Ні для кого не секрет, наскільки гостро стала проблема екології в останні роки. Саме тому геотермальні теплові насоси користуються все більшою популярністю у людей небайдужих, які бажають користуватися альтернативними енергоносіями. Завдяки цій розробці вченим вдалося знайти спосіб опалювати житло в холодні місяці і нагрівати воду цілий рік. Причому електроенергії, газу, вугілля та дров витрачати не потрібно. А значить, шкідливих викидів немає ніяких.
Що це і принцип роботи геотермального насоса
Тепловий насос – це пристрій, що перетворює теплоту Землі в енергію. Даний спосіб організації опалення приватного будинку дозволяє відмовитися від дорогих енергоносіїв. Економія з часом повністю окупає витрати на установку вже в перші сезони використання. Європа вже давно шукає і впроваджує альтернативні методи енергозбереження, проявляє турботу про навколишнє середовище. І немає жодного приводу діяти інакше, тим більше, зараз на ринку нашої країни є все необхідне.
Застосовувані хладогенти мають виняткову властивість, яке полягає в поглинанні і віддачі тепла при переході з одного агрегатного стану в інший. Якщо говорити перебільшено, принцип роботи теплового насоса ідентичний принципу холодильної установки. Тільки головним елементом є теплообмінник, який в останньому випадку встановлюється на задній стінці.
Схематично геотермальне пристрій складається з трьох контурів:
- Приймаючий низькопотенційне тепло від джерела;
- Для циркуляції фреону, що змінює агрегатний стан;
- Водяний, передає тепло від установки до радіаторів.
Саме фреон в процесі роботи бере теплову енергію від джерела, коли випаровується. І навпаки він віддає її при конденсації. Якщо розглядати роботу теплонасоса по циклам, суть принципу дії полягає в наступному:
- Хладогент, що знаходиться в системі у вигляді рідини, в випарнику випаровується. Тепло від джерела поглинається в результаті цього процесу;
- Компресор нагнітає фреон, який стискаючись, знову переходить в рідкий стан. При цьому накопичена енергія передається теплообміннику;
- Вода в системі опалення, проходячи через теплообмінник, нагрівається і циркулює по системі. Доходячи до батарей, вона віддає тепло в кімнату.
При цьому досягається великий перепад температури. Така схема теплового насоса передбачає, що хладогент охолоджується до 6-10 градусів Цельсія, а до теплообмінника подається вже при +60. Але це перебуваючи під тиском. Після віддачі тепла воно скидається (стабілізується) за допомогою дросельного клапана, і цикли повторюються. Хто знайомий з роботою холодильної установки зауважив, що принцип передачі енергії в даному випадку ідентичний, хоча цілі абсолютно протилежні.
Якщо в холодильнику вирішується завдання зниження температури в камерах, де зберігаються продукти, то опалення тепловим насосом – це можливість підняти температуру в приміщенні без спалювання електрики або твердих енергоносіїв, газу і т.д.
Різновиди теплових насосів і систем
Інженерам-розробникам вдалося знайти спосіб «перехоплення» енергії природи для подальшого перетворення в ту, що здатна обігріти будинок і нагріти воду в системі водопостачання. Причому джерело – низькотемпературне, що в корені відрізняє ідею від класичної, де спалюється вугілля, газ, дрова, рідке паливо або витрачається електроенергія. Зараз є кілька джерел, від яких можна отримати достатньо енергії, щоб обігріти приватний будинок. Тому такі теплові насоси мають дуже високі показники COP і рекомендовані для опалювання житлових будинків.
В першу чергу це Сонце. Промені, досягаючи поверхні Землі, промені нагрівають елементи, які поглинають енергію. А установка переробляє її, підсилює, і передає на теплообмінник для розігріву теплоносія в системі опалення. Друге джерело – сама Земля, а точніше тепло її ядра, що передається через мантію верхніх шарів земної кори. При цьому інженерам вдалося розробити три різних схеми, що визначають тип пристрою: грунтові, водяні, повітряні. Кожен вид відрізняється, що дозволяє вибрати найбільш ефективний спосіб для окремо взятого випадку.
