве внутреннего контура выступает отопительная система дома. Название условное, так как этих контуров может быть несколько — отопление радиаторов, теплого пола, обогрев теплицы, нагрев воды для бытового пользования и прочее.

Аппаратура для геотермального отопления не требует отдельного помещения.

Принцип действия

Незамерзающая жидкость нагревается на глубине, под землей до температуры, к примеру, 5–7ºС и поступает в тело теплового насоса;
Внутри агрегата стоит теплообменник и нагретая жидкость, проходя через него, отдает тепло второму контуру, после чего уходит под землю за новой «порцией тепла»;
Фреон, который испаряется во втором конуре попадает в компрессор и при сжатии его температура доходит до 100ºС, чего вполне хватает чтобы разогреть жидкость в третьем контуре, кстати, для этих целей тоже есть теплообменник;
С третьим контуром более-менее ясно, он обогревает дом, а вот разогретый фреон поступает в расширительный экран, где давление и температура нормализуются и все начинается снова.

Принцип работы теплонасоса.

Достоинства и недостатки системы

Достоинств у геотермальной системы масса:

Энергия земли неисчерпаема, это не заправочная станция и тепло там не кончается;
Система полностью безопасна в пожарном отношении;
Раз топлива как такового нет, значит доставлять и складировать его не нужно;
Система экологически безопасная и полностью безотходная;
Пока в вашем доме есть электроэнергия, тепловой насос работает в автономном режиме. Кстати инструкция по настойке там элементарно простая;
Для загородного дома средних размеров расчет потребления электроэнергии составляет порядка 300–400 Вт. Образно говоря, вы, оплачиваете работу лампочки в 300 Вт и при этом обогреваете весь дом, плюс получаете горячую воду.

Характеристики одной из моделей теплонасоса.

Минусы у геотермальной системы также есть и самым главным считается высокая цена. В среднем обустройство подобного отопления для загородного дома обойдется порядка 10 тысяч евро, прием стоимость оборудования в этой сумме занимает примерно половину, остальное возьмут за монтаж.

Виды геотермального теплоснабжения дома

Схема геотермального отопления

Перед тем как делать геотермальное отопление загородного дома своими руками следует провести ряд предварительных мероприятий. Прежде всего — найти оптимальный способ расположения труб первичного контура.

Главным условием при этом является температура среды, где будут расположены магистрали. Она не должна быть ниже +7°С. На практике для этого выполняют монтаж трубопроводов в грунт. В некоторых случаях в качестве основной среды может выступать водоем или река. Однако отзывы о геотермальном отоплении дома такого типа зачастую говорят о низкой эффективности в зимний период.

Для правильной организации альтернативного теплоснабжения необходимо выполнить следующие действия:

Рассчитать оптимальную мощность. Если геотермальное отопление частного дома будет в качестве основного – его номинальная мощность должна обеспечить нагрев воздуха во всем здании.

Провести анализ состава грунта и глубину его промерзания. От этого зависит выбор схемы расположения труб первичного контура.

Определить месторасположение теплового насоса. Для минимизации тепловых потерь геотермальные системы отопления своими руками обустраиваются в отдельном помещении – подвале или хозяйственной постройке

Важно, чтобы температура в нем была не ниже +14°С.

Несоблюдение этих простых правил может привести к неправильной работе системы

Нередко отзывы владельцев геотермального отопления указывают на важность первичного анализа и подбор правильного оборудования

С горизонтальным размещением

Горизонтальный контур

Наименее трудоемкий способ установки труб первичного контура является горизонтальным. Они располагаются на глубине от 0,5 до 3 м. Для уменьшения площади магистрали располагаются витками. Но при этом расстояние до каждой должно быть не менее 20 см.

До того как сделать геотермальное отопление — проводится первичный анализ состояния грунта. Сначала определяется его теплоотдача. Она может составлять от 20 до Вт/м². Исходя из этого рассчитывается общая протяженность первичного контура.

Кроме этого следует выполнить такие действия:

Проверка уровня промерзания почвы. Глубина залегания труб должна быть ниже этого показателя;
Грунтовые воды. Для их естественного удаления в период больших паводков на дно котлована засыпается песчаный слой;
Выбор материала изготовления трубопроводов. Он должен быть достаточного гибок и механически надежен. Для геотермального отопления в Европе чаще всего используют трубы из сшитого полиэтилена.

