Принцип работы грунтового геотермального теплового насоса

Теплонасосы грунтовые - Принцип работы грунтовых теплонасосов

Большинство населения Украины пока не знакомы с понятием "тепловой насос", но постоянно используют тепловые насосы в обычных холодильниках и кондиционерах.
Холодильники и кондиционеры стали настолько надежными, удобными и привычными, что мы перестали обращать внимание на их работу.
Таким же привычным, как для нас кондиционеры, для например швейцарцев, является отопление зданий геотермальными тепловыми насосами. Геотермальный тепловой насос по принципу работы похож на обычный кондиционер реверсивного типа (способные отапливать и охлаждать), но имеет расширенные функции. В отличие от кондиционеров, геотермальный тепловой насос адаптирован для работы при любых погодных условиях и минусовых температурах. Главная проблема кондиционеров - уменьшение производительности и остановка кондиционеров при минусовых температурах, когда отопление наиболее важно - решена в геотермальных тепловых насосах.
Тепловые насосы не являются какими-то чудесными устройствами, действие которых понимают только продавцы и установщики тепловых насосов. Тепловой насос следует рассматривать как любое другое отопительное устройство, которое используется для производства тепла, и в отношении которого действуют все законы, касающиеся энергии. Как и у каждого способа отопления, у теплового насоса есть свои особенности, сильные и слабые стороны. Теплотехнические расчёты у всех способов получения тепла одинаковые. Правила термодинамики действуют как при дровяном печном отоплении, так и при управляемой через Интернет геотермальной климатической установке. 

Работа теплового насоса
Принцип работы теплового насоса отображен в цикле Карно, опубликованном в 1824 г. в его диссертации, и изучается в школьном курсе физики. Практическую теплонасосную систему предложил лорд Кельвин в 1852 г. под названием „умножитель тепла”. Принципиальная схема на рисунке

В соответствии с изображенным принципом действия, тепловой насос берет тепловую энергию из одного места, переносит (перекачивает) ее, и отдает в другое место.
Например, в обычном холодильнике тепло отбирается морозильной камерой из холодильника и выбрасывается в кухню. При этом продукты в морозилке охлаждаются, а задняя стенка холодильника становится горячей.
Принцип отопления геотермальным тепловым насосом основан на сборе тепла из природы, окружающей здание, и выбросе собранного тепла в систему отопления (или горячего водоснабжения) здания. При отоплении геотермальным теплонасосом, попросту говоря, морозилка вкапывается в землю или погружается в озеро рядом со зданием. При этом, независимо от температуры воздуха во дворе, морозилка остается свободной от льда, эффективность сбора тепла остается высокой.

Для сбора тепла незамерзающая жидкость течет по трубе, расположенной в почве или водоеме возле здания, к тепловому насосу. Тепловой насос, подобно холодильнику, отбирает тепло и, соответственно, охлаждает жидкость приблизительно на 5 °С. Отобранные тепловым насосом градусы отдаются системе отопления и/или на подогрев горячей воды. Жидкость снова течет по трубе в наружном грунте или воде, восстанавливает свою температуру, и снова поступает к тепловому насосу.
Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус двести семьдесят три градуса Цельсия - так называемый "абсолютный ноль". То есть тепловой насос может отобрать тепло у любого предмета - земли, водоема, льда, подземной скалы, плывуна и т.д.
В климатических условиях Украины для отопления здания энергия забирается из грунта (или водоема) и отдается в систему отопления здания. Если же здание, например летом, нужно охлаждать (кондиционировать), то происходит обратный процесс - тепло забирается из здания и сбрасывается в землю (водоем). Тот же тепловой насос может работать зимой на отопление, а летом на охлаждение здания. Очевидно, что теплонасос одновременно может выполнять вытекающие функции - греть воду для горячего бытового водоснабжения, кондиционировать через фанкойлы, греть бассейн, охлаждать например ледовый каток, подогревать крыши и дорожки от льда... Одно оборудование может выполнить все функции по тепло-холодоснабжению здания.

