Геотермальный тепловой насос – что это и как работает? Принцип геотермального отопления

Содержание статьи:

• Что такое геотермальное отопление
• Что такое геотермальный тепловой насос
• Принцип работы грунтового теплового насоса
• Как работает с разными системы отопления
• Влияние температуры грунта на геотермальное отопление
• Какие бывают геотермальные насосы
• Требования к участку
• Срок эксплуатации геотермального насоса
• Срок окупаемости геотермального насоса
• Советы по выбору геотермального теплового насоса
• Заключение + источники

Как это работает на практике:

1. Сбор тепла из земли: система труб (грунтовый теплообменник) закапывается в землю на определенную глубину (в зависимости от типа системы). По этим трубам циркулирует незамерзающая жидкость (антифриз), которая собирает тепло из окружающего грунта.
2. Преобразование энергии: собранное тепло передается в геотермальный тепловой насос – ключевой элемент системы. Тепловой насос работает по принципу холодильника наоборот, повышая температуру собранного тепла до уровня, пригодного для отопления дома.
3. Распределение тепла: полученное тепло распределяется по дому через систему отопления – теплые полы, фанкойлы или радиаторы.

Преимущества геотермального отопления

1. Высокая энергоэффективность: геотермальные системы могут производить до 4-5 кВт тепловой энергии на каждый 1 кВт потребляемой электроэнергии.
2. Экологичность: использует возобновляемый источник энергии и не производит вредных выбросов.
3. Низкая стоимость отопления: после установки системы затраты на отопление значительно снижаются.
4. Универсальность: может использоваться как для отопления зимой, так и для охлаждения летом (через фанкойлы).
5. Долговечность: подземные компоненты системы могут служить до 50 лет и более, а сам тепловой насос – 20-25 лет.
6. Бесшумность работы: система работает тихо, не создавая дискомфорта для жильцов.
7. Безопасность: отсутствие открытого огня или горючих материалов снижает риск пожара или утечки вредных веществ.
8. Идеально подходят для современных энергоэффективных домов – можно подключить к системе “умный дом” и погодозависимой автоматике.

Геотермальный тепловой насос – это основное устройство для системы геотермального отопления. Земляной тепловой насос предназначен для извлечения тепловой энергии из недр земли или грунтовых вод, превращая её в тепло для обогрева частного дома или нагрева воды в контуре ГВС (в некоторых моделях).

Внешне напоминает большой холодильник или котел, но без дымохода. Имеет дизайн с гладкой передней панелью и дисплеем. Обычно он устанавливается в техническом помещении дома, например, в подвале или котельной.

Типичный геотермальный тепловой насос состоит из следующих основных компонентов:

1. Внутренний блок: это основная часть теплового насоса, которая обычно имеет размеры примерно 60-80 см в ширину и глубину и 100-180 см в высоту (зависит от мощности). Внутренний блок содержит:
   • Компрессор.
   • Теплообменники (испаритель и конденсатор).
   • Расширительный клапан.
   • Циркуляционные насосы.
   • Электронную систему управления.
2. Внешний контур: это система труб, заполненных антифризом, которая закапывается в землю или погружается в водоем. Этот контур не виден после установки.

1. Грунтовый контур: специальный раствор (антифриз) циркулирует по трубам, проложенным в земле или грунтовых водах, собирая низкопотенциальное тепло.
2. Испаритель: тепло из грунтового контура передается хладагенту, циркулирующему в тепловом насосе. Хладагент испаряется, поглощая тепловую энергию.
3. Компрессор: газообразный хладагент сжимается, что приводит к значительному повышению его температуры.
4. Конденсатор: горячий газ отдает тепло воде в системе отопления дома, при этом хладагент конденсируется обратно в жидкость.
5. Расширительный клапан: давление хладагента снижается и цикл повторяется.

⭐ Еще больше информации и даже таблица сравнения разных видов тепловых насосов в нашей статье “Принцип работы теплового насоса | Как работает тепловой насос и его устройство”.

