Зимой загородный дом должен отапливаться даже при отсутствии хозяев. Проблема обогрева коттеджа вдали от газораспределительной сети часто становится непреодолимым препятствием для жизни на земле. Отопление электричеством слишком дорого даже для состоятельного человека, а нанимать постороннее лицо в качестве истопника дровяной или угольной печи — рискованно. Самый прогрессивный вариант решения этой задачи — отопление с помощью геотермального теплового насоса (ГТН).
Что такое геотермальный тепловой насос
Содержание статьи
Использовать планетарную энергию можно на любом участке земли. Геотермальные источники с кипящей водой бьют ключом только там, где раскаленная магма подходит близко к поверхности. На остальном пространстве тепло из центра Земли распределяется равномерно. Поэтому на глубине ниже уровня промерзания почвы круглогодично поддерживается одна и та же температура.
Предназначение ГТН — перекачивать тепло из почвы или водоема внутрь дома. С прилегающей территории энергия собирается трубами, а затем компрессор нагревает воду для отопительной системы коттеджа. Поэтому из 1 кВт потраченного электричества получается 3—5 кВт тепла.
Это интересно для вас! Геотермальное отопление: принцип работы, варианты, эффективность.
Устройство
Для работы ГТН необходимы три независимых системы: внутридомовой, компрессорный, внешний контуры. Они объединены в одну схему теплообменниками, в которых циркулируют различные теплоносители.
Устройство ГТН состоит из таких компонентов:
- Система отопления дома, для которой лучше применить теплые полы.
- Горячее водоснабжение.
- Конденсатор передает энергию, собранную извне, к теплоносителю внутридомового отопления.
- Испаритель отбирает тепловую энергию у теплоносителя, циркулирующего во внешнем коллекторе.
- Компрессор перекачивает хладагент от испарителя, переводя его из газообразного в жидкое состояние, повышая давление и охлаждая в конденсаторе.
- Расширительный клапан устанавливается перед испарителем для регулирования потока хладагента.
- Трубы внешнего коллектора укладываются на дно водоема или опускаются в скважины.
- Насосы.
- Автоматика для управления ГТН по заданной программе обогрева помещения, которая зависит от изменений температуры наружного воздуха.
Теплоноситель внешнего контура перекачивается насосом и нагревается под землей или в водоеме. Внутри испарителя энергия передается хладагенту, который поступает в компрессор, где увеличивается давление и температура.
В конденсаторе происходит передача тепла системе отопления коттеджа. Затем хладагент проходит дроссель, где резко падает давление из-за увеличения объема. При переходе в газообразное состояние температура хладагента сильно уменьшается. Значительный температурный перепад ускоряет поглощение тепла хладагентом из наружного коллектора.
Принцип действия
Схема переноса лишнего тепла используется в быту уже 70 лет. Например, внутри морозильника образуется лед за счет отбора тепла хладагентом. Снаружи эта энергия сбрасывается в воздух помещения радиаторной решеткой. Потрогайте ее рукой — она всегда горячая во время работы холодильника.
Для функционирования ГТН применяется тот же принцип действия, но процессы немного сложнее:
- Когда хладагент попадает в испаритель, эта фаза называется изотермическим расширением. Фреон получает тепло от внешнего коллектора, давление падает.
- Затем происходит адиабатическое сжатие — компрессор увеличивает давление хладагента. При этом его температура возрастает до +70 °С.
- Проходя конденсатор, фреон становится жидкостью, так как отдает тепло контуру отопления при повышенном давлении. Эта фаза называется изотермическим сжатием.
- Когда хладон проходит дроссель, давление и температура резко падают. Происходит адиабатическое расширение.
Управлять таким сложным механизмом почти так же просто, как и холодильником. Когда производство монтажных работ закончено, а все системы подключены, опробованы, отрегулированы, пользователь будет переключать лишь несколько тумблеров и кнопок. Например, чтобы установить разную температуру обогрева для детской комнаты, гостиной, кухни.
Преимущества
Главное преимущество ГТН — не нужно сжигать уголь, газ, дрова для отопления дома. Тепловой насос собирает энергию с поверхности земли или из глубоких скважин, концентрирует, а затем направляет в систему обогрева коттеджа.
С течением времени геотермальный тепловой насос становится все более востребованным, поскольку обладает еще целым рядом преимуществ:
- Экологически безопасен.
- Использует возобновляемый источник энергии.
- После окончания пусконаладочных работ отсутствуют регулярные затраты расходных материалов.
- Автоматически регулирует нагревание внутри дома по температуре наружного воздуха.
- Срок окупаемости начальных затрат 5—8 лет.
- Можно подключить бойлер для горячего водоснабжения коттеджа.
- Летом работает как кондиционер, охлаждая приточный воздух.
- Продолжительный срок службы — более 30 лет.
- Минимальные энергозатраты — генерирует от 4 до 6 кВт тепла при 1 кВт потребленного электричества.
