Запасы тепла, содержащиеся в земле, огромны. Тепловой насос позволяет использовать их для обогрева дома. Хорошо спроектированная и построенная установка дешева в эксплуатации и может работать несколько десятков лет.

Что представляет собой тепловой насос

Устройство, которое благодаря использованию определенных физических явлений способно собирать энергию из недр земли и преобразовывать ее в тепловую энергию, используемую для обогрева зданий или нагрева горячей воды для бытовых нужд, называется тепловым насосом.
Термины «нижний» и «верхний источник» неразрывно связаны с термином тепловой насос. Нижним источником называют элементы насоса (коллекторные трубы), которые берут тепло непосредственно от:

• земля,
• подземные или поверхностные воды (например, природные водоемы),
• воздух.

Устройства, коллекторы которых установлены в земле и извлекают оттуда энергию, являются геотермальными тепловыми насосами, называемыми также рассольными или гликолевыми насосами (из-за рабочего тела, циркулирующего в контуре насоса).

Тепловой насос – это очень специфическое отопительное устройство. Прежде всего потому, что он сам не выделяет тепло. Вместо этого он берет их из окружающей среды — земли, воды или воздуха — трансформирует и переносит в здание. 

Поэтому систему отопления с насосом можно разделить на три части:

• нижний источник, от которого мы берем тепло;
• верхний источник, отдающий тепло помещениям в доме;
• тепловой насос, обеспечивающий переток тепла между нижним и верхним источниками.

Нижний источник подобен аккумулятору, из которого мы черпаем энергию. Насос — это всего лишь преобразователь, превращающий его в полезную для нас форму. Это приводит к основному выводу, что без должным образом эффективного (с нужной производительностью и температурой) нижнего источника насос не будет работать должным образом. От него зависит количество получаемой энергии за сезон и мощность, достигаемая насосом. Помните, что насос – это не котел, и если он дает слишком мало тепла, недостаточно заменить его на модель большей мощности. Также необходимо увеличить установку на стороне выхода (например, добавить отверстия).

Как работает геотермальный тепловой насос?

Каждый геотермальный тепловой насос собирает энергию земли, преобразует ее в полезное тепло и снабжает систему отопления здания. Несмотря на различия между моделями грунтовых насосов, всегда можно выделить основные элементы в их конструкции:

• нижний источник с коллектором, получающим тепло от земли,
• теплообменник (испаритель), собирающий тепло из контура коллектора и транспортирующий его во внутренний контур насоса,
• компрессор,
• теплообменник (конденсатор), который собирает тепло из внутреннего контура насоса и подает его в контур верхнего источника (системы отопления),
• верхний источник (отопительная установка с низкотемпературными приемниками тепла, например, напольное отопление или настенные отопительные панели),
• расширительный клапан.

Для начала стоит пояснить, что в случае с тепловыми насосами понятие тепла понимается несколько иначе, чем в обычном смысле этого слова. Грунт на глубине 2 м в зимние месяцы обычно имеет температуру около 5°С. По сравнению с желаемой внутренней температурой около 21°C, это, конечно, мало.

Однако решения, используемые в системах с геотермальными тепловыми насосами, позволяют поднять температуру рабочего тела, циркулирующего во внутреннем контуре насоса (с помощью компрессора), до комнатной температуры. Образовавшееся тепло передается в конденсатор, а рабочее тело направляется к расширительному клапану. Где снижаются как его давление, так и температура. В этом состоянии хладагент достигает испарителя, где получает тепло от земли, затем проходит в компрессор. Цикл повторяется.

Сколько электроэнергии потребляет геотермальный тепловой насос?

Потребление электроэнергии в установке с геотермальным тепловым насосом зависит от таких факторов, как: площадь здания и количество жителей.

В расчетах принимаем, что:

• геотермальный тепловой насос используется как для отопления здания, так и для приготовления горячей воды для бытовых нужд;
• площадь здания около 100 м²;
• и живут в нем 4 жителя;
• а КПД теплового насоса равен 4,9 (т.е. количество тепловой энергии, подаваемой на обогрев дома, к количеству потребленной за это время электроэнергии).

