Геотермальные тепловые насосы, виды и применение

Геотермальные тепловые насосы, виды и особенности применения

Геотермальные тепловые насосы начали применять в системах отопления зданий с конца 40-х годов прошлого века. В отличие от воздушных тепловых насосов, они используют низкопотенциальную энергию земли или воды, производя из нее высокопотенциальное тепло для подачи в инженерные сети жилых и промышленных объектов.

Несмотря на то, что в разную погоду и время года температура окружающей среды на поверхности земли в разных широтах периодически изменяется, от палящей жары летом до глубокого минуса зимой, под землей температура, в большинстве мест планеты, относительно постоянна и находится в диапазоне от +7 °С до +21 °С, в зависимости от местности. Температура грунта или грунтовых вод на определенной глубине, как правило, теплее наружного атмосферного воздуха зимой и холоднее летом. Это свойство и используют геотермальные тепловые насосы, способные обогреть помещение зимой и охладить его летом, а также, при необходимости, приготовить горячую воду для хозяйственных нужд. В сравнении с тепловыми насосами «воздух-вода» и «воздух-воздух», геотермальные работают более тихо, меньше нуждаются в обслуживании и не зависят от температуры снаружи помещения. Стоимость геотермальной системы отопления, с оборудованием и монтажом, существенно выше воздушной.

Срок окупаемости геотермального теплового насоса может составить 5-10 лет. Расчетный срок службы для внутренних компонентов оборудования оценивается в 12-15 лет, для контура с теплоносителем, помещенного в землю или воду – 50 лет и более. Исходя из этих показателей, тепловой насос можно с уверенностью применять в строительстве, в качестве эффективного альтернативного источника отопления.

Виды геотермальных тепловых насосов

Геотермальные тепловые насосы можно разделить на 4 основных типа.

3 из которых относятся к замкнутым системам:

- горизонтальные;

- вертикальные;

- с использованием водоема (пруда, озера и так далее) в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии;

Остальные:

- с открытым контуром.

Тепловые насосы с замкнутой системой

Большинство геотермальных тепловых насосов имеют замкнутый контур, по которому циркулирует антифриз. Обычно он сделан из пластиковой трубы и уложен под землю или опущен в воду, в горизонтальном или вертикальном положении. Собирая низкопотенциальное тепло, незамерзающая жидкость несет его к теплообменнику и передает его, циркулирующему по второму замкнутому контуру, хладагенту (обычно фреону). Хладагент, между тем, совершает цикл Карно, нагреваясь при сжатии в компрессоре, в последствии передавая тепло в систему отопления через второй теплообменник, и охлаждаясь при расширении.

Одним из вариантов такой схемы может быть конфигурация прямого теплообмена, в которой не используется теплообменник, а вместо этого, хладагент сразу перекачивается по медным трубкам, уложенным горизонтально или вертикально в землю. Системы прямого теплообмена требуют наличия более мощного компрессора и лучше всего работают во влажных почвах. Здесь необходимо учитывать состав грунта, степень его агрессивности к меди, и возможность загрязнения его хладагентом, в случае порыва трубопровода.

Горизонтальный тип геотермальных тепловых насосов

Самый рентабельный вариант, с точки зрения установки, особенно на этапе начала строительства объекта, если есть достаточная свободная площадь земли. Для укладки роют траншеи глубиной ниже промерзания грунта, петли можно укладывать в два ряда на расстоянии 0,5 м по вертикали друг от друга, или на расстоянии 1,5 м друг от друга по горизонтали.

Вертикальный тип геотермальных тепловых насосов

Крупные строительные объекты, административные здания, школы, если выбран такой тип системы отопления, используют вертикальную конфигурацию расположения теплообменного контура. В местах, где нет свободной земли или существует запрет на ее использование. Для вертикальных систем бурятся скважины, приблизительно 10 см в диаметре, на расстоянии около 6 метров друг от друга и глубиной от 3 до 12 метров. В каждую скважину опускают согнутую пополам трубу с теплоносителем. Выходящие из скважины открытые концы соединяются коллектором, соединенным с тепловым насосом, находящимся в здании.

Геотермальные тепловые насосы с использованием водоема (пруда, озера и так далее) в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии

Если рядом с отапливаемым объектом имеется подходящий водоем, то это может быть самым выгодным и менее затратным вариантом размещения контура из трубы. Трубопровод может быть выведен под землей от здания к воде и уложен там кругами на глубине не менее 2,5 м, чтобы избежать промерзания.

Геотермальные тепловые насосы с открытым контуром

В этой конфигурации теплоноситель-вода забирается из колодца или скважины, циркулирует по системе и сбрасывается в другой вырытый колодец или пробуренную скважину. Этот вариант можно использовать только в том случае, если имеется достаточный запас относительно чистой воды и нет опасности загрязнения грунтовых вод.

Комбинированные или гибридные тепловые насосы

Такие системы используют сочетание нескольких источников низкопотенциальной тепловой энергии, например, геотермального и воздушного. Одним из примеров, может служить устройство градирен. Они особенно эффективны в тех случаях, когда потребности в охлаждении значительно превышают потребности в отоплении.