Як працює тепловий насос грунт вода

Як працює тепловий насос «грунт-вода» - плюси та мінуси, вибір обладнання

З усіх різновидів теплових насосів, що існують на сьогодні, системи «грунт-вода» мають найбільшу ефективність. При цьому, вони найдорожчі, Вимагають великих трудовитрат для створення, що суттєво обмежує популярність та розповсюдження цих комплектів. Розглянемо влаштування систем «грунт-вода», їх можливості та особливості експлуатації. Роботу теплового насосу «вода-вода» ми розглянули у цій статті, «повітря-вода» у цій і «повітря-повітря» тут.

Дослідження вчених показали, що на глибині близько 1,5-2 м ґрунт практично ніколи не змінює свою температуру, що становить від 5°С, до 10°С і стабільно знаходиться в цих межах. Це дозволяє використовувати її як низькопотенційне джерело теплової енергії для ТН.

Система, створена з урахуванням такого джерела, не залежить від зовнішніх факторів, зокрема від зміни кліматичних або погодних умов, зниження температури і т.д. п. Єдина складність – спосіб відбору теплової енергії. Для цього використовується звичайна вода або (частіше) інший теплоносій (антифриз, етиленгліколь), що циркулює в трубах, занурених тим чи іншим способом у ґрунт.

Основна проблема полягає в тому, що для набору потрібної температури теплоносій має досить тривалий час перебувати під землею, оскільки на виході з випарника він сильно охолоджується. Питання вирішується збільшенням довжини трубопроводу, щоб за час транспортування потоку він встигав нагрітися до температури ґрунту.Стабільність температури грунту має дуже позитивне значення, тому що з'являється можливість відмовитися від регулювання швидкості циркуляції теплоносія, налаштувавши її один раз під час запуску системи в експлуатацію.

Як працюють теплові насоси «земля-вода»

Конструкція ТН типу «грунт-вода» заснована на звичайному для такого обладнання принципі дії холодильника (або, говорячи більш науковою мовою, використання циклу Карно). Нагрів теплоносія (води) відбувається завдяки значному підвищенню температури при сильному стисканні парів холодоагенту (фреону), після чого проводиться скидання тиску та випаровування. При цьому температура фреону сильно падає, і перед повторним циклом її стиснення треба піднімати до робочого значення.

Це відбувається за допомогою теплообміну з водою, що циркулює під землею на глибині 30-50 см нижче за рівень промерзання ґрунту. Пристрій для такого отримання теплової енергії називається колектором і є досить великим котлованом глибиною 1,5-2 метри, в якому укладено трубопровід з теплоносієм і засипаний шаром грунту.

Інший варіант - вода циркулює у свердловині глибиною близько 50-70 м, куди опущена петля з поліетиленового трубопроводу. Усього існує три типи підземних теплообмінників:

вертикальний зонд (петля із труби)
енергетична паля (технічна споруда або пристрій, що використовує спосіб зонда, але ефективніший і отримує більшу теплову потужність)
плоский колектор

Всі способи отримання теплової енергії ґрунту мають свої переваги та недоліки, про що буде сказано пізніше.

Тепловий насос – це два теплообмінники, що працюють у паралельному режимі, з'єднані між собою компресором, що підвищує тиск на вході в конденсатор (теплообмінник №1) і дроселем, що скидає тиск на вході у випарник (теплообмінник №2).

Конструктивно це два відділення, кожне з яких забезпечує половинний цикл Карно. Фреон, що циркулює в системі по замкнутому циклу, віддає теплову енергію в систему опалення та ГВП будинку, заповнюючи її теплом, відібраним від ґрунту теплоносієм зі свердловини або колектора. Обидва відділення можуть розташовуватися в одному корпусі, або бути встановлені на відстані один від одного, головна умова - стабільність роботи і відсутність втрат при холодоагенту з одного теплообмінника в інший.

Переваги та недоліки

Переваги систем «грунт-вода»:

стабільна і не залежить від жодних факторів температура джерела теплової енергії, що забезпечує високу ефективність комплексу
можливість використання систем у складних кліматичних умовах, регіонах з низькими зимовими температурами
надійність та стійкість роботи системи
висока довговічність ґрунтового теплообмінника
універсальність роботи системи - окрім опалення можлива організація ГВП будинку

Існують і недоліки:

висока вартість обладнання, великі трудовитрати створення колекторів чи буріння свердловин. У поєднанні із загальною дорожнечею обладнання, така система вимагатиме фінансових вкладень у 4-5 разів, що перевищують витрати на теплонасоси повітряного типу.
великі обсяги земляних робіт, що вимагають або великих площ, або буріння глибоких свердловин В обох випадках питання спирається на адміністративні проблеми, необхідність отримання дозволів на використання землі тощо.