- Полная независимость отопления и кондиционирования «удаленного от цивилизации» коттеджа при наличии электрогенератора любого типа.
- Возможна адаптация к системе «умный дом» для дистанционного управления и дополнительной экономии энергии.
На бюджет владельцев ГТН подорожание энергоносителей почти не влияет. Если установить ветряной или солнечный генератор, то получится абсолютная энергетическая независимость.
Недостатки
Монтаж и запуск систем ГТН — это технологически сложный комплекс работ, которые могут выполнить только опытные специалисты. Сделать то же своими руками получится далеко не у всех, поэтому проще купить геотермальный тепловой насос с установкой и последующим обслуживанием. Общая стоимость оборудования и комплектующих материалов значительно выше по сравнению с обычным газовым оборудованием для теплоснабжения. Поэтому срок окупаемости первоначальных затрат растягивается на долгие годы.
Есть и другие недостатки:
- Из-за постоянного отбора геотермальной энергии возле расположения труб внешнего коллектора происходит охлаждение почвы. На севере короткое лето не дает возможности полного восстановления энергетического потенциала окружающей среды. Из-за этого эффективность ГТН постепенно снижается в течение примерно 5 лет. Затем тепловое равновесие стабилизируется.
- Бурить скважины — дорогое мероприятие, особенно в плотном грунте или скальных породах.
- Существует вариант с открытым внешним коллектором, когда можно обойтись двумя скважинами: одна — для забора грунтовых вод, а вторая — для слива обратно в водоносный слой. Такой вариант возможен только при хорошем качестве воды, потому что фильтры быстро засоряются, если слишком много солей жесткости или взвешенных микрочастиц. Перед монтажом надо обязательно сделать анализ воды из скважины.
- Отопление наполняется водой, нагретой до +35 °С. При такой температуре обычные радиаторы не будут эффективно обогревать здание, поэтому надо применять систему «теплый пол».
- Электродвигатель, компрессор, насос создают вибрацию и шумят во время работы.
Неприятных эффектов легко избежать, если оборудование разместить в подсобном или подвальном помещении. Обязательно установите принудительную вентиляцию. Утечка фреона опасна для здоровья человека.
Виды насосов
С течением времени выгодность геотермального теплового насоса для отопления дома, несмотря на высокие цены , становится все более очевидной из-за постоянного роста стоимости топлива. Правильно подобранный и качественно смонтированный ГТН обеспечивает теплом вне зависимости от времени года и рыночных колебаний стоимости энергоносителей.
Существует несколько вариантов монтажа внешнего коллектора, что позволяет адаптировать тепловой насос к конкретным условиям прилегающего к дому земельного участка:
- Трубы укладываются в траншеи на глубину ниже уровня промерзания почвы. На юге России земля замерзает максимум на 0,5 м, поэтому проще снять грейдером полностью слой земли на монтажном участке, уложить коллектор, а затем засыпать экскаватором котлован.
- Если вблизи дома есть водоем на расстоянии не более 100 м, то применяют самый экономичный и эффективный вариант — трубы укладывают под воду на глубину от 3 метров и более.
- Сухие песчаные грунты не дадут достаточного теплового потока, поэтому применяют бурение скважин глубиной до 50 метров, чтобы достичь водоносного слоя. В скважины опускают трубы.
- Если вода из скважины хорошего качества, то достаточно пробурить только две: одна — для забора грунтовых вод, а вторая — для слива обратно в водоносный слой.
Сливную скважину пробурите на расстоянии 20 метров от заборной и ниже по течению водоносного слоя.
Тип вода-вода
Относительно недорогую разновидность ГТН типа вода-вода рекомендуется использовать, когда рядом находится озеро, пруд, река или море. Эффективность такой системы достигается за счет максимальной величины конвективного теплообмена между внешней средой и теплоносителем, который циркулирует в трубах коллектора. Экономия получается за счет простоты монтажа. Бухты расстилают на поверхности воды, затем к трубам крепят грузы и затапливают систему на глубину 3 метра и более.
Если поблизости нет водоема, то можно применить вариант с разомкнутым коллектором. В этом случае используется энергетический потенциал грунтовых вод хорошего качества. Тогда системе и насосу не угрожает заиливание, отложение солей жесткости, ускоренная коррозия. Из одной скважины берут воду, прокачивают через теплообменник ГТН, а затем сливают в другую, которая должна располагаться на расстоянии 15—20 метров.
Если пробуренная скважина быстро заиливается или вода содержит много солей жесткости, тогда стабильную работу ГТН обеспечивается бурением большего количества скважин. В них опускают петли герметичного внешнего контура. Затем в скважины заливают тампонаж из глинисто-песчаной смеси.
Тип грунт-вода
Когда рядом с домом нет водоема и нет возможности пробурить скважины, тогда трубы укладывают горизонтально ниже глубины промерзания грунта. Если подпочвенные воды залегают близко к поверхности, то эффективность системы грунт-вода практически такая же, как у ГТН типа вода-вода, так как принцип работы тот же.