Исходя из этого, можно определить, сколько электроэнергии будет потреблять тепловой насос в год на отопление и ГВС: годовой расход тепловой энергии (на 1 м²) составляет 50 кВтч, а на ГВС — 800 кВтч. Исходя из усредненных таким образом данных, годовая потребность в тепловой энергии и подготовке горячей воды составляет 100 х 50 + 4 х 800 = 8200 кВтч.

Какой нижний источник выбрать для геотермального теплового насоса?

Насос может использовать разные донные источники. Выбор одной из них зависит, прежде всего, от условий на участке — его размера, типа почвы, приемлемого размера земляных валов и т. д. В частных домах применяются следующие схемы.

• Наземный горизонтальный коллектор состоит из заглубленных на глубину 1-1,5 м змеевиков из труб, заполненных незамерзающей жидкостью. Ее традиционно называют рассолом, хотя на самом деле это раствор этиленгликоля или пропиленгликоля. Эта жидкость, циркулируя в трубах, получает тепло от земли, а затем — через теплообменник — передает его насосу. Затем, остыв, возвращается в змеевики, снова прогревается за счет земли, и цикл повторяется.
• Вертикальные коллекторы также представляют собой трубы, заполненные антифризом, но размещенные в вертикальных глубоких скважинах.
• Земляной коллектор в системе прямого расширения состоит из медных труб с пластиковым покрытием, уложенных в землю. Однако вместо антифриза в них циркулирует рабочее тело самого теплового насоса. Трубы в земле выполняют функцию так называемого испаритель. Таким образом, устраняется один теплообменник, а эффективность работы насоса повышается.
• Две скважины, где первая забирает подземные воды (приемная скважина), получает от них тепло, затем снова закачивает воду в землю (нагнетательная скважина). Вода является очень хорошим теплоносителем, к тому же ее температура в более глубоких слоях земли составляет около 10°С. Теоретически такое расположение очень выгодно. На практике грунтовые воды, если они вообще присутствуют на участке в нужном количестве, часто содержат много марганца и железа, и эти элементы выпадают в осадок из забираемой воды, заиливая теплообменник в насосе и сами колодцы.
• Горизонтальные коллекторы на дне водоема представляют собой змеевики труб, уложенные не в землю, а на дно пруда или реки. Такой установкой можно оборудовать всего несколько участков земли, но это стоит сделать, если у вас есть подходящий водоем. Система очень энергоэффективна, так как теплоносителем является вода. Его состав не проблема, потому что насос не вступает с ним в непосредственный контакт.
• Теплообменник, получающий тепло от воздуха, работает с так называемым воздушный тепловой насос. В этом случае установка ограничивается теплообменником и вентиляторами принудительного движения воздуха (до нескольких тысяч м3/ч).

Кроме воздушных насосов, упомянутых в конце, все остальные правильно используют тепло, содержащееся в земле. Даже одни и те же устройства обычно могут работать в системах «рассол/вода» и «вода/вода». Насосы с непосредственным расширением имеют другую конструкцию, поскольку здесь некоторые элементы (испаритель) вытянуты в грунте.

Почему стоит выбрать геотермальный тепловой насос?

Воздушно-водяные насосы намного проще в установке, чем наземные, и, с учетом стоимости наземного источника, они дешевле. Однако они не вытеснили их с рынка и, вероятно, никогда не вытеснят. Насосы типа «грунт-вода» имеют большое преимущество в нашем климате в виде стабильной температуры нижнего источника, а значит, предсказуемых условий эксплуатации.

• Температура наружного воздуха резко меняется в течение года — от +30°С летом до даже -25°С зимой. 
• Кроме того, в течение дня наблюдается очень высокая изменчивость. 
• Весной и осенью днем ​​может быть несколько градусов плюс, а ночью ниже нуля. Ведь именно тогда, когда на улице холодно, нам больше всего нужно тепло! 

Таким образом, насос должен быть максимально эффективным, когда условия самые неблагоприятные. К сожалению, этого нельзя добиться.

