Геотермальний тепловий насос – що це і як працює? Принцип геотермального опалення

Зміст статті:

• Що таке геотермальне опалення
• Що таке геотермальний тепловий насос
• Принцип роботи грунтового теплового насоса
• Як працює з різними системи опалення
• Вплив температури грунту на геотермальне опалення
• Які бувають геотермальні насоси
• Вимоги до ділянки
• Термін експлуатації
• Окупність геотермального насоса
• Поради щодо вибору геотермального теплового насоса
• Висновок + джерела

Як це працює на практиці:

1. Збір тепла з землі: система труб (ґрунтовий теплообмінник) закопується в землю на певну глибину (залежно від типу системи). По цих трубах циркулює незамерзаюча рідина (антифриз), яка збирає тепло з навколишнього ґрунту.
2. Перетворення енергії: зібране тепло передається в геотермальний тепловий насос – ключовий елемент системи. Тепловий насос працює за принципом холодильника навпаки, підвищуючи температуру зібраного тепла до рівня, придатного для опалення будинку.
3. Розподіл тепла: отримане тепло розподіляється по будинку через систему опалення – теплі підлоги, фанкойли або радіатори.

Переваги геотермального опалення

1. Висока енергоефективність: геотермальні системи можуть виробляти до 4-5 кВт теплової енергії на кожен 1 кВт споживаної електроенергії.
2. Екологічність: використовує відновлюване джерело енергії і не виробляє шкідливих викидів.
3. Низька вартість опалення: після встановлення системи витрати на опалення значно знижуються.
4. Універсальність: може використовуватися як для опалення взимку, так і для охолодження влітку (через фанкойли).
5. Довговічність: підземні компоненти системи можуть служити до 50 років і більше, а сам тепловий насос – 20-25 років.
6. Безшумність роботи: система працює тихо, не створюючи дискомфорту для мешканців.
7. Безпека: відсутність відкритого вогню або горючих матеріалів знижує ризик пожежі або витоку шкідливих речовин.
8. Ідеально підходять для сучасних енергоефективних будинків – можна підключити до системи "розумний будинок" та погодозалежної автоматики.

Геотермальний тепловий насос – це основний пристрій для системи геотермального опалення. Земляний тепловий насос призначений для вилучення теплової енергії з надр землі або ґрунтових вод, перетворюючи її на тепло для обігріву приватного будинку або нагріву води в контурі ГВП (в деяких моделях).

Зовні нагадує великий холодильник або котел, але без димоходу. Мають дизайн з гладкою передньою панеллю та дисплеєм. Зазвичай він встановлюється в технічному приміщенні будинку, наприклад, в підвалі або котельні.

Типовий геотермальний тепловий насос складається з наступних основних компонентів:

1. Внутрішній блок: це основна частина теплового насоса, яка зазвичай має розміри приблизно 60-80 см в ширину і глибину та 100-180 см у висоту (залежить від потужності). Внутрішній блок містить:
   • Компресор.
   • Теплообмінники (випарник і конденсатор).
   • Розширювальний клапан.
   • Циркуляційні насоси.
   • Електронну систему управління.
2. Зовнішній контур: це система труб, заповнених антифризом, яка закопується в землю або занурюється у водойму. Цей контур не видно після встановлення.

1. Ґрунтовий контур: спеціальний розчин (антифриз) циркулює по трубах, прокладених в землі або ґрунтових водах, збираючи низькопотенційне тепло.
2. Випарник: тепло з ґрунтового контуру передається холодоагенту, що циркулює в тепловому насосі. Холодоагент випаровується, поглинаючи теплову енергію.
3. Компресор: газоподібний холодоагент стискається, що призводить до значного підвищення його температури.
4. Конденсатор: гарячий газ віддає тепло воді в системі опалення будинку, при цьому холодоагент конденсується назад в рідину.
5. Розширювальний клапан: тиск холодоагенту знижується і цикл повторюється.

⭐ Ще більше інформації і навіть таблиця порівняння різних видів теплових насосів в нашій статті "Принцип роботи теплового насоса | Як працює тепловий насос та його будова".