С вертикальными трубопроводами

Вертикальная схема работы

Учитывая основные принципы работы геотермального отопления дома во время проектирования необходимо добиться максимального нагрева теплоносителя от земли. Это можно сделать только при установке вертикальных магистралей.

Для организации геотермального отопления загородного дома своими руками вертикального типа необходимо сделать скважины, глубиной от 30 до 100 м. В них помещаются трубопроводы первичного контура.

Такая схема более трудоемка, чем вертикальная, но имеет ряд преимуществ:

Большая глубина залегания магистралей. В этом случае теплоотдача окружающей среды повышается на 25-30% — до 70 Вт/м²;
Небольшая площадь для монтажа;
Практически отсутствует зависимость от промерзания грунта.

Кроме этого способа нередко применяют основные принципы работы геотермального отопления для горячего водоснабжения в летний период. Для этого первичный контур помещают в воду — озеро или реку.

Перед бурением скважин необходимо сделать анализ почвы и определить оптимальную глубину. Состав почвы напрямую скажется на трудоемкости процесса.

Разновидности конструкций внешнего контура

Расположить трубы наружного контура можно горизонтально и вертикально.

Горизонтальный способ

Такой контур называется коллектором. При всей своей трудоемкости горизонтальный способ размещения труб является самым простым, а потому он может быть осуществлен самим домовладельцем без привлечения высококвалифицированных специалистов и специальной техники. В среднем с одного метра горизонтального коллектора удается снять 20 Вт тепловой энергии. Устройство контура можно произвести по одному из двух вариантов:

Размещение в грунте

Трубы контура, имеющего вид змеевика, укладывают в траншеи ниже глубины промерзания.

Расстояние между соседними участками должно составлять не менее 0,7 м. Максимальная длина контура ограничивается значением в 150 м.

При большей длине гидравлическое сопротивление трубопровода достигнет значительных величин, что потребует применения более мощного насоса. Рентабельность системы при этом ощутимо сократится.

Если необходимо использовать несколько контуров, их длина должна быть одинаковой.

Площадка, отводимая под грунтовый коллектор, обычно имеет весьма значительные размеры. В среднем на каждый 100 кв. м отапливаемой площади приходится задействовать 240 кв. м угодий, на которых не допускается высадка деревьев и размещение построек (вся территория должна быть хорошо освещена солнцем).

С размещением в водоеме

Если не далее, чем в 100 м от дома имеется водоем, задача по устройству наружного контура существенно упрощается. Трубы можно расположить прямо на дне, не прибегая в этом случае к трудоемким и дорогостоящим земляным работам. Контур имеет вид спирали, что способствует снижению его гидравлического сопротивления. Благодаря высокой теплопроводности воды, а также ее перемешиванию в результате конвекции процесс теплообмена происходит интенсивнее.

Подходящим является любой водоем с достаточной площадью, который даже в самые суровые зимы не промерзает на всю глубину.

При сильных морозах глубина промерзания грунта или поверхностных вод может превышать среднее значение. Поэтому при определении глубины заложения коллектора на этот счет следует предусматривать запас в 20%.

Вертикальный

В этом варианте трубы внешнего контура помещают в скважины. Такую конструкцию называют зондом.

Вертикальный способ применяют при отсутствии достаточно обширной территории, необходимой для расположения горизонтального коллектора, а также в том случае, если на участке уже имеются элементы благоустройства, которые не хотелось бы разрушать.

Недостаток данной технологии состоит в отсутствии возможности самостоятельной реализации: придется потратиться на найм бригады бурильщиков, имеющих специальные механизмы.

Скважины имеют диаметр от 120 до 200 мм, а их глубина варьируется в пределах от 20 до 300 м. Сам контур чаще всего выполняют из полимерных труб диаметром не менее 32 мм. После погружения зонда скважину заполняют составом, имеющим высокую теплопроводность, например, бентонитом. Срок службы выполненной по всем правилам скважины достигает 100 лет.

Важное преимущество вертикальной конструкции наружного контура состоит в более высокой теплоотдаче. Здесь она в среднем составляет уже 50 Вт/м

Разумеется, так бывает не всегда. Конкретное значение зависит от типа грунта, его влажности и объема грунтовых вод.