При заборе тепла из земли ситуация намного лучше. 

• Температура на глубине около 1 м не опускается ниже нуля, а грунтовые воды и глубокие скважины постоянно около +10°C. 
• На дне пруда или реки, пока оно не замерзнет полностью, даже в самые сильные морозы в придонной зоне +4°С — потому что вода при этой температуре имеет наибольшую плотность и автоматически опускается на дно резервуар. 
• Для теплового насоса наземный источник с температурой 0°C и выше несравненно лучше, чем воздух, замороженный до -15 или -20°C. 
• Важно отметить, что температура грунта меняется медленно, поэтому условия работы предсказуемы.

Как выбрать мощность и какого размера должен быть геотермальный тепловой насос?

Размер нижнего источника, а значит, и мощность, получаемая от него, должны соответствовать мощности насоса. Это, в свою очередь, соответствует потребности в тепле конкретного здания. Поэтому первым шагом при проектировании насосной системы отопления всегда должно быть определение того, сколько тепла нужно дому. Здесь следует отметить, что необходима гораздо большая точность, чем в случае с традиционными котельными установками.

Котел, обычно выбранный немного про запас, в любом случае будет исправно работать, а его эксплуатационные расходы существенно не изменятся. С другой стороны, слегка слишком слабый (невысокий) тоже подойдет. Мало кто знает, что, например, твердотопливные котлы (уголь, дрова, пеллеты) могут работать при мощности 120-130% от номинальной мощности практически без ухудшения КПД. Необходимость замены котла из-за неправильно подобранной мощности – действительно крайний случай.

С тепловыми насосами сложнее. Достигают указанной изготовителем мощности, зафиксированной в документации, при условии, что температура — как на стороне нижнего источника, так и на стороне верхнего источника (приемной установки) — соответствует принятой для расчетов. Поэтому в документации на устройства мы обычно находим графики (кривые), показывающие, насколько уменьшится мощность устройства, если:

• нижняя температура источника будет ниже предполагаемой;
• температура верхнего источника будет выше предполагаемой.

Мы имеем влияние на верхний источник, то есть на систему отопления (по крайней мере, в новом доме). Мы можем изменить нижний источник лишь в небольшой степени. Если, конечно, мы не выберем конкретный тип, например, горизонтальный коллектор или вертикальные скважины. Горизонтальные коллекторы — отличный пример того, насколько разными могут быть параметры одного и того же типа нижнего источника. В данном случае решающее значение имеет тип почвы.

Термическая эффективность грунта для горизонтальных коллекторов

Это хороший пример еще и потому, что горизонтальный коллектор требует больше всего места. Поэтому вопрос о том, поместится ли он на конкретном участке, является существенным. В стандарте EN 15450:2007 приняты значения теплоэффективности грунтов, отличающиеся до 4 раз (см. таблицу ниже).

Термическая эффективность грунта для горизонтальных коллекторов

Тип почвы	Термическая эффективность [Вт/м2]
	Время работы насоса 1800 ч/год	Наработка насоса 2400 ч/год
Сухой, несвязный	10	8
Влажный песчаный	20÷30	16÷24
Пропитанный водой	40	32

Как видите, самым важным является степень насыщения водой, которая является отличным теплоносителем. Второй фактор – время работы насоса. И стоит знать, что хотя это европейский стандарт, значения были скопированы без изменений из директивы, разработанной Ассоциацией немецких инженеров (директива VDI 4640). Из-за немного более прохладного климата, чем у наших западных соседей, будет разумно предположить более продолжительный рабочий день (2400 часов в год).

Это очень много, тем более, что эту территорию нельзя застроить, вымостить брусчаткой или засадить высокими деревьями. Все потому, что такие обработки препятствуют проникновению воды в землю и действию солнца. А без этого тепловые ресурсы не возобновятся.

Второй вопрос – расстояние между трубами горизонтального коллектора. Обычно они около метра. В постоянно орошаемых почвах, как более энергоэффективных, расстояние уменьшают до 60-70 см. Однако самое главное помнить, что источником тепла являются не трубы, а сама земля. Их уплотнение не повысит КПД нижнего источника.