Обмен теплом с окружающей средой геотермальные тепловые насосы осуществляют такими основными способами

- насос с открытым циклом - из подземного потока (плывуна) забирается подземная вода, подается в размещенный внутри здания тепловой насос, вода отдает/забирает тепло у теплового насоса, и возвращается в подземный поток на расстоянии от места забора. Плюсом такого способа является возможность одновременно получить воду для водоснабжения дома. Открытые системы являются очень эффективными, поскольку температура подземной воды является относительно высокой и круглогодично стабильной. Использование воды из скважины не наносит ущерба грунтовым водам, не изменяет уровень грунтовых вод в водном горизонте, поскольку открытую систему можно рассматривать как соединённые сосуды, где вода, забираемая из одного колодца, направляется обратно под землю через второй колодец, не изменяя общий уровень воды. Корректно, в соответствии с нормативами сооружённые скважины обеспечивают безопасную для окружающей природы стабильную работу системы отопления.

- насос с закрытым циклом и водоразмещенным теплообменником - специальная жидкость (теплоноситель) прокачивается по коллекторам (трубкам), находящимся в водоеме, и отдает/забирает тепло у воды. Здания целесообразно отапливать тепловой энергией открытого водоёма в том случае, если здание находится от водоёма ближе 100 метров, и глубина водоёма, а также береговая линия соответствуют условиям, требуемым для прокладки коллектора. Плюсом такого способа является его относительная дешевизна.

Распределенные по поверхности озера коллекторы (трубки) перед заполнением теплоносителем и погружением их на дно.

теплообменники теплового насоса - пластиковые трубы - на поверхности озера перед затоплением теплообменники теплового насоса - пластиковые трубы - на поверхности реки перед затоплением

- насос с закрытым циклом и горизонтальным теплообменником, размещенным в земле - трубки (коллекторы), в которых прокачивается теплоноситель, размещены горизонтально на глубине не менее метра от поверхности земли. Такой теплообменник обычно называют поверхностным коллектором. Основной опасностью является неосмотрительность при проведении землекопных работ в зоне нахождения поверхностного коллектора. Для современно жилого дома с отапливаемой площадью в 200 м2 под основание коллектора требуется около 500 м2 поверхности грунта. При прокладке коллектора вблизи деревьев трубу коллектора не следует укладывать ближе, чем 1,5 метра от кроны. Правильно выбранный по размерам и правильно уложенный почвенный коллектор не влияет негативно ни на рост растений, ни на экологические условия.

- насос с закрытым циклом и вертикальным теплообменником - трубки, в которых прокачивается теплоноситель, размещены вертикально в земле и уходят в глубину земли до 200 метров (обычно 50 - 100 метров). Такой теплообменник обычно называют зондом. Как известно, на глубине 15-20 метров от поверхности земля имеет стабильную температуру 10-12 градусов Цельсия независимо от поры года. С увеличением глубины температура земли повышается. Этот способ обеспечивает самую высокую эффективность работы теплонасоса, малый расход электроэнергии и дешевое тепло - на 1 кВт электроэнергии получают до 5 кВт тепловой энергии, но требует больших первоначальных капиталовложений.

Тепловые насосы, которые забирают/отдают тепло из земли или воды, в Европейских странах обычно называют "геотермальные тепловые насосы", или по-английски «geothermal heat pumps» - «GHP». Все изображенные выше способы используют GHP. В некоторых странах, например Великобритании, к GHP относят только тепловые насосы с вертикальным теплообменником, а другие способы называют "землеразмещенными", "грунтовыми" или "солнечными" теплонасосами. В Западной Украине "тепловые насосы" иногда называют "тепловые помпы". Разница в названиях не меняет сути работы тепловых насосов/помп.