Ще одна проблема - виморожування ділянки землі, що використовується під колектор. Холодний фреон суттєво охолоджує ґрунт, порушуючи природний температурний режим, що негативно позначається на рослинах. Питання вирішується зануренням трубопроводів на більшу глибину, але це автоматично збільшує витрати.

Складнощі з отриманням дозволів та великі трудовитрати є причинами відмови більшості користувачів від ідеї встановити теплонасос «грунт-вода», хоча за наявності можливостей поширення цього типу ТН було б набагато ширшим.

Розрахунок потужності установки

Здійснити повноцінний розрахунок установки для недосвідченої людини, яка не має спеціальної освіти, — непосильне завдання. Навіть професіонали відчувають чималі труднощі під час виконання розрахунків, оскільки у процесі беруть участь багато чинників, які потрібно врахувати. Тому для попередньої оцінки параметрів теплового насоса треба або звертатися до фахівців, що дуже дорого (і треба ще їх відшукати), або використовувати онлайн-калькулятор, здатний замінити професіоналів абсолютно безкоштовно.

Можна обійтися простими прикидками.

Наприклад, для підрахунку площі, необхідної під колектор, треба опалювальну площу помножити на 2 (Для будинку в 100 м 2 площа колектора складе 100 × 2 = 200 м 2 ). Підрахувати зразкову потужність теплового насоса можна, приймаючи 0,7 кВт на кожні 10 м 2 площі (Для будинку площею 100 м 2 знадобиться система потужністю 7 кВт). За цими параметрами можна вибирати відповідне обладнання.

Топ-5 найкращих насосів

Придбання готового комплекту – дорогий захід. Вартість теплового насосу щодо невисокої потужності починається від 8000 доларів, А для великих систем, що поєднують обігрів і ГВП, ціна підніметься набагато вищою.

Підбір конкретної моделі проводиться виходячи з потреб будинку та можливостей власника, тому рекомендувати будь-який пристрій немає сенсу. Однак, володіючи інформацією про найбільш відомих виробників, можна визначитися у своїх уподобаннях та обмежити вибір найкращими фірмами.

Розглянемо їх докладніше:

FHP (США)

Надійне та економічне обладнання від лідера серед виробників теплових насосів.

MECMASTER ENERGI AB (Швеція)

Компанія, що створює теплове обладнання з 60-х років минулого століття і має власні традиції, розробки та винаходи у цій сфері.

Avenir Energie (Франція)

Фірма, що лідирує серед подібних компаній та створює широкий модельний ряд теплових насосів.

Steinmann (Швейцарія)

Традиційна європейська якість, повна сертифікація всього обладнання та методик обігріву.

Viessmann (ЄС, Китай)

Компанія робить серйозні заявки на лідерство серед основних виробників теплових насосів.

Перераховані виробники є найпомітнішими серед великої кількості продавців теплонасосів, повний перелік виробників такого обладнання навести просто неможливо.

Вартість встановлення

Монтаж системи обійдеться у суму, що починається від 2000 доларів.

Цю межу підтверджують всі фахівці, причому всі варіанти впираються в склад і якість грунту, наявність монолітних гірських порід або водоносних горизонтів. Чим вищий складність земляних робіт, тим більше доведеться заплатити за створення опалювальної системиТому більшість користувачів намагаються вирішувати питання самостійно, в міру своїх можливостей.

Як зробити тепловий насос «грунт-вода» своїми руками

Ціни на готове обладнання такі, що для більшості користувачів придбання просто недоступне. Піти на такі витрати може тільки дуже забезпечена людина, але вирішенням питання може стати самостійне виготовлення теплонасоса. У цьому випадку витрати впадуть майже до нуля, але доведеться повозитися і побігати по інстанціях, щоб отримати дозвіл на виробництво земляних робіт. Якщо всі питання адміністративного порядку не є проблемою, можна розпочинати роботи.