Однако, если мы переусердствуем, результаты могут быть фатальными. Земля вокруг труб промерзнет, ​​создав подземный ледяной щит, который не сможет оттаять в межсезонье. Поэтому давайте помнить, что если мы решаем использовать тепловой насос, работающий от грунта, то установка на нижней стороне источника должна быть спроектирована и выполнена действительно хорошими профессионалами. Только тогда вся система будет работать безотказно и эффективно долгие годы.

Горизонтальный колектор или скважина — что выбрать

Бурение вертикальных скважин сложнее и затратнее, чем изготовление горизонтального коллектора. В этом случае необходимо специальное оборудование для бурения скважин глубиной в десятки метров. Это особенно сложно в каменистом и даже каменистом грунте, тогда затраты возрастают.

• Однако помните, что скважины занимают мало места, поэтому участок может быть небольшим, а кроме того, участок над скважинами можно укрепить (даже со временем застроить, построив сарай или гараж). Отсюда вывод, что участок может быть меньше, что следует учитывать при экономическом расчете. 
• Кроме того, скважины более энергоэффективны, так как температура на глубине более 15 м не меняется в течение года и составляет не менее 10°С. По этой причине, как правило, лучше бурить меньше, но более глубоких скважин. 
• Однако необходимо учитывать геологическое строение местности и экономический расчет. Мелкие колодцы могут быть просто намного дешевле.

Какой мощности должен быть геотермальный тепловой насос?

Мощность геотермального теплового насоса следует подбирать индивидуально, учитывая такие факторы, как:

• теплоизоляция здания,
• площадь дома,
• количество членов семьи,
• нужно нагреть горячую воду.

Например — для энергосберегающего дома полезной площадью 150 м², в котором проживает 4 человека, при условии необходимости подогрева технической воды можно принять следующее:

• для обогрева здания 30 Вт/м²
• на нагрев технической воды дополнительно 1,2 кВт мощности насоса (принимается 0,3 кВт на человека, что дает 1,2 кВт на 4 человека).

Для обогрева здания требуется 150 м² x 30 Вт/м² = 4500 Вт = 4,5 кВт.

Для обогрева здания и нагрева воды необходимо 4,5 кВт + 1,2 кВт = 5,6 кВт.

В данном примере мощность геотермального теплового насоса должна быть около 6 кВт.

Можно ли использовать тепловой насос для охлаждения?

Особенностью, возможной только с насосами для грунта/воды, является так называемая пассивное охлаждение. Он заключается в том, что источником охлаждения в установке является сам грунт, температура которого даже в самую сильную жару составляет около 10°С. Точнее, тепло изнутри дома, где у нас, например, 25°С, уходит в землю, а это 10-15°С.

Если мы намерены использовать такое охлаждение, давайте проверим, предлагает ли помпа функцию пассивного охлаждения в стандартной комплектации, для нее нужно покупать дополнительный модуль, а может производитель вообще не предусматривает эту функцию. Технически возможно добиться пассивного охлаждения в любом насосе для рассола/воды, но стоит ли с этим заморачиваться, если мы можем подготовить все на заводе?

Какой тепловой насос выбрать для ГВС?

Горячая вода для бытовых нужд, т. е. горячая вода для бытовых нужд, в системе с тепловым насосом «земля-вода» обычно также готовится насосом. Иногда, однако, можно встретить уговоры использовать для этой цели отдельный насос, предназначенный только для ГВС. Это маломощные устройства, обычно 1-2 кВт, использующие в качестве донного источника наружный или внутренний воздух. Однако такая специализация не представляется оправданной ни технически, ни экономически. Насос будет хорошо работать в теплое время года (вне отопительного сезона). Однако зимой, если он вообще может работать с наружным воздухом, его эффективность будет намного ниже, чем у грунтовых/водяных насосов.

Если, с другой стороны, он всасывает воздух изнутри дома, то тепло для его обогрева все равно будет поступать от теплового насоса здания. В такой ситуации покупка второго устройства не имеет особого смысла.