1. Тепла підлога:
   • Чудово підходить для роботи з тепловими насосами.
   • Низькотемпературна система (30-35°C) максимізує ефективність теплового насоса.
   • Забезпечує рівномірний розподіл тепла по всьому будинку.
2. Фанкойли:
   • Ідеальне поєднання з геотермальним тепловим насосом.
   • Забезпечують швидке нагрівання або охолодження приміщення.
   • Дозволяють використовувати систему як для опалення взимку, так і для кондиціонування влітку.
3. Радіатори:
   • Неефективний варіант для використання з тепловими насосами.
   • Вимагають високої температури теплоносія (60-70°C), що значно знижує COP теплового насоса.
   • При використанні з радіаторами тепловий насос втрачає свою головну перевагу – енергоефективність.
   • Рекомендується перейти на низькотемпературне опалення (тепла підлога або фанкойли) або розглянути установку традиційного опалювального котла замість теплового насоса.

1. Залежність від глибини:
   • На глибині до 5 метрів температура ґрунту піддається сезонним коливанням.
   • На глибині 10-15 метрів температура відносно стабільна цілий рік і приблизно дорівнює середньорічній температурі повітря в регіоні.
   • Глибше 15 метрів температура починає підвищуватися в середньому на 1-3°C кожні 100 метрів через геотермальний градієнт.
2. Вплив на ефективність:
   • Дослідження показують, що підвищення температури ґрунту на 1°C може збільшити коефіцієнт продуктивності (COP) теплового насоса на 2-3%.
3. Вплив типу ґрунту:
   • Теплопровідність ґрунту значно впливає на ефективність системи. Згідно з даними вологі глинисті ґрунти мають теплопровідність близько 1,7 Вт/(м·К), в той час як сухі піщані ґрунти – близько 0,3 Вт/(м·К).

Які з цього можна зробити висновки? Наприклад, що у нас, в Україні, хороші умови для використання геотермального тепла, тому що середньорічна температура в більшості регіонів країни знаходиться в діапазоні 7-9°C. Це забезпечує стабільну і сприятливу температуру ґрунту на глибині 10-15 метрів, що ідеально підходить для ефективної роботи ґрунтового теплового насоса. Крім того, різноманіття ґрунтів в Україні, включаючи родючі чорноземи з високою вологістю, сприяє кращій теплопровідності, що додатково підвищує ефективність теплових насосів земля-вода.

Геотермальні теплові насоси можна розділити на два основних типи залежно від джерела тепла:

1. Теплові насоси вода-вода:
   • Використовують тепло підземних вод або водойм.
   • Вимагають наявності достатнього водного джерела.
   • Зазвичай більш ефективні, але мають специфічні вимоги до встановлення.
   • В ідеальних умовах COP може досягати 5-6, що робить їх найбільш ефективними.
2. Теплові насоси ґрунт-вода (земля-вода):
   • Витягують тепло безпосередньо з ґрунту.
   • Можуть використовувати горизонтальні або вертикальні теплообмінники.
   • Найбільш поширений тип геотермальних насосів.

Насоси ґрунт-вода також мають відмінності, залежно від типу ґрунтового теплообмінника:

• З горизонтальним теплообмінником:
  • Труби укладаються горизонтально на глибині 1-2 м.
  • Вимагають великої площі ділянки.
  • Насоси ґрунт-вода з горизонтальним теплообмінником мають COP в межах 3,5-4,5.
• З вертикальним теплообмінником:
  • Використовуються глибокі свердловини (50-200 м) з вертикальними зондами.
  • Займають мінімум місця на поверхні.
  • Більш дорогі у встановленні, але можуть підійти при обмеженій площі земельної ділянки.
  • Насоси ґрунт-вода з вертикальним теплообмінником мають COP в межах 4-5.

• Для горизонтальних систем ґрунт-вода потрібна велика відкрита ділянка землі (для первинних робіт). Труби зазвичай закопуються на глибину від 1,5 до 3 метрів, а для розміщення всієї петльової системи може знадобитися площа від 500 кв.м залежно від розміру будинку і типу ґрунту.
• Для вертикальних геотермальних систем ґрунт-вода потрібна менша площа ділянки порівняно з горизонтальними системами, оскільки теплообмінник розміщується вертикально в вигляді свердловин невеликого діаметру (10-15 см). Зазвичай потрібно 3-6 свердловин глибиною 50-150 м, для чого знадобиться площа близько 6-18 кв.м залежно від кількості свердловин, з урахуванням відстані 5-6 м між ними (вимога для ефективної роботи).
• Система вода-вода вимагає наявності доступного і придатного для використання джерела води, такого як озеро, річка або підземний водоносний горизонт, а також відповідних дозволів.

