Как работает геотермальный тепловой насос

Геотермальный тепловой насос своими руками для отопления дома: устройство, проектирование, самостоятельная сборка

Организовать отопление и горячее водоснабжение частного дома можно разными способами, например, подключиться к коммуникациям центрального газообеспечения или перевести греющие системы на потребление электроэнергии. Согласны?

А можно собрать геотермальный тепловой насос своими руками и эффективно использовать тепло земли для создания комфортных жизненных условий. Безусловно, это довольно трудоемкий процесс, но для тех, кто хоть немного разбирается в технике, это не составит большого труда.

В нашей статье речь пойдет о принципах работы и видах геотермальных установок. Мы расскажем, как из подручных материалов самостоятельно соорудить тепловой насос. Кроме того, в статье вы найдете советы экспертов по выбору геоагрегатов. А размещенные видеоролики раскроют секреты монтажа и принципы работы геотермальных насосов.

Как работает тепловой геоагрегат?

Алгоритм работы геотермального теплового насоса построен на передаче тепла от источника с низким потенциалом тепловой энергии к теплоносителю. Земля здесь играет роль радиатора летом и является активным источником тепла в зимний сезон.

Разница температур грунта помогает повысить общую эффективность системы и способствует снижению фактических эксплуатационных расходов.

На практике в трубопровод, размещенный в грунте, поступает действующий теплоноситель и нагревается там на несколько градусов. Потом состав переходит в теплообменный узел (или испаритель) и перебрасывает накопленную тепловую энергию на внутренний системный контур.

Хладагент, работающий во внешнем контуре, прогревается в испарителе, преобразуется в газ и попадает в компрессор. Там он сжимается под влиянием высокого давления и становится еще горячее.

Раскаленный газ переходит в конденсационное устройство и отдает тепловую энергию рабочему теплоносителю внутренней системы, отвечающей за отопление дома. По окончании процесса хладагент, лишившийся тепла, возвращается в начальную точку в жидком состоянии.

Какими бывают геотермальные установки?

Геотермальные теплонасосы отличаются друг от друга по виду теплоносителя на внутреннем и внешнем контурах конструкции. Энергию устройства получают из грунта, воды (грунтовые воды либо открытый природный водоем) или воздуха.

Внутри жилого помещения тепловой ресурс применяется для отопления комнат, подогрева воды и кондиционирования воздуха. В зависимости от сочетания используемых элементов и функций происходит классификация систем на типы: «земля-вода», «вода-вода» и «воздух-вода».

Вариант #1. Сборка по технологии «земля-вода»

Насос «земля-вода» — один из самых эффективных вариантов альтернативного отопления для жилых помещений. Принцип его действия сводится к отбору при помощи зондов или коллекторов тепловой энергии из грунта и передачи ее в домашнюю водяную систему отопления.

Помогает реализовать технологию специальная установка, состоящая из геотермального теплообменника, размещенного ниже глубины фактического промерзания почвы, и непосредственно тепловой насос, функционирующий как холодильник, только наоборот (обратный цикл Карно).

Как работает устройство

Установка «земля-вода», отапливающая жилые помещения за счет возобновляемого тепла, производимого почвой, действует по следующему алгоритму:

1. Рабочая жидкость (рассол или антифриз), перемещающаяся по геотермальному контуру, принимает температуру почвы и посредством насоса передается в теплообменник – испаритель. Там она отдает собранное тепло фреону, а сама, став холоднее на 2-5°С, возвращается в исходную точку.
2. Обогащенный тепловой энергией фреон испаряется и, приняв газообразное состояние, поступает в компрессорную установку. Там температура газа повышается за счет сжатия и образуется конденсат.
3. Тепловая энергия передается теплоносителю в домашней отопительной системе, а фреон снова принимает жидкую форму. Его давление падает после прохода через расширительный клапан системы и хладагент возвращается обратно в испаритель, чтобы набрать очередную порцию ресурса.

В результате этой процедуры объем тепловой энергии, взятой у почвы и переданной в отопительную систему жилого дома, более чем в 4 раза превышает количество электричества, затраченного для обеспечения корректной работы компрессорной установки, циркулярного насоса и управляющего блока.

Дополнительным бонусом можно назвать и то, что система имеет возможность работать в обратную сторону, то есть на охлаждение. Правда, потеря эффективности доходит до 20%, но это считается оправданным, учитывая высокую греющую способность оборудования.