Грунтові теплові насоси
Кількості теплової енергії, одержуваної від грунту, досить для розігріву хладогенту до рівня, де той змінює агрегатний стан, перетворюючись на пару. Зручно те, що на глибині вже в кілька метрів сезонні температурні коливання не спостерігаються. Це дозволяє користуватися приладом круглий рік, і в будинку завжди буде гаряча вода.
Для прийому тепла землі використовується розчин етиленгліколю або пропіленгліколю. Водний еталон застосовується, але рідше. Система труб, по яких циркулює енергопоглинаюча рідина, герметична.
Є два спосіб розміщення трубопроводу в грунті:
- Горизонтальний колектор – це система горизонтально лежачого контуру;
- Геотермальний зонд – приймачі розташовані вертикально і пов’язані між собою.
Геотермальні насоси з горизонтальним колектором припускають заглиблення на півтора-два метри. Головне пройти позначку рівня промерзання грунту. Для кожного регіону вона своя. В середньому це 1 метр. Якщо потрібно опалювати будівлю, площею до 100 кв. м., доведеться викопати котлован або вирити мережу траншей, площею в 2-3 сотки. Це не обов’язково робити під спорудою. Головне не садити на задіяному ділянці рослини, що мають коріння, що йдуть глибоко в землю.
Цю проблему повністю вирішує геотермальний зонд. Труби встановлюються в свердловини. Бурити доведеться на 100-200 метрів. Але досить двох свердловин, якщо потрібно обігріти будинок в сто квадратів.
Між свердловинами повинна бути відстань не менше п’яти метрів. Тому якщо ділянка мала, забудованиаабо засаджена, скажімо, садом, це кращий спосіб установки теплового насоса з зондом, коли задіяна мінімальна площа наділу. З іншого боку ланцюг горизонтальних приймачів тепла можна побудувати самостійно без застосування бурового обладнання.
Водяні теплові насоси
Для використання такого теплового насоса, принцип дії узятий той же. Але відрізняється тип джерела. В даному випадку це ґрунтові води. Природно, глибина їх залягання повинна бути доступна в регіоні. Але якщо така можливість є, система відрізняється тепловою стабільністю, адже підземні води мають постійну температуру цілий рік. Це робить пристрій придатним для застосування протягом усіх чотирьох сезонів. Перед монтажем проводять геологічну розвідку, щоб переконатися, що вода тече на глибині 30-40 метрів.
Однак потрібен і хімічний аналіз. Якщо в складі мало солей заліза і низки інших домішок, можна ставити геотермальний зонд. В іншому випадку це недоцільно з огляду на наявність ризику передчасного виходу з ладу і низьку продуктивність. В даному випадку застосовують грунтовий тепловий насос або повітряний. Саме ця вимога є причиною того, що серед усієї маси працюючих нині установок теплові насоси водяного типу використовуються рідше – близько 5% випадків.
Повітряні теплові насоси
Головна перевага цього способу організації опалення і подачі гарячої води – відсутність необхідності вести повномасштабне будівництво. Не потрібно бурити свердловини для геотермальних зондів. Немає необхідності копати траншеї, як у випадку з ґрунтовим тепловим насосом. Всі вузли розміщуються на поверхні. В результаті кошторисна вартість значно нижче. Часу на установку і облаштування витрачається менше. Але цей пристрій далекий від ідеалу.
Головний мінус – високий ККД буде тільки якщо повітря на вулиці не нижче -15 … -20 градусів за Цельсієм. Якщо вдарять морози ще сильніше, система буде працювати з меншою ефективнісю, що призводить до виходу з ладу. А якщо теплоносій в трубах і радіаторах замерзне, відбудеться розгерметизація, а по весні будинок буде затоплений. Доведеться витрачати гроші на ремонт. Однак в районах, де подібного не трапляється, люди користуються таким методом організації опалення.
Коефіцієнт ефективності
Саме цей параметр дозволяє порівняти ефективність установок різного типу, щоб визначити оптимальний варіант. Даний термін є тим самим ККД. Розраховується ефективність як відношення виробленої кількості енергії і споживаної. Під споживанням варто розуміти електроенергію, витрачену на запуск системи і витрати в процесі її роботи. Незалежно від пори року для водяних модифікацій коефіцієнт ефективності дорівнює 5.