Термін окупності геотермальних теплових насосів сильно змінюється залежно від конкретних умов ділянки і будинку. На ціну впливає:

1. Кліматичні умови і потреби в опаленні / охолодженні будинку.
2. Вартість встановлення системи, включаючи бурові роботи для ґрунтового або водяного теплообмінника.
3. Поточні ціни на електроенергію або газ.

Дуже приблизні дані, з досвіду наших клієнтів і за умови енергоефективного будинку (низькотемпературне опалення, добре утеплена будівля, сучасна автоматика системи опалення): термін окупності геотермальної системи опалення в Україні становить в середньому від 7 до 10 років. Хоча з урахуванням нинішніх тарифів на електроенергію, можливо навіть швидше.

Після цього періоду система починає економити кошти за рахунок низької собівартості кВт/год теплової енергії.

При виборі геотермального теплового насоса необхідно враховувати кілька важливих факторів:

1. Розрахунок потужності насоса: першим кроком є визначення пікового теплового навантаження будівлі, тобто максимальної кількості тепла, необхідного для її опалення. Це залежить від площі будівлі, якості теплоізоляції, кількості мешканців та інших факторів. Завищена або занижена потужність теплового насоса призведе до неефективної роботи.
2. Тип і розміри теплообмінника: від типу ґрунтового теплообмінника (горизонтальний, вертикальний, на ґрунтових водах) залежать площа ділянки, необхідна для його розміщення, глибина буріння і загальна вартість. Горизонтальні теплообмінники вимагають великої площі, вертикальні займають мало місця, але більш дорогий монтаж.
3. Геологічні та гідрогеологічні умови ділянки: важливо знати склад і теплопровідність ґрунтів, наявність ґрунтових вод. Складні геологічні умови можуть значно здорожчити монтаж, особливо вертикального теплообмінника.

Якщо ж ми говоримо про вибір конкретного обладнання, то ось, на що слід звернути увагу:

1. Енергоефективність і економічність: вибирайте теплові насоси з високим коефіцієнтом перетворення енергії (СОР>4). Іноді вигідніше взяти більш дорогу, але більш ефективну модель.
2. Комплектація: всі комплектуючі ґрунтових теплових насосів високої якості, однак є деякі нюанси:
   • тип компресора (поршневий, спіральний, гвинтовий) – визначає продуктивність, рівень шуму, ресурс роботи.
   • реверсивний цикл – чи є можливість використання теплового насоса для охолодження, крім опалення.
   • вбудований бак-акумулятор гарячої води – економить простір.
3. Додаткове обладнання і функції: визначтеся з необхідністю інтеграції в "розумний будинок", резервного електричного нагрівача, можливості управління сонячними батареями і колекторами.
4. Бренд і виробник: на українському ринку представлені провідні світові бренди геотермальних теплових насосів, такі як Vaillant, Nibe, Bosch, Viessmann тощо. Віддавайте перевагу відомим маркам з хорошою репутацією, гарантіями якості та сервісним обслуговуванням.

✔️ А перейшовши в категорію Геотермальні теплові насоси, Ви можете побачити весь асортимент магазину, де за допомогою фільтра можна підібрати необхідні параметри (потужність, тип, робочу температуру тощо).

Джерела:

1. Джон У. Лунд. "Використання геотермальних теплових насосів". Renewable Energy, 2019. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960148118305196
2. Сандер Карел. "Геотермальні системи: принципи та застосування в інженерії низьких температур". Springer, 2020. https://www.springer.com/gp/book/9783030479145
3. Міжнародне енергетичне агентство. "Технологічний звіт по теплових насосах". IEA, 2021. https://www.iea.org/reports/heat-pumps
4. Роберт Хайнцен, Сорен Берг Лоренцен. "Теплові насоси для опалення та охолодження будівель". Wiley, 2018. https://www.wiley.com/en-us/Heat+Pumps+for+Building+Heating+and+Cooling-p-9781119515579
5. Американське товариство інженерів з опалення, охолодження та кондиціонування повітря (ASHRAE). "Посібник з геотермальних теплових насосів". ASHRAE, 2022. https://www.ashrae.org/technical-resources/bookstore/geothermal-heat-pump-and-ground-source-heat-pump-applications