Варианты размещения систем «земля-вода»

Для создания наружного контура системы «земля-вода» используют полимерные трубы высокой прочности, имеющие хорошие эксплуатационные характеристики. Размещают их горизонтально, укладывая на дно котлована способом, напоминающим обустройство коммуникаций для комплексов «теплый пол».

При установке используется площадь из расчета 25-50 кв. м на каждый отдельный киловатт мощности монтируемого насоса. Глубину котлована выбирают ниже границы промерзания, а точные размеры и шаг укладки труб определяют дополнительным расчетом.

Территории, на которых обустроены коммуникации геотремальных систем «земля-вода», под сельскохозяйственные нужды уже не используют. На них можно разбить красивый травяной газон или клумбу с цветущими однолетниками.

Вертикальный монтаж гораздо более проблематичен и влечет за собой использование профессиональной техники. На участке при помощи буровой установки сверлят скважину глубиной от 20 до 150 м, в нее опускают специальный геотермальный зонд и подключают его к насосу, подающему рабочую жидкость в домашнюю отопительную систему.

Зондовые трубы, отходящие от пробуренных скважин, входят в коллекторный колодец. От него к тепловому насосу идут 2 магистральные линии (подающая ресурс и обратная), снабженные утеплительным покрытием. Диаметр магистрали зависит от общего объема системы и помещения, которое требуется отопить. Иногда параметры достигают 160 мм.

За счет того, что на глубине температура грунта всегда выше и устойчивей благодаря воздействию земного ядра, вертикальный способ укладки греющей системы признан максимально эффективным. Он демонстрирует высокий уровень КПД и надежно работает в течение многих лет, не давая сбоев и поломок.

Вариант #2. Особенности теплонасосов «вода-вода»

Геотермальная система «вода-вода» использует в работе тепловую энергию водного ресурса. Это является возможным потому, что на большой глубине температура воды, как и грунта, остается довольно высокой и круглогодично сохраняет стабильные постоянные показатели.

Принципиальной конструкционной разницы между теплонасосом «грунт-вода» и «вода-вода» нет. Но самых меньших финансовых и трудовых затрат требует комплекс, обустроенный на базе открытого водоема. Для монтажа не нужны масштабные буровые мероприятия.

Трубный материал с теплоносителем просто оснащают грузом, погружают в воду и посредством соединительных коммуникаций подключают к домашней отопительной системе.

Однако, такой вариант возможен лишь в том случае, когда земельный участок вплотную прилегает к воде и все коммуникационные части системы находятся под контролем хозяев. Если к открытому водоему доступа нет, используют потенциал грунтовых вод.

Правда, это влечет за собой серьезные земельные работы и сооружение сложных конструкций, например, дополнительного колодца, предназначенного для сброса проходящей через теплообменный узел воды.

Обычно установки типа «вода-вода» монтируют там, где нет возможности подключить центральные коммуникации или использовать иные виды теплоносителей.

Специалисты утверждают, что альтернативное отопление такого типа исключительно эффективно в современных постройках, имеющих минимальный показатель теплопотерь.

Если дом хорошо утеплен, защищен от сквозняков, сырости и проникновения морозного воздуха или построен с применением современных теплоизоляционных технологий, стоимость системы отопления существенно снижается из-за открывшейся возможности приобрести насосное оборудование гораздо меньшей мощности.

Вариант #3. Обустройство систем «воздух-вода»

Теплонасос «воздух-вода» использует для работы самый доступный, неограниченный и возобновляемый природный энергетический ресурс – воздух. Функционирует оборудование посредством вентиляторов и испарителей, объединенных в единый комплекс.

Наибольшую эффективность проявляет при температуре до -15°C. При более агрессивных показателях теряет существенную часть мощности.

Агрегат исключительно удобен тем, что не требует от владельцев частного дома наличия спецтехники для монтажа и проведения сложных работ по установке.

Не нуждается в выемке земли, бурении скважин и прочих трудоемких мероприятиях. Легко монтируется и не занимает большого количества места. Может корректно функционировать, располагаясь на крыше жилого помещения.

К главным плюсам оборудования относится практически бесшумная работа и возможность повторного использования тепла, вышедшего из обогреваемого помещения в форме отработанного воздуха, воды, газа, дыма и пр.

Обслуживание системы владельцы осуществляют самостоятельно:

• чистят вентиляторные лопасти и защитные решетки на испарительной установке от пыли, мелкого мусора и листьев;
• смазывают компрессор специальным составом, указанным в инструкции производителем;
• меняют масло в силовых узлах (вентилятор, компрессор) с определенной периодичностью;
• проверяют целостность силового кабеля питания и медного трубопровода, по которому хладагент циркулирует в системе.