Грунтовые тепловые насосы – необычные ситуации

Мы уже писали, что слишком много нижнего источника лучше, чем слишком мало. Но увеличивать его сверх необходимости не имеет смысла. В первую очередь потому, что мы заплатим больше за его реализацию.

Однако бывают ситуации, когда лучше сделать донный источник несколько большего размера, чем это следует из типичных проектных допущений (конструкцию необходимо доработать):

• мы подозреваем, что здание имеет более высокую потребность в тепле, чем предполагалось, потому что, например, строительная бригада была небрежна, и мы подозреваем наличие дополнительных тепловых мостов;
• нам нравится поддерживать температуру в помещении выше стандартной, например, 22°C вместо 20°C. Это означает большее потребление тепла;
• расчеты тепловых потерь в здании не были полностью достоверными. Это всегда лишь приблизительный результат, не учитывающий многих факторов;
• было принято слишком оптимистичное значение теплоэффективности грунта, и оно изменяется во времени, например, при колебаниях уровня грунтовых вод.

Грунтовые тепловые насосы — полная регенерация

Полное возобновление тепловых ресурсов между сезонами. В отопительный сезон температура нижнего источника постепенно снижается – чем больше и быстрее, тем больше тепла мы получаем. В этом нет ничего опасного, если тепловые ресурсы возобновятся до следующей зимы. Тем не менее, это не всегда так.

Безусловно, наиболее распространенной причиной проблем является слишком маленький нижний источник. Известно, что большой наземный источник стоит дороже (например, делать 4 скважины вместо 3-х). Поэтому сами подрядчики и инвесторы стараются на этом сэкономить.

Нижний источник также может быть чрезмерно использован в результате ошибок, допущенных во время использования.

• Например, дома сразу после завершения строительства могут иметь гораздо более высокую потребность в тепле, чем это предусмотрено проектом. 
• Свежий бетон, штукатурки, строительные растворы и т. д. должны высохнуть, а на испарение воды из них расходуется много энергии. 
• Часто изоляция не закончена, например, на чердаке. 

Отопление такого дома может чрезмерно эксплуатировать нижний источник.

Некоторые наши действия могут также ухудшить тепловые параметры самого источника. Участок, на котором расположен горизонтальный коллектор, не должен быть затененным или затененным. Регенерация тепловых ресурсов в земле на глубину нескольких метров происходит в основном за счет проникновения дождевой воды и действия солнца.

Какие действия по техническому обслуживанию следует регулярно проводить на геотермальном тепловом насосе?

Поскольку тепловые насосы не производят выхлопных газов, их техническое обслуживание очень просто и, следовательно, недорого. Обычно ограничивается ежегодным осмотром у специалиста, который:

• проверяет правильность химического состава рабочей среды,
• оценивает давление рабочей среды во внутренней системе насоса,
• очищает или, при необходимости, заменяет фильтр,
• проверяет проходимость установки.

Если отопительный сезон особенно продолжительный, можно проверять два раза в год – в начале и в конце холодного периода.

Грунтовые тепловые насосы – стоимость

Геотермальный тепловой насос требует больших затрат. Помимо самого устройства, следует также учитывать затраты на монтаж системы и ее ввод в эксплуатацию, а также годовые затраты на потребление электроэнергии, необходимой для работы насоса, затраты на техническое обслуживание и возможный ремонт.

Средняя стоимость геотермального теплового насоса составляет 10000 долларов. Однако при выборе геотермального теплового насоса к самому устройству необходимо добавить стоимость нижнего источника и установки (2000-8000 тысяч долларов).

Один только насос для грунтовых вод мощностью около 10 кВт будет стоить 4000-5000 долларов. Хотя на рынке есть даже устройства, которые дороже более чем в два раза. К сожалению, установка на стороне выхода требует значительных дополнительных затрат.

Стоимость может быть разной, в зависимости от требуемого размера нижнего источника и, прежде всего, от выбранной нами технологии. Можно предположить, что горизонтальный коллектор стоит до 3000 долларов. Вертикальное бурение обойдется примерно в 5000 долларов.

Вопрос-ответ