Тепло является одним из самых востребованных видов энергии, требуемой для поддержания жизнедеятельности человека. При этом затраты ресурсов на его выработку довольно внушительны – будь то электричество с нефтепродуктами или традиционное топливо наподобие угля и древесины. Очевидно, что на этом фоне возникает потребность в предложении альтернативного способа отопления. К одним из самых перспективных и активно развевающихся технических решений такого типа можно отнести геотермальный тепловой насос, концепция которого постепенно приближается к бытовым условиям эксплуатации.
Общие сведения о технологии
Любая идея альтернативного источника тепла предполагает обслуживание того или иного природного материала или явления. В данном случае центральным поставщиком энергии выступают земельные недра. Грунт на определенных глубинах поддерживает достаточную температуру, чтобы его тепло можно было аккумулировать и в дальнейшем использовать на поверхности. Гидрологические ресурсы также могут рассматриваться в качестве источника тепла, внося свои коррективы в техническое исполнение аккумулирующей инфраструктуры.
Для представления эффективности данной технологии можно отметить, что при вложении 1 кВт энергии в содержание геотермального теплового насоса можно получить отдачу в виде 2-6 кВт. Чем же объясняется столь высокий КПД? По сравнению с другими средствами обработки природных источников энергии, геотермальные механизмы не предусматривают промежуточных этапов преобразования. Например, аккумуляция солнечной энергии требует, чтобы свет и тепло конвертировались в электроэнергию, которая расходуется на содержание дома. В данном же случае тепло не преобразуется, а напрямую или с минимальными переходными этапами переносится к целевым потребителям.
Принцип действия
Для начала стоит определить конкретные точки, которые участвуют в процессе геотермального отопления. Начинается процесс в земле – на уровне, который располагается ниже точки промерзания. Температура может быть разной в зависимости от глубины. Для минимального теплового эффекта достаточно, чтобы она превышала 0 °C, но на практике экономически оправданным показателем считается 35-40 °C. Конечным же потребителем выступает отопительный контур.
За перенос энергии от грунта к системе домашнего отопления отвечает специальный трубопровод, обслуживаемый геотермальным тепловым насосом. Принцип работы строится на том, что через эту линию поставки с теплообменником-испарителем по контуру хладагента передается тепло. Как и в кондиционерах, роль активного испаряемого вещества выполняет фреон. До начала работы насоса он пребывает в жидком состоянии, а после запуска переходит в газообразную форму. Далее обновленный хладагент переносится в компрессор, коммуникации которого связываются с конечным отопительным контуром. Избыток фреона к этому моменту сбрасывается через отводной канал.
Геотермальное оборудование
Основным функциональным элементом системы является тепломеханический насос. Структуру агрегата представляют три контура:
- Внешний. Обеспечивает циркуляцию обычного теплового носителя в виде антифриза или соляного раствора.
- Внутренний. Содержит хладагент в герметичных камерах, в которых происходят процессы нагрева-испарения.
- Внешний контур, который непосредственно направляется к целевой обслуживаемой системе.
Также в перечень рабочих органов геотермального теплового насоса для отопления входит компрессор, испаритель, канал сброса и теплоносители. Важно отметить, что конструкции, компоновка и дополнительный функционал может меняться в зависимости от условий применения. Существуют установки для грунта, для воды и воздуха, а также комбинированные системы, способные работать в разных условиях.
Источники тепла и средства аккумуляции
У геотермальных систем немало плюсов, связанных с экономным поступлением энергии, практичности и технологической доступностью для бытовой эксплуатации. Но, как и у других систем, аккумулирующих альтернативную энергию, она зависима от источника. Поэтому, чтобы быть уверенным в стабильности теплоснабжения, следует заранее продумать и возможность подключения к резервному каналу поставки энергии. Грунтовые и гидрологические источники будут рассмотрены ниже, а пока следует ознакомиться в принципе с рабочей инфраструктурой, которую обслуживает геотермальный тепловой насос как систему поставки ресурса. В качестве приемников тепла выступают сыпучие материалы, трубы, зонды и конструкции, структура которых может аккумулировать энергию. В частности, это могут быть нагревательные маты, связанные с насосом, теплоносителем и сторонними системами отопления.
Грунтовый источник тепловой энергии
Высокопроизводительные системы, аккумулирующие геотермальную энергию, размещаются на полях площадью порядка 200 м2. С размеченной зоны снимается слой грунта толщиной 40-50 см ниже, чем точка промерзания. В целом получается толщина в 150-200 см. Эти и другие данные указываются в проекте с расчетом объемов энергии для конкретного отопительного контура. Многое будет зависеть и от региона, поскольку в одной местности можно извлечь 30 Вт с 1 м2, а в другой – 70-80 с 1 м2.
На площадке формируются скважины, траншеи или же сплошные площадки для размещения аккумулирующих элементов. Самой доступной в реализации считается вертикальная скважинная установка, в которой размещаются спиральные аккумулирующие трубы или маты. В горизонтальной конфигурации размещения заборной инфраструктуры геотермальный тепловой насос для отопления может выдавать большие объемы энергии, но у него есть минусы. Они относятся к сложности выполнения земляных работ (требуется спецтехника для разработки больших площадей), исключению любых ландшафтных работ и понижению температуры к концу отопительного сезона.