Помимо этих действий изготовители насосного оборудования настоятельно советуют клиентам контролировать состояние тепловых датчиков, отражающих функционирование блока управления.

Их необходимо протирать, аккуратно удаляя с поверхности пыль и масляные пятна. Это продлит «жизнь» системы воздух-воздух и сделает процесс эксплуатации более простым и комфортным.

Как сделать агрегат своими руками?

Независимо от того, какой вариант ресурса (земля, вода или воздух) выбран для отопления, для корректного функционирования системы понадобится насос.

Это устройство состоит из таких элементов, как:

• компрессорный узел (промежуточный элемент комплекса);
• испаритель, передающий низкопотенциальную энергию теплоносителю;
• дроссельный клапан, через который хладагент находит обратную дорогу в испаритель;
• конденсатор, где фреон отдает тепловую энергию и охлаждается до изначальной температуры.

Можно приобрести целостную систему у производителя, но это обойдется в приличную сумму. Когда свободных денег под рукой нет, стоит сделать теплонасос своими руками из имеющихся в распоряжении деталей и в случае надобности докупить недостающие запчасти.

Когда решение о собственноручном изготовлении теплового насоса принято, нужно обязательно проверить состояние имеющихся в доме электрической проводки и электросчетчика.

Если эти элементы изношенные и старые, необходимо просмотреть все участки, обнаружить возможные неисправности и устранить их еще до начала работ. Тогда система сразу после запуска будет безупречно работать и не побеспокоит хозяев короткими замыканиями, возгоранием проводки и выбиванием пробок.

Способ #1. Сборка из холодильника

Для сборки теплонасоса своими руками со старого холодильника снимают размещенный сзади змеевик. Эту деталь используют как конденсатор и помещают в высокопрочную емкость, устойчивую к агрессивным температурам. На нее крепят исправно работающий компрессор, а в качестве испарителя используют простую пластиковую бочку.

Подготовленные элементы соединяют между собой, а потом созданный агрегат посредством полимерных труб подключают к отопительной системе и приступают к эксплуатации оборудования.

Пошаговый инструктаж по сборке теплонасоса из холодильника описан в этой статье.

Способ #2. Теплонасос из кондиционера

Для того чтобы сделать теплонасос, кондиционер модифицируют и проводят перепланировку некоторых основных узлов. Сначала наружный и внутренний блоки меняют местами.

Испаритель, отвечающий за передачу низкопотенциального тепла, дополнительно не ставят, так как он имеется во внутреннем блоке агрегата, а передающий тепловую энергию конденсатор стоит во внешнем блоке. В качестве теплоносителя подходят как воздух, так и вода.

Если этот вариант монтажа не удобен, конденсатор устанавливают в отдельный резервуар, предназначенный для корректного теплообмена между греющим ресурсом и теплоносителем.

Саму систему снабжают четырехходовым клапаном. Для этой работы обычно приглашают специалиста, имеющего профессиональные навыки и опыт проведения мероприятий такого рода.

В третьем варианте кондиционер полностью разбирают на составные детали, а потом из них комплектуют насос по традиционной общепринятой схеме: испаритель, компрессор, конденсатор. Готовый прибор присоединяют к обогревающему дом оборудованию и приступают к использованию.

На сайте есть серия статей по изготовлению тепловых насосов своими руками, советуем ознакомиться:

Советы по выбору системы

Монтаж оборудования типа «земля-вода» обходится дороже всех остальных вариантов, потому что требует глубинных земляных работ при вертикальном расположении оборудования или большой свободной площади участка при горизонтальной прокладке коммуникаций.

Эти параметры ограничивают использование системы и существенно снижают ее привлекательность.

Установка насоса «вода-вода» тоже имеет некоторые ограничения. Если рядом есть доступный водоем, можно разместить систему в нем. Отсутствие открытых вод повлечет за собой бурение скважин и отводных колодцев, что тоже стоит не дешево.

Насос «воздух-вода» не представляет проблем с установкой, и может корректно работать даже в многоквартирных домах, но при суровых зимах с низкими температурными показателями его эффективность падает и для ее поддержки требуется параллельный источник энергии.

Однако, обустройство геотермального отопления в итоге окупает свои затраты и начинает вырабатывать бесплатный ресурс, позволяя владельцам жить в максимально удобных, приятных и комфортных условиях, не тратя при этом больших средств на коммунальные услуги.

Выводы и полезное видео по теме

В ролике наглядно показано, как в большом доме из газосиликатного блока обустроена отопительная система на основе геотермального теплового оборудования «воздух-вода». Раскрыты некоторые интересные нюансы относительно монтажа оборудования и озвучены реальные цифры коммунальных платежей за месяц.