Буріння свердловини

Створення колектора або буріння свердловини є операціями, які вкрай складно виконати своїми руками. Для цих робіт запрошують спеціалістів із необхідною технікою. Всі дії виконуються згідно заздалегідь розрахованим параметрам, готову свердловину або колектор занурюється трубопровід, проводяться всі інші дії. В результаті повинні залишитися лише два кінці труби, що виходять із землі або свердловини. Згодом вони будуть приєднані до випарника теплового насоса. Після цього приступають до створення контуру з холодоагентом.

Розрахунки та зробити робочі креслення

Насамперед, необхідно зробити розрахунки і зробити робочі креслення. Має бути великий обсяг робіт, виконувати їх навмання недоцільно. Створення проекту допоможе ретельно продумати усі робочі моменти, дозволить вчасно виявити помилки та прорахунки.

Купити обладнання

Другим кроком стане придбання всіх елементів системи, які виготовити самостійно не можна. До них можна віднести компресор, блоки керування, насоси та інші вузли системи.

Складання теплонасосу

Після цього починають безпосередньо створювати теплонасос.Для виготовлення конденсатора потрібно бак з нержавіючої сталі об'ємом близько 120 л. Бак розрізається в поздовжньому напрямку, після половинки треба буде зварити між собою, тому різати треба максимально акуратно. Всередину цього бака треба встановити змійовик з мідної трубки таким чином, щоб рідина, що проходить по ній, не могла змішуватись із вмістом бака.

Для виготовлення змійовика трубку намотують на відрізок труби або інший предмет круглого перерізу з відповідним діаметром. У верхній та нижній частинах бака робляться по 2 отвори для входу та виходу змійовика та теплоносія із системи опалення будинку.

Випарник робиться таким чиномтільки обсяг бака треба брати менше - близько 80 л. Іноді замість металевого бака використовують пластикові ємності, щоб зменшити утворення конденсату на стінках.

Підключення компресора

Для встановлення та підключення компресора рекомендується звернутися до спеціаліста з холодильних установок. При створенні фреонового контуру треба враховувати різні дрібниці та нюанси, які відомі лише досвідченим майстрам. Самостійне виконання паяння контуру загрожує появою неточностей і помилок, які згодом обов'язково дадуть взнаки. Крім того, знадобиться завантажити у систему фреон, що також слід доручити досвідченому фахівцю.

Система трубопроводів

Зібраний контур приєднується до системи трубопроводів з боку випарника та системи опалення будинку з боку конденсатора. Ці роботи досить прості та доступні для самостійного виконання.Підключається блок керування системою, після чого зібраний тепловий насос запускається, перевіряється на працездатність, при необхідності проводиться виправлення помилок та усунення всіх виявлених вад Якщо ніяких нарікань немає, то експлуатація обладнання продовжується в робочому режимі.

Принцип роботи теплового насоса.

Альтернативні джерела енергії в наш час досить актуальні. грунту та передає її воді в системі опалення.

Слід зазначити, що грунт є хорошим джерелом тепла, яке не висікається, оскільки грунт вбирає сонячну енергію та тепло надр. Земля зберігає стабільну температуру незалежно від пори року та погодних умов. від 80С до 120С.

Рис. Схема роботи насоса ґрунт-вода

Конструкція та принцип роботи теплового насоса

Конструкція системи з тепловим насосом земля-вода:

Земляний зонд чи колектор;
Теплообмінник, що транспортує теплову енергію до внутрішнього контуру;
компресор;
Теплообмінник, що передає теплову енергію до системи опалення;
Система опалення та гарячого водопостачання усередині будинку.

Система ґрунтового теплового насоса має у своїй схемі 3 контури. Зовнішній контур знаходиться в землі, збираючи там теплову енергію.А третій контур – це безпосередньо система опалення в будинку, в якій циркулює вода.

За 1 годину циркулює 2-3 м3 теплоносія. Цей теплоносій нагрівається у землі на 5-70С. Земляний зонд теплового насоса грунтує вода, тобто теплообмінник, який закопаний на певну глибину, збирає теплову енергію. І за допомогою теплоносія ця енергія переноситься у тепловий насос, а саме у випарник. Теплоносієм може бути антифриз або суміш води та пропіленгліколю або етиленгліколю. Часто в системі циркулює фреон (холодоагент) у рідкому стані, який у випарнику стискається та перетворюється на газ. Особливістю фреону є те, що він закипає за низької температури. Коли він закипає, то розширюється і пари, що утворюються, потрапляють у конденсатор.

