Геотермальный тепловой насос в системах автономного теплоснабжения

принципиальная схема теплового насоса

Ещё издавна человечество отдавало предпочтение возобновляемым источникам энергии. Для обогрева домов использовались силы ветров, течения рек, морских приливов и отливов, теплота, получаемая от сгорания дров, сухой травы и прочей сельскохозяйственной выработки. Древние люди поняли, что температура почвы в подземных глубинах значительно выше, чем на поверхности земли. Именно поэтому строились сооружения под землей, подземные коммуникации, катакомбы, в которых температура среды почти не изменялась в течении года. Современный человек, поняв широкий потенциал геотермальной энергии, прибегнул к такому виду аккумулирования и использования тепловой энергии, как тепловые насосы.

Извлечение энергии начинается под землей

Это основной принцип теплового насоса, типа “грунт-вода”. Тепловой насос использует землю как источник тепла, которое извлекается в процессе трех идеально скоординированных циклов.

  • Цикл первый – «грунт-вода»
    Грунтовая вода циркулирует в длинных пластиковых трубках, которые уложены в земле. Тепло земли передается этому циркулирующему раствору
  • Цикл второй – тепловой насос
    Вода передает тепло хладагенту, циркулирующему в тепловом насосе, посредством испарителя. Хладагент нагревается, кипит, испаряется и покидает испаритель в газообразной форме. Компрессор, являющийся сердцем данного насоса, всасывает хладагент, сжимает его под высоким давлением и температура газа существенно увеличивается. Кроме того, выходная мощность компрессора преобразуется в тепло и также передается хладагенту.
  • Цикл третий – система отопления
    В конденсаторе все тепло газообразного хладагента передается через теплообменник воде, циркулирующей в системе отопления. Температура теплоносителя ниже температуры газообразного хладагента. Последний, следовательно, конденсируется и теплота, выделяющаяся при переходе в жидкое состояние, передается теплоносителю. Хладагент снова переходит в жидкое состояние.

Цикл завершен

Теперь жидкий хладагент перетекает через расширительный клапан обратно в испаритель. Извлекая 75 % бесплатной энергии из земли и потребляя 25 % электроэнергии для привода компрессора, тепловой насос на 100 % обеспечивает все потребности в тепле.

Тепловые насосы - одно из недавних изобретений человека. До этого вся тепло-отопительная система базировалась на стандартных и давно известных нам источниках энергии. В качестве топлива выступали, в основном, полезные ископаемые. Такие как: уголь, нефть, природный газ, горючие жидкости; реже - древесные заготовки и отходы. Однако, истощение природных залежей, которое наблюдалось и наблюдается широкими темпами, а также интенсивное загрязнение окружающей нас экологии продуктами горения, все сильнее подталкивало ученых и исследователей к разработке и выявлению новых источников мировой энергетики. Тепловые насосы, использующие в качестве нагрева рабочей среды (теплоносителя) тепло грунта и подземных вод - стали одним из величайших изобретений человека. Домовладелец, переходящий на геотермальное отопление не только экономит свои денежные средства на получении тепловой энергии, но и сохраняет окружающую среду от вредных газов, которые образуются в результате горения любого топлива. В масштабах государства или, что еще лучше, всей планеты - это огромный плюс для экологии.

Тепловой насос стал удобным и доступным средством для получения тепловой энергии в частных домах, загородных коттеджах, а также отдельных административных, бытовых и жилых зданиях. Геотермальная энергия, получаемая из недр земли, позволит не только согреть дом в зимние холода, но и обеспечить наилучший нагрев воды для горячего водоснабжения, как жилого, так и коммунально-бытового потребления. В отдельных случаях (при глубоких скважинах и мощном технологическом оборудовании) тепловые насосы могут стать источником для образования и использования электроэнергии.

Преимущества и недостатки использования теплового насоса

Далее рассмотрим основные преимущества и недостатки использования теплового насоса, в отличии от традиционных источников и генераторов энергии.

Преимущества тепловых насосов:
  • 1. отсутствие необходимости в подводе к тепловому насосу какого-либо топлива, поскольку источником энергии для него является грунтовая вода или подземный грунт;
  • 2. высокая пожарная безопасность;
  • 3. экономия денежных средств на отопление и горячее водоснабжение. Ведь теплота, образующаяся под землей - бесплатная, в отличии от того же газа или электричества
  • 4. защита окружающей среды от продуктов горения

Пожалуй, главными минусами и недостатками тепловых насосов являются высокая стоимость, довольно сложный процесс установки и монтажа, который невозможно выполнить без специализированной техники и рабочего опыта, а также не совсем достаточная тепловая мощность, по сравнению с газовым или централизованным отоплением. Второй недостаток ликвидируется установкой нескольких, связанных между собой, тепловых установок или же монтажом дополнительного источника энергии (например, газового котла). В случае нехватки отопительной мощности от теплового насоса, через блок управления автоматически включается газовый котел, который прогревает воздух в помещении до комфортной для человека температуры.

Несмотря на высокую стоимость и трудности при монтаже и ремонте, тепловые насосы остаются одним из востребованным и широко используемым видом тепловой энергетики, как в Россие, так и в множестве продвинутых и экономически развитых странах. Рано или поздно исчерпаются все полезные ископаемые и природные залежи горючих веществ, а теплота подземных источников останется столько, сколько будет существовать наша планета.