Как работает оборудование «земля-вода». Подробное описание от специалиста по установке геотермальных тепловых котлов, рекомендации и полезные советы для домашних мастеров от профессионала своего дела.

Своими впечатлениями о тепловом геотермальном насосе делится реальный пользователь оборудования.

Профессиональный слесарь рассказывает, как в домашних условиях изготовить тепловой насос на основе мощного компрессора и трубчатых теплообменных деталей. Подробная инструкция в пошаговом режиме.

Геотермальный насос для отопления частного домовладения – удачный способ создания комфортных жизненных условий даже там, где недоступны централизованные коммуникационные системы и более привычные источники энергетического ресурса.

Выбор системы зависит от территориального расположения недвижимости и финансовых возможностей хозяев.

Имеете опыт изготовления геотермального теплового насоса? Пожалуйста, поделитесь информацией с нашими читателями, предложите свой вариант сборки. Оставлять комментарии и прикреплять фотографии своих самоделок можно в форме, расположенной ниже.

Геотермальное отопление: принцип работы, возможности и эффективность

Словосочетание «геотермальная энергетика» у большинства людей вызывает ассоциации с Исландией, гейзерами и вулканами, кто-то вспомнит о промышленно осваиваемых месторождениях термальных вод на Камчатке, в Дагестане, в Ставропольском крае. Однако, геотермальная энергетика – это не только промышленные масштабы, но и геотермальное отопление частного сектора. Например, в странах Скандинавии с помощью тепловых насосов отапливается порядка 1,5 миллиона домов, подобные проекты реализуются и в России. Разбираемся, как работает технология отопления подземным теплом, в каких формах она реализуется, и насколько эффективна.

Геотермальное отопление: как оно работает

Первые дома, обогреваемые теплом Земли, стали появляться 50 лет назад; сегодня их можно встретить по всему миру, от Канады до Новой Зеландии.

Работа устройства, использующего тепловую энергию недр, основана на применении обратного цикла Карно, описывающего круговые процессы обмена теплом. Такая термодинамическая система функционирует благодаря разнице температур составных частей; принцип давно и успешно реализован в холодильниках и кондиционерах.

Чтобы запустить геотермальное отопление дома, нужно организовать систему, которая будет собирать тепло из почвы (или воды) и передавать его в контур отопления дома. Подземное тепло генерируется в любой точке земного шара, и геотермальное отопление успешно реализуется в России, например, в Московской области. Интересно, что схема функционирует таким образом, что летом она работает как кондиционер, а зимой – как источник отопления.

На глубине шести метров начинается зона, где температура остается стабильной круглый год. Она сохраняется на уровне средней годовой температуры атмосферы в данной местности; в областях с умеренным климатом это +15°C, ниже она растет. Для сбора подземной тепловой энергии применяется контур (теплообменник). Это трубопровод, который монтируют под землей или под водой. Для организации отопления из земли используют следующие методы:

• В вертикальную скважину. Вариант, подходящий для небольших участков. Рядом с домом пробивают две геотермальные скважины по 80-90 м, в каждую помещают геотермальный зонд. Тепловой насос поднимает нагретую воду, она проходит через теплообменник и отдает тепло во внутренний контур дома. Вертикальный контур отличается наибольшей энергетической эффективностью и сроком эксплуатации.
• С устройством горизонтального коллектора. Метод подходит для участков большой площади. Чтобы получить исправно работающий коллектор, с помощью экскаватора подготавливают траншеи глубиной 2-2,5 м, куда укладывают ПНД (полиэтиленовые) трубы. Площадь участка, с которого будет собираться тепло, соизмерима с площадью жилья.

• На дне водоема. Горизонтальный коллектор (зонды горизонтального типа) устанавливают на дне, если водоем обладает достаточными габаритами (площадью и глубиной), и находится недалеко от дома. Способ также демонстрирует хорошую энергоэффективность.
• С использованием антифриза. На достаточную (75 м и более) глубину погружают емкость, заполненную антифризом. Нагретая жидкость поднимается тепловым насосом и отдает энергию теплообменнику, а затем возвращается под землю для следующего цикла.

Плюсы и минусы технологии

Геотермальное отопление дома, принцип работы которого не включает сжигание топлива, идеально с точки зрения современных представлений об экологической безопасности. Геотермальная отопительная система предоставляет своим владельцам следующие преимущества:

• Безопасность во всех сферах: отсутствие вредных выбросов, что важно для здоровья хозяев, их домашних животных, для окружающей среды, а также пожаробезопасность.
• С отсутствием топлива пропадает необходимость в его закупке (заготовке), доставке и хранении.