1. Теплый пол:
   • Отлично подходит для работы с тепловыми насосами.
   • Низкотемпературная система (30-35°C) максимизирует эффективность теплового насоса.
   • Обеспечивает равномерное распределение тепла по всему дому.
2. Фанкойлы:
   • Идеальное сочетание с геотермальным тепловым насосом.
   • Обеспечивают быстрый нагрев или охлаждение помещения.
   • Позволяют использовать систему как для отопления зимой, так и для кондиционирования летом.
3. Радиаторы:
   • Неэффективный вариант для использования с тепловыми насосами.
   • Требуют высокой температуры теплоносителя (60-70°C), что значительно снижает COP теплового насоса.
   • При использовании с радиаторами тепловой насос теряет свое главное преимущество – энергоэффективность.
   • Рекомендуется перейти на низкотемпературное отопление (теплый пол или фанкойлы) или рассмотреть установку традиционного отопительного котла вместо теплового насоса.

1. Зависимость от глубины:
   • На глубине до 5 метров температура грунта подвержена сезонным колебаниям.
   • На глубине 10-15 метров температура относительно стабильна круглый год и примерно равна среднегодовой температуре воздуха в регионе.
   • Глубже 15 метров температура начинает повышаться в среднем на 1-3°C каждые 100 метров из-за геотермального градиента.
2. Влияние на эффективность:
   • Исследования показывают, что повышение температуры грунта на 1°C может увеличить коэффициент производительности (COP) теплового насоса на 2-3%.
3. Влияние типа грунта:
   • Теплопроводность грунта значительно влияет на эффективность системы. Согласно данным влажные глинистые почвы имеют теплопроводность около 1,7 Вт/(м·К), в то время как сухие песчаные почвы – около 0,3 Вт/(м·К).

Какие из этого можно сделать выводы? Например, что у нас, в Украине, хорошие условия для использования геотермального тепла, потому что среднегодовая температура в большинстве регионов страны находится в диапазоне 7-9°C. Это обеспечивает стабильную и благоприятную температуру грунта на глубине 10-15 метров, что идеально подходит для эффективной работы грунтового теплового насоса. Кроме того, разнообразие почв в Украине, включая плодородные черноземы с высокой влажностью, способствует лучшей теплопроводности, что дополнительно повышает эффективность тепловых насосов земля-вода.

Геотермальные тепловые насосы можно разделить на два основных типа в зависимости от источника тепла:

1. Тепловые насосы вода-вода:
   • Используют тепло подземных вод или водоемов.
   • Требуют наличия достаточного водного источника.
   • Обычно более эффективны, но имеют специфические требования к установке.
   • В идеальных условиях COP может достигать 5-6, что делает их наиболее эффективными.
2. Тепловые насосы грунт-вода (земля-вода):
   • Извлекают тепло непосредственно из грунта.
   • Могут использовать горизонтальные или вертикальные теплообменники.
   • Наиболее распространенный тип геотермальных насосов.

Насосы грунт-вода также имеют различия, в зависимости от типа грунтового теплообменника:

• С горизонтальным теплообменником:
  • Трубы укладываются горизонтально на глубине 1-2 м.
  • Требуют большой площади участка.
  • Насосы грунт-вода с горизонтальным теплообменником имеют COP в пределах 3,5-4,5.
• С вертикальным теплообменником:
  • Используются глубокие скважины (50-200 м) с вертикальными зондами.
  • Занимают минимум места на поверхности.
  • Более дорогие в установке, но могут подойти при ограниченной площади земельного участка.
  • Насосы грунт-вода с вертикальным теплообменником имеют COP в пределах 4-5.

• Для горизонтальных систем грунт-вода требуется большой открытый участок земли (для первичных работ). Трубы обычно закапываются на глубину от 1,5 до 3 метров, а для размещения всей петлевой системы может потребоваться площадь от 500 кв.м в зависимости от размера дома и типа грунта.
• Для вертикальных геотермальных систем грунт-вода требуется меньшая площадь участка по сравнению с горизонтальными системами, так как теплообменник размещается вертикально в виде скважин небольшого диаметра (10-15 см). Обычно нужно 3-6 скважин глубиной 50-150 м, для чего понадобится площадь около 6-18 кв.м в зависимости от количества скважин, с учетом расстояния 5-6 м между ними (требование для эффективной работы).
• Система вода-вода требует наличия доступного и пригодного для использования источника воды, такого как озеро, река или подземный водоносный горизонт, а также соответствующих разрешений.