Сама по себе геотермальная энергия относится к возобновляемым видам, тем не менее, объем ее потребления не является бесконечным. Геотермальные тепловые насосы для отопления рекомендуется эксплуатировать не более 1800 часов в год. В противном случае скорость отвода тепла настолько превысит скорость тепловой регенерации грунта, что некоторые его участки вокруг скважины могут даже промерзать. Данное явление может сопровождаться проседанием отдельных слоев, разрушением наружного контура и целым рядом других нежелательных последствий.

Во избежание переохлаждения грунта его рекомендуют с приходом лета насыщать теплом путем переключения теплового насоса в реверсный режим (кондиционирование) либо с применением солнечных коллекторов.

В этом случае трубопровод имеет вид цилиндрической пружины. Он занимает меньше места, чем горизонтальный, но также может быть изготовлен собственными силами.

Схема исполнения гидротермального отопления

На сегодняшний день наибольшее распространение получили три принципиально отличающиеся схемы обустройства подземного отопления. Для обеспечения максимальной эффективности обогрева дома общая площадь внешнего подземного контура должна быть в 2,5 раза больше отапливаемой площади жилого дома.

В автономном отоплении используются следующие типы геотермального обогрева:

Подводный вариант.
Горизонтальная закладка.
Обустройство скважин.

В каждом конкретном случае выбор той или иной разновидности геотермального отопления будет зависеть от площади дома, финансовых возможностей домовладельца, особенностей местности. Подводный вариант может использоваться в тех случаях, если поблизости имеются глубокие водоемы, которые в зимнее время года не промерзают до дна.

Существует несколько видов закладки подобного отопления

Горизонтальная закладка

Этот вариант гидротермального отопления подразумевает выполнение рядом с домом котлована, глубина которого будет на 2 метра глубже точки замерзания грунта. Соответственно, для нагрева частного дома площадью в 100 квадратных метров потребуется копать котлован с глубиной более 3 метров и общей площадью 250 квадратов.

Если имеющаяся площадь участка позволяет выполнить такой котлован, то горизонтальная закладка станет оптимальным вариантом геотермального отопления частного дома. Внутри котлована закладывают систему труб, по которым циркулирует незамерзающий теплоноситель. Наружный контур отопления выводится в дом и подключается к теплообменной установке.

Из преимуществ этой схемы выполнения геотермального отопления принято выделять ее эффективность, простоту обустройства, снижение расходов на монтаж наружного контура. В то же время необходимо учитывать обязательные требования по правильному расчету объема котлована, который не всегда возможно разместить на небольшом по своей площади приусадебном участке.

Геотермальное отопление дома:

Подводный вариант

Владельцы частных домов, которые проживают поблизости от озер и рек, часто выбирают вариант гидротермального отопления с использованием подводного варианта. Необходимо лишь правильно продумать расположение внешнего контура, который размещают на глубине более 4 метров, что исключает возможность промерзания озера или реки до дна. Подземную и надземную часть контура, которая идет непосредственно от берега озера до обогреваемого частного дома, в обязательном порядке утепляют, а трубы под землей прокладывают на глубине ниже точки промерзания грунта.

Использование подводного варианта позволяет упростить обустройство системы отопления частного дома, так как не требуется проводить дорогостоящие и сложные земляные работы. Внешний контур будет нагреваться от тепла воды, после чего подогретый теплоноситель подается в систему, обеспечивая работоспособность оборудования.

Выполнение гидротермальных скважин

Выполнение геотермальных скважин для организации автономного отопления является оптимальным вариантом, позволяющим существенно снизить затраты домовладельца. Скважина бурится на глубину в 30-50 метров, что повышает эффективность нагрева, так как на больших глубинах температура земли будет выше, нежели у самой поверхности.

Бурение скважины – один из эффективных методов монтажа подобного обогрева

Сегодня многие домовладельцы, обустраивая автономную систему геотермального отопления частного дома, выбирают вариант с бурением скважин, что существенно упрощает прокладку контура. В этом случае обеспечивается максимальная эффективность используемого оборудования, позволяя использовать все возможности таких современных технологий даже при наличии небольшого по площади участка.

Выполнение обогрева частного дома с прокладкой внешнего контура в глубинных скважинах позволяет на 20-30% уменьшить общую стоимость обустройства в доме автономного отопления. Благодаря высокой температуре нагрева теплоносителя в глубинном контуре имеется возможность использования небольших по своей мощности отопительных установок, что упрощает монтаж оборудования, снижает его стоимость, одновременно обеспечивая максимальное удобство проживания в частном доме.

Отопление дома геотермальным насосом