• Экономическая выгода. Силы природы работают бесплатно. Вы тратитесь только на приобретение и монтаж системы, а во время эксплуатации – на электроэнергию для теплового насоса. При этом в отрегулированной системе на каждые 1 кВт, затраченных на работу насоса, приходится около 3,5-4 кВт, добытых из-под земли.
• Компактные размеры. Основной по размеру контур прячется под землю (воду), в доме нужно будет установить только насос, и отдельная котельная для этого не нужна.
• Доступность. Оборудование можно установить где угодно. Единственное условие для начала работы – наличие электричества в доме.
• Многофункциональность. Когда холодно, система работает на обогрев, когда жарко – на охлаждение.
• Долгий срок эксплуатации. Технологически правильный монтаж станет гарантией длительного функционирования. Геотермальный контур надежно защищен толщей земли, а срок службы тепловых насосов составляет 25-30 лет.

Владельцы, не доверяющие геотермальному отоплению частного дома, выдвигают следующие аргументы:

• Приходится идти на значительные затраты, чтобы подготовить систему к работе: приобрести насос, дополнительные материалы, выполнить монтаж внешнего и внутреннего контура. Оборудование обойдется в 8-10 раз дороже, чем аналогичная газовая техника.
• Геотермальная система не является автономной. Чтобы она функционировала, на каждые 4 кВт тепловой энергии придется тратить 1 кВт электричества.
• Уровень теплоотдачи иже, чем у традиционных технологий. Например, контур, уходящий вглубь на 20-30 м, отдает только 40 Вт тепла с одного погонного метра.
• Длительный период окупаемости. В среднем он превышает 10-15 лет, тогда как среднему по мощности газовому котлу (до 12 кВт) понадобится примерно 5 лет, чтобы окупиться.

Как монтируют геотермальное отопление

Работы по установке геотермальной системы отопления включают три этапа:

• На площадке проводятся буровые и монтажные работы.
• Приобретается и доставляется оборудование и тепловой насос.

• Монтируется внешний и внутренний контуры. Они соединяются через тепловой насос, затем проводятся пуско-наладочные работы.

Горизонтальный, вертикальный и подводный контуры имеют свои особенности монтажа: Горизонтальный трубчатый теплообменник укладывают ниже глубины промерзания. Если грунтовые воды пролегают высоко, организуется песчаная подушка, предпринимаются меры, нивелирующие пучение, деформацию и выдавливание контура.

Длину горизонтального теплообменника определяют расчетом: 40 м труб на 1 кВт тепловой энергии. Для подобной системы может потребоваться солидный участок (до 2,5 соток), и вам придется придумать, как его потом использовать, так как над теплообменником нельзя возводить строения с подземным фундаментом или высаживать деревья.

Вертикальный подземный контур почти на треть эффективнее горизонтального аналога. Глубину скважины рассчитывают из соотношения 10-30 м труб на 1 кВт (зависит от свойств пород). Если глубина получается слишком большой и экономически нецелесообразной, можно сделать несколько мелких скважин, дающих в сумме нужную мощность.

Организовать подводный контур можно при условии, если водоем находится максимум в ста метрах от дома, и он не промерзает зимой. Чтобы получить 1 кВт тепловой энергии, понадобится уложить 35 м труб. Несмотря на то, что надо будет позаботиться о якорном балласте, препятствующем всплыванию, и защите на кромке ледообразования, подводный контур будет самым дешевым по затратам.

Действующие системы организованы так, чтобы обеспечивать нагрев в 50°C, поскольку специальные расчеты показали наибольшую эффективность данного варианта. Следствием ограничения является использование в домах с отоплением от земли преимущественно не привычных радиаторов, а теплых полов или воздушного (парового) отопления.

Видео описание

Об окупаемости теплового насоса в следующем видео:

Коротко о главном

Геотермальное отопление является перспективной, но недооцененной системой для частных домов. Его можно организовать тремя способами: в вертикальной скважине, в виде горизонтального подземного коллектора или под водой.

Обогрев подземным теплом экономически выгоден; максимального эффекта от установки можно добиться при использовании теплых полов. Система работает круглогодично: зимой нагревает помещения, а летом снижает температуру воздуха, из-за чего отпадает надобность в кондиционере. Многие владельцы загородных домов не спешат выбирать экологичную технологию по причине высоких трат на покупку и монтаж оборудования.