Срок окупаемости геотермальных тепловых насосов сильно меняется в зависимости от конкретных условий участка и дома. На цену влияет:

1. Климатические условия и потребности в отоплении / охлаждении дома.
2. Стоимость установки системы, включая буровые работы для грунтового или водяного теплообменника.
3. Текущие цены на электроэнергию или газ.

Очень приблизительные данные, из опыта наших клиентов и при условии энергоэффективного дома (низкотемпературное отопление, хорошо утепленное здание, современная автоматика системы отопления): срок окупаемости геотермальной системы отопления в Украине составляет в среднем от 7 до 10 лет. Хотя с учетом нынешних тарифов на электроэнергию, возможно даже быстрее.

После этого периода система начинает экономить средства за счет низкой себестоимости кВт/ч тепловой энергии.

При выборе геотермального теплового насоса необходимо учитывать несколько важных факторов:

1. Расчет мощности насоса: первым шагом является определение пиковой тепловой нагрузки здания, то есть максимального количества тепла, необходимого для его отопления. Это зависит от площади здания, качества теплоизоляции, количества проживающих и других факторов. Завышенная или заниженная мощность теплового насоса приведет к неэффективной работе.
2. Тип и размеры теплообменника: от типа грунтового теплообменника (горизонтальный, вертикальный, на грунтовых водах) зависят площадь участка, необходимая для его размещения, глубина бурения и общая стоимость. Горизонтальные теплообменники требуют большой площади, вертикальные занимают мало места, но более дороги в установке.
3. Геологические и гидрогеологические условия участка: важно знать состав и теплопроводность грунтов, наличие грунтовых вод. Сложные геологические условия могут значительно удорожить монтаж, особенно вертикального теплообменника.

Если же мы говорим о выборе конкретного оборудования, то вот, на что следует обратить внимание:

1. Энергоэффективность и экономичность: выбирайте тепловые насосы с высоким коэффициентом преобразования энергии (СОР>4). Иногда выгоднее взять более дорогую, но более эффективную модель.
2. Комплектация: все комплектующие грунтовых тепловых насосов высокого качества, однако есть некоторые нюансы:
   • тип компрессора (поршневой, спиральный, винтовой) – определяет производительность, уровень шума, ресурс работы.
   • реверсивный цикл – есть ли возможность использования теплового насоса для охлаждения, помимо отопления.
   • встроенный бак-аккумулятор горячей воды – экономит пространство.
3. Дополнительное оборудование и функции: определитесь с необходимостью интеграции в "умный дом", резервного электрического нагревателя, возможности управления солнечными батареями и коллекторами.
4. Бренд и производитель: на украинском рынке представлены ведущие мировые бренды геотермальных тепловых насосов, такие как Vaillant, Nibe, Bosch, Viessmann и др. Отдавайте предпочтение известным маркам с хорошей репутацией, гарантиями качества и сервисным обслуживанием.

✔️ А перейдя в категорию Геотермальные тепловые насосы, Вы можете увидеть весь ассортимент магазина, где с помощью фильтра можно подобрать необходимые параметры (мощность, тип, рабочую температуру и т.д.).

Источники:

1. Джон У. Лунд. "Использование геотермальных тепловых насосов". Renewable Energy, 2019. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960148118305196
2. Сандер Карел. "Геотермальные системы: принципы и применения в инженерии низких температур". Springer, 2020. https://www.springer.com/gp/book/9783030479145
3. Международное энергетическое агентство. "Технологический отчет по тепловым насосам". IEA, 2021. https://www.iea.org/reports/heat-pumps
4. Роберт Хайнцен, Сорен Берг Лоренцен. "Тепловые насосы для отопления и охлаждения зданий". Wiley, 2018. https://www.wiley.com/en-us/Heat+Pumps+for+Building+Heating+and+Cooling-p-9781119515579
5. Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE). "Руководство по геотермальным тепловым насосам". ASHRAE, 2022. https://www.ashrae.org/technical-resources/bookstore/geothermal-heat-pump-and-ground-source-heat-pump-applications