Водяной источник тепловой энергии
Основными объектами обслуживания в данном случае выступают озера, водоемы и пруды. Что касается аккумулирующих элементов, то их функцию выполняют полимерные трубы с антифризным наполнением. Объемы извлекаемой энергии в среднем можно представить как 30 Вт с 1 м трубы. Для комплексного обслуживания большого частного дома требуется 12 кВт – соответственно, нужно организовывать систему трубопровода длиной 400 м.
Есть и другой подход к аккумуляции тепла от гидрологических ресурсов. Если поблизости нет озер и водоемов, то на собственном участке можно обустроить 2-3 колодца со скважинами глубиной порядка 20 м. Вода на этом уровне будет иметь температуру порядка 10 °C, но для вспомогательной функции подогрева этого достаточно. Суть в том, что геотермальный тепловой насос выполняет задачу постоянной циркуляции теплой или горячей воды. С одной стороны контура происходит постоянный подогрев ресурса в колодцах без малейших затрат, а в доме аккумулируется энергия от вновь поступившей порции воды.
Установка геотермальной системы
Перед тем как принять решение о покупке оборудования, следует оценить, насколько в конкретном регионе в принципе оправдано использование данной технологии. Для этого производится ряд геологоразведочных исследований с определением глубины промерзания грунта.
В монтаже задействуются трубы или другие аккумулирующие элементы, насос и установочная фурнитура. Внутреннюю отопительную инфраструктуру могут формировать радиаторы, фанкулеры или теплый водяной пол и т.д. Это будет система потребления поставляемого ресурса.
Итак, устанавливаются геотермальные тепловые насосы для дома в скважинах – как уже отмечалось, не только земельных, но и водяных. Можно обустраивать колодцы, траншеи и поля с ликвидированным слоем грунта, но этот вариант чаще используют для промышленного теплоснабжения. В созданной нише укладываются аккумуляторы по всей площадке – в прямолинейной конфигурации или спиральной. Контуры подключаются к находящемуся на поверхности насосу, который, в свою очередь, соединяется с домашними отопительными контурами.
Производители геотермальных насосов
Сегмент активно развивается усилиями крупнейших разработчиков климатического оборудования. В частности, производитель котлов Viessmann представляет надежные агрегаты для водяной и грунтовой аккумуляции тепла при рабочей температуре порядка +65 °C. Для промышленных и общественных зданий площадью 300-350 м2 предлагается геотермальный тепловой насос NIBE F1145. К его особенностям можно отнести возможность подключения и к трехфазной сети на 380 В, и однофазной – на 220 В. Универсальные с точки зрения сфер применения модели геотермальных насосов предлагает японская компания Mitsubishi. Разработчики данной фирмы с 2007 г. занимаются развитием концепции мультизонального разделения обогрева с упрощенной системой управления.
Не обходят вниманием столь перспективный сегмент и отечественные компании. Например, геотермальный тепловой насос российского производства BROSK Mark II 100 рассчитан специально на частного потребителя – владельца небольшого загородного дома. Но, несмотря на скромную производительность, данное оборудование характеризуется как надежное, энергоэффективное и многофункциональное.
Положительные отзывы о технологии
Данный способ отопления многих привлекает удобством содержания, обслуживания и, конечно, минимальными финансовыми затратами при эксплуатации. Оборудование практически не требует расходных топливных материалов. Нужны электрические ресурсы для обеспечения функции того же насоса и управляющей аппаратуры, но они незначительны на фоне возвращаемого объема энергии. Подчеркивается и экологическая чистота геотермальных тепловых насосов. Отзывы и вовсе на одно из первых мест в числе плюсов ставят то, что рабочая инфраструктура не занимает места в доме. Подводятся только коммуникации, а остальные функциональные агрегаты и узлы остаются на улице.
Негативные отзывы
С полноценной котельной тепловую производительность геотермальных систем все же не сравнить. И дело даже не в конкретных показателях мощности, а в скачкообразной подаче тепла. Многие жалуются на длительные периоды низких показателей доставки энергии, для чего и рекомендуется организовывать резервные системы снабжения. Но здесь обнаруживается и другой недостаток. Хотя на содержание оборудования тратится немного денег, первоначальные вложения сопоставимы с покупкой мощного промышленного котла. Даже геотермальный тепловой насос российского происхождения BROSK Mark II 100 доступен на рынке за 250-300 тыс. руб. в зависимости от комплектации. Затраты на монтажные мероприятия также обойдутся в 50-70 тыс. руб.
Заключение
Вариантов организации теплоснабжения в условиях частного дома довольно много. Каждый из них по-своему затратен в процессе эксплуатации – от дорогостоящих электрических панелей до экономных газовых котлов. Но, традиционное оборудование в современном исполнении представляет собой оптимизированные по конструкции и простые в управлении системы. Чем же может привлечь геотермальный тепловой насос для отопления дома? Конечно, экономический фактор выйдет на первый план, но что еще? Обращаться к подобным установкам можно в случае, если на участке есть достаточно места для организации комплекса. В этом случае можно рассчитывать как минимум на пассивный вспомогательный обогрев помещений без постоянного контроля и обслуживания. И еще один момент – это полная автономность, позволяющая использовать геотермальное оборудование как резервный источник тепла.