Каковы источники тепловых насосов

Источниками тепловых насосов, часто называемых геотермальными, могут быть сама земля и источник воды с её остаточной температурой. Есть различные способы соединения теплового насоса с источником. В большинстве случаев используют петли пластмассовых трубок, захороненных в земляных траншеях и заполненных незамерзающей жидкостью. Такие петли могут протянуться в длину до сотни метров вокруг строительного участка. Шланг трубки может также быть опущенным в одну или более вертикальных скважин. Такая техника укладки, занимающая намного меньше площади, стоит намного дороже. Шланг трубки может быть помещён у основания близлежащего водоёма, или сама вода может использоваться для передачи температуры.

Типы тепловых насосов

  • С горизонтальной укладкой шлангов
    Шланг трубки, заполненный антифризом, забирает тепло из почвы и доставляет его к самому насосу. Температуры почвы достаточно, чтобы система могла функционировать. Но для этого десятки метров трубки глубоко углубляются, что подразумевает масштабные раскопки.

  • Разомкнутая система, где вода в изобилии
    При разомкнутой системе, вода подаётся из колодца через тепловой насос и возвращается в землю. Она проходит через систему только один раз. Если скважина производит достаточное количество воды, она может быть использована как для внутренних потребностей, так и для тепловых насосов.

  • Замкнутая вертикальная система с циклом рециркуляции жидкости
    Трубки могут быть размещены в одной или нескольких вертикальных скважинах, если нет достаточно места для горизонтальных траншей. Количество и глубина скважины зависит от множества факторов. В замкнутом контуре незамерзающая жидкость поглощает тепло земли и переносит его к тепловому насосу, где оно накапливается и распространяется по всему дому.

Сравнение производительности тепловых насосов

Наиболее эффективный тепловой насос, источником которого есть земля, использует около трети энергии, используемой стандартным воздушным тепловым насосом, 10 900 кВт/ч против 29 800 кВт/ч. То есть при использовании земляного насоса энергии для его работы потребуется в два раза меньше.

Однако, по неофициальным данным, земляные тепловые насосы могут быть привередливыми. Эффективность описывается как коэффициент полезного действия (КПД), который выражается через тепловую мощность устройства, делённую на количество затраченного электричества на входе.

Тепловой насос с КПД равным 4 производит 4 единицы энергии на 1 единицу потребляемой электрической энергии. Но нужно иметь в виду, что КПД относится к энергии, потребляемой самим тепловым насосом. Энергия, затрачиваемая электрическим насосом для перемещения жидкости по трубам в земле, не учитывается.

Тепловые насосы также снижают температуру почвы вокруг трубы в зимний период. Чем холоднее почва, тем меньше эффективность теплового насоса, и незамерзающая жидкость, используемая в трубах, требует больше расхода энергии для перекачки с меньшей теплоотдачей. А, следовательно, и КПД их может быть ниже заявленного производителем.

Назовем основные преимущества использования отопительной системы с земляными тепловыми насосами

Данная система отопления производит значительно меньше СО2, по сравнению с другими системами. Несомненным плюсом является оказание финансовой поддержки домохозяевам, которые впервые установили земляные тепловые насосы системы GSHP. В дальнейшем продолжает свою работу, доказавшая свою жизнеспособность, схема стимулирования обладателей тепловых насосов.

Эффективность тепловых насосов очень велика. Несмотря на то, что для питания насоса требуется электричество, обеспечивающее в первой фазе циркуляцию жидкости, при несложном подсчете, выходит, что на каждую единицу электроэнергии, можно получить от 2 до 4 единиц тепла. Такой способ обогрева здания очень эффективен. Но и в данном направлении можно добиться экономии. Для пользователей земляных тепловых насосов предлагаются некоторыми поставщиками энергетических компаний сниженные тарифы электроэнергии. Для тех, кто постоянно проживает в загородных домах, в качестве альтернативы можно рассмотреть и другие источники получения электроэнергии, например, при помощи ветровой турбины или солнечных фотоэлектрических панелей, что создаст дополнительное единение с окружающей средой.

Для большей объективности следует также рассмотреть и некоторые недостатки использования земляных тепловых насосов в качестве отопительной системы дома.

В зависимости от размера и мощности, установка такой системы представляет собой дорогое удовольствие. Кроме этого, требуются дополнительные расходы на некоторое добавочное оборудование, например, оплата стоимости арматуры теплыми полами.

Тепловые насосы не подойдут для помещений с существующей централизованной газовой системой отопления

При установке данного вида отопительной системы дома потребуется проведение сложных дорогостоящих работ, на которые нужно будет получить специальное разрешение в уполномоченных органах. Легче при строительстве дома запланировать его оборудование отопительной системой тепловыми насосами, чем пристраивать ее к уже готовому дому. Как уже говорилось выше, дома при такой системе отопления должны быть герметичными и с хорошей изоляцией, подходить под стандарты современного строительства.

Система отопления при помощи тепловых насосов может считаться полностью экономичной и экологически выгодной только в случае полного получения электроэнергии при помощи ветровой турбины или солнечной энергии. Представители общества охраны окружающей среды считают данную систему отопления более выгодной с экологической точки зрения по сравнению с другими системами отопления. Хотя незначительные выбросы СО2 в атмосферу все же существуют.

Публикации по теме:

Хороший дизайн

Однажды собрались лучшие дизайнеры со всего мира и сели думать, что такое хороший или как сейчас принято говорить креативный дизайн. Вот они думали и пришли к выводу: Отличный дизайн - это дизайн, которого не видно, но его все чувствуют. Таким образом дизайн-студия, которую вы выберете, во многом определяет чувства возникающие в помещении ею спроектированном.

  • Стратегия
  • Назначение
  • Характер
  • Интерьер