Обращаем внимание на нецелесообразность использования в Украине систем отопления на так называемых "воздушных теплонасосах", по сути обычных кондиционерах, в которых тепло для отопления здания забирается из наружного воздуха. Эти системы разработаны и успешно используются в более теплых, чем Украина, странах, где не бывает значительных морозов - южных штатах США, Греции, Японии и т.д. Проблема в том, что размещенный снаружи теплообменник при температуре на улице около плюс 5 градусов Цельсия начинает покрываться льдом из-за замерзающего конденсата, резко снижается теплопередача, эффективность теплонасоса уменьшатся. При дальнейшем понижении температуры наружного воздуха эффективность теплонасоса становится близкой нулю, воздушный тепловой насос переходит на обычное электроотопление, что резко увеличивает расход электроэнергии, или полностью прекращается.

Особенности, на которые целесообразно обратить внимание при выборе и покупке теплонасоса

Общая стоимость системы. Учитывая, что теплонасосы разных фирм отличаются степенью комплектации и объемами работ при установке, обратите внимание на общую стоимость системы с установкой. Например, некоторые производители не укомплектовуют теплонасосы циркуляционными насосами, которые продают отдельно. Или производители/продавцы требуют использования теплоносителя (незамерзающей жидкости) исключительно собственного производства, с ценой значительно выше альтернативной, и т.д.
Количество компрессоров в теплонасосе - один или два. Теплонасосы с двумя компрессорами значительно дороже однокомпрессорных, но более надежны, имеют больший моторесурс. Кроме того, при выходе из строя одного из компрессоров (любая техника когда-нибудь выходит из строя), возможно частично отапливаться одним компрессором до завершения ремонта.
Один из главнейших показателей теплового насоса - его эффективность, или его тепловая мощность, электропотребление и КПД - СОР. У разных моделей и производителей эффективность может отличатся в полтора-два раза. Вопрос эффективности рассмотрен в разделе "Отопление и горячее водоснабжение" страницы Геотермальная климатическая система
Конструкция внешнего коллектора. В качестве внешнего коллектора большинство производителей теплонасосов предусматривает полиэтиленовую трубу диаметром 25 - 40 миллиметров с циркуляцией незамерзающей жидкостью - водным раствором гликоля. Существуют также геотермальные теплонасосы с медной трубой диаметром 6 - 10 миллиметров и циркуляцией фреона:

• полиэтиленовая труба в зависимости от диаметра имеет толщину стенки 2 - 2,4 миллиметра. Так, например, труба диаметром 40 миллиметров имеет толщину стенки 2,3 - 2,4 миллиметра. Такая толщина обеспечивает высокую надежность и прочность трубы - человек весом 110 килограмм трубу не сдавливает;
• в качестве гликоля обычно используют нетоксичный пропиленгликоль, применяемый в пищевой промышленности. Недопустимо использование вместо пропиленгликоля этиленгликоля (автомобильный тосол), который немного дешевле, но ядовит при попадании в окружающую природу или внутрь человека;
• геотермальные теплонасосы с полиэтиленовой трубой и водным раствором являются конструктивно более сложными, но более эффективными и надежными, чем с медной трубой. Теплонасосы с медной трубкой и фреоном конструктивно проще, но значительная (часто многокилометровая) длинна медной трубки с фреоном под давлением потенциально более опасна, чем полиэтиленовая. Утечка фреона наиболее частая причина неполадок теплонасосов. Также малый диаметр медной трубки приводит к большому гидравлическому сопротивлению, требует больших расходов энергии на прокачивание. Поэтому геотермальные теплонасосы большой мощности с медной трубой и фреоном не выпускаются.

В Украине нет нормативно-правовой базы, регулирующей правила установки геотермальных теплонасосов. Поэтому целесообразно пользоваться требованиями, технологией и рекомендациями изготовителей оборудования и нормативно-правовой базой Европейского сообщества. Очевидно что не все рабочие, которые могут взяться за работы по установке, знакомы с этими требованиями и технологиями. Использование неквалифицированного персонала приведет к некачественной установке.