На юге России величина промерзания грунта менее 0,75 м, поэтому роют котлован глубиной 1 метр, раскладывают трубы внешнего контура, а затем засыпают. В северных регионах почва замерзает глубже, поэтому экономичнее рыть параллельные траншеи.
Критерии выбора и расчеты
При выборе оборудования ГТН для предварительных расчетов обычно используют упрощенную формулу: на 10 м² отапливаемого здания требуется 700 Ватт тепла. Тогда для дома площадью 250 м² подойдет тепловой насос мощностью 17,5 кВт. Чтобы обеспечить коттедж горячей водой, итоговую цифру умножьте на 15 %.
При расчете срока окупаемости ГТН учтите эксплуатационные расходы за все время службы оборудования — минимум 30 лет. Если предположить, что современные цены на топливо будут неизменны, то геотермальные тепловые насосы — самый экономичный способ отопления для загородных коттеджей.
Только за 1 год экономия составит в сравнении с:
- газовым котлом — 70 %;
- электрообогревом — 350 %;
- твердотопливным котлом — 50 %.
Если умножить полученную выгоду на 30 лет, то экономия многократно превысит первоначальные затраты.
Обзор популярных марок и их стоимость
Чтобы обеспечить частный дом геотермальной энергией, потребуется решение большого количества технологических задач. Качественно и в срок это делают только опытные специалисты российских компаний, которые уже давно работают на рынке.
Популярных производителей тепловых насосов можно разделить на три ценовых категории:
- Дешевые китайские. Например, Meeting (КНР) с максимальной мощностью 7 кВт для отапливаемой площади 50—100 м² по цене 95 200 руб.
- Под американским брендом Mammoth производят оборудование в том же Китае: максимальная мощность 7,8 кВт, отапливаемая площадь 50 м², цена 261 000 руб.
- Самые дорогие изделия производятся немецкими компаниями. Например, Stiebel Eltron: максимальная мощность 9,9 кВт, отапливаемая площадь 50 м², цена 645 000 руб.
Чтобы в будущем не возникало непредвиденных ситуаций лучше выбрать компанию, которая обеспечивает весь комплекс услуг: выполняет проектные работы, поставляет оборудование, производит монтаж, пусконаладочные работы и сервисное обслуживание.
Цены на модельный ряд геотермальных тепловых насосов
Установка геотермальной системы
Строительство комплекса ГТН состоит из трех независимых участков работы: внутренняя система отопления, тепловой насос и внешний контур.
Монтаж внешнего контура состоит из следующих этапов:
- Выполните проектные работы.
- Произведите пробное бурение для анализа грунта.
- Пробурите скважины при вертикальном размещении петель коллектора или выройте котлован для горизонтальной укладки труб.
- В котловане или скважинах разместите трубы внешнего контура.
- Заполните трубы теплоносителем, выпустите из системы воздух.
- Произведите подключение всех петель контура к коллектору.
- Сделайте опрессовку всей системы, чтобы выявить и устранить возможные протечки.
- Соедините коллектор с оборудованием ГТН.
- Сделайте пробный запуск.
- Подключите систему отопления дома и отрегулируйте работу всего комплекса.
Для размещения оборудования выделите отдельное подсобное помещение с температурой не ниже +14 °С. Систему отопления дома подготовьте к моменту пусконаладочных работ.
Какие расходы требует монтаж
Компрессор, насосы, автоматика ГТН требуют бесперебойного электроснабжения. На случай отключения приобретите электрогенератор с автоматическим запуском.
Установка ГТН включает расходы на:
- комплект основного оборудования с компрессором, теплообменниками, автоматикой;
- бурение скважин и рытье котлована;
- монтаж коллектора;
- теплоноситель для наружных труб — пропиленгликоль;
- бойлер для горячего водоснабжения;
- монтаж;
- пусконаладочные работы.
Общие расходы на монтаж, с учетом стоимости скважин, находятся в пределах от 5 до 10 тысяч долларов. При использовании открытого водоема будет дешевле на 30—50 %.
Рекомендации по уходу и обслуживанию
После окончания пусконаладочных работ владелец управляет только двумя кнопками: включить/выключить и зимний/летний режим (отопление или кондиционирование), а также регулирует температуру в разных комнатах.
Ежегодный осмотр и обслуживание производят специалисты сервисной службы: контроль отсутствия утечек фреона, смазки, теплоносителя, работу автоматики.
Максимальной эффективности ГТН достигает, если определиться с выбором отопительной системы на ранних этапах проектирования здания. Тогда есть возможность выбрать оптимальные материалы и толщину ограждающих конструкций с нужной теплопроводностью и тепловой инерционностью.
Самые большие потери тепла обычно происходят через окна. Поэтому тройное остекление вовсе не роскошь, а экономически обоснованное строительное решение. Идеальный вариант — использовать стекла, способные отражать инфракрасные лучи.
Видео
О внутреннем устройстве компрессорного агрегата и принципе его работы.