Іншими словами, якщо пристрій споживає, скажімо 2 кВт на годину, то установка видає до 10 кВт год, але вже у вигляді тепла. Геотермальне опалення приватного будинку менш ефективне, коефіцієнт дорівнює 4,0-4,5. У випадку з повітряним типом визначальним фактором є температура навколишнього середовища. Так при нулі він дорівнює 3,5. Якщо ж вона знизиться до -20 град. то ефективність буде дорівнює 1,5. Саме нестабільність в останньому випадку є фактором низького попиту на пристрої повітряного типу. А все більше людей віддають перевагу “золотій” середині – геотермальним агрегатам.
Часто постачальники обладнання вказують у технічному описі ККД в процентах. Цей маркетингових хід не повинен ввести вас в оману. Якщо, наприклад, має місце характеристика ефективності в 400%, то це означає, що коефіцієнт дорівнює 4. Іншими словами при споживанні 1 кВт * год електроенергії опалювальна система здатна виробляти до4 кВт * год. Тобто величину, зазначену в процентах необхідно розділити на 100. Це і буде відношення споживання до “вироблення”.
Застосування геотермального насоса для охолодження
Деяким виробникам вдалося інтегрувати функцію кондиціонування. Такі моделі коштують дорожче, але немає необхідності нести додаткові витрати на придбання кондиціонерів для всіх кімнат. Якщо ж такої опції спочатку не передбачено, роблять гідравлічну розв’язку, що також вимагає капіталовкладень.
Охолодження відбувається завдяки холодним панелям на стінах і стелі, більш холодній “теплій підлозі”, через радіатори опалення з хорошим обдувом або ж за допомогою фанкойла. В останньому випадку мова йде про пластинчастий теплообмінник, вмонтований в кожух з вентилятором і направляючими жалюзями.
Застосування геотермального насоса для гарячого водопостачання
Кожна з описаних вище схем дозволяє не тільки обігрівати житло, але і забезпечувати людей гарячою водою, причому незалежно від пори року. Навіть при відключеному опаленні в трубах буде вода з температурою від +45 до +60 град. Використовується спеціальна ємність з теплообмінником – бойлер. Проточні модифікації не знайшли застосування через слабку ефективність і відсутність можливості мати запас. Недолік – необхідність облаштування окремого приміщення під котельню.
Звичайний водонагрівач не підійде. Купують спеціалізоване обладнання, призначене для підключення до теплонасосної установки. Такий бак обійдеться дорожче, адже для ефективного розігріву обсягу води буде потрібна розвинена мережа теплообмінних елементів, що тягне за собою подорожчання. Матеріалів витрачається більше, а пристрій складніше у виконанні. Однак економія перекриє витрати вже в перші рік-два в залежності від частоти використання і кількості мешканців.
Геотермальні насоси з вбудованим теном
Це спосіб вирішити масу можливих проблем. Навіть якщо морози перевищать позначку в 20 градусів, електроніка включить додатковий нагрівальний елемент, і температура в кімнатах буде завжди комфортною. Якщо на зиму будинок залишено без нагляду, така система не буде заморожена, оскільки ТЕН підтримує позитивну температуру в системі. Будь-яка поломка не є проблемою, і поки не буде вжито заходів щодо її усунення, агрегат працює як звичайний електричний котел. Правда доведеться заплатити трохи більше.
Поради та рекомендації
Вибираючи обладнання, оцінюйте наявні можливості, але не економте. Розраховуючи необхідну продуктивність, закладайте запас потужності в 10%. Це необхідно на випадок непередбачуваних морозів. Оснащення, що працює на межі, прослужить менше, тоді як насос, експлуатований в нормальному діапазоні навантаження, відпрацює довше. Розробку проекту і монтаж довірте професіоналам. Вивчіть інструкцію, і не відступайте від вимог виробника. Без узгодження не вносьте в конструкцію змін.