Далі це тепло потрапляє до іншого теплообмінника, в якому вже циркулює вода для системи опалення будинку. Після того як фреон охолонув, він назад перетворюється на рідкий стан, і циркулює в ґрунтовий теплообмінник. Процес починається наново.

Зовнішній теплообмінник пристрою ґрунт вода виглядає як поліетиленова тонкостінна труба, її діаметр може бути 4 см. Приблизний розрахунок довжини змійовика, який закопується, такий: 5 погонних метрів труби відповідає 1 м2 площі будинку. Можна зробити висновок, що якщо площа будинку 150 м2, то довжина змійовика має бути 750 погонних метрів.

Важливо дотримуватись усіх дистанцій. Наприклад, потрібно укладати теплообмінник на 3 метри від будинку чи інших будівель. Глибина, на яку лягає труба, не повинна бути меншою за 1,4 м.

Види колектора грунт вода

Колектор ґрунтового теплового насоса може бути двох видів (рис. 2):

Мал. 2 Види колекторів для ґрунтових насосів: вертикальний та
горизонтальний

Вертикальний колектор – це довгий трубопровід, опущений у довжину свердловину, якої становить від 40 до 150 м. Цей вид теплообмінника кращий за горизонтальні тим, що на такій глибині температура більша. Якщо свердловина дуже глибока, то теплообмінник оснащується ще захисною обсадною трубою, а якщо глибина порівняно не велика, то це не обов'язково. Але значним недоліком такого способу розміщення колектора є висока вартість такої свердловини.

Звісно, фахівці рекомендують бурити свердловину глибше. Але якщо техніка чи ґрунт не дозволяють, то можна зробити кілька свердловин. Наприклад, можна зробити одну свердловину завглибшки 80 м, а можна 4 свердловини по 20 м. Головне, щоб сумарний результат вийшов достатнім для опалення будинку. Можливо кам'янистий грунт, з якого досить важко працювати, в ньому можна пробурити свердловини трохи більше 15-20 метрів.

Горизонтальний колектор (рис. 3) – цей вид ґрунтового колектора для насоса ґрунт вода виглядає як трубопровід, який викладений у горизонтальному положенні на певну глибину, під шаром землі. Цей колектор легко встановлюється.

Мал. 3 Зовнішній контур насоса ґрунт-вода

Площа, на яку встановлюється колектор земляного теплового насоса, досить велика на відміну від вертикального варіанту, на який потрібен невеликий шматочок землі. Як правило, горизонтальний теплообмінник займає від 25 до 50 м2, а може і більше, дивлячись яка опалювальна площа. Негативним фактором цього варіанта є те, що територія з цим колектором може використовуватись лише під газон.

В залежності від різних причин теплообмінник може укладатися зигзагом, петлями, змійкою і т.д.Дуже важливо, яка теплопровідність у ґрунту, в який встановлюється теплообмінник. Це залежить від якості землі, наприклад, якщо грунт вологий, то теплопровідність більша, а якщо грунт піщаний, то теплопровідність маленька. Якщо є багато петель у теплообміннику, то в комплектації обов'язково має бути циркуляційний насос.

Переваги та недоліки насосів грунт вода

Тепловий насос ґрунт-вода мають такі переваги:

Автономність встановлення. Насос грунт вода не залежить від енергоносіїв, для споживання цієї теплової енергії не потрібні жодні дозволи та проекти.
Екологічність. Теплові насоси – це установки, від яких немає шкідливих викидів в атмосферу, а також використовується невичерпна енергія Землі.
Безпека. Це опалення безпечне, тому що максимальна температура тут досягає 600С, а значить обладнання пожежобезпечне та вибухонебезпечне.
Універсальне встаткування. Грунтовий насос можна використовувати разом із газовим або іншим котлом.
Невеликі витрати при експлуатації ґрунтового насоса. Установка грунту вода не потрібна додаткове обслуговування.

Недоліки земляних теплових насосів:

Висока ціна. Сама по собі установка коштує досить дорого, а також щоб її встановити, потрібні великі витрати. Робота спецтехніки, встановлення теплообмінника та ін. це все дорогі послуги. Це обладнання набагато дорожче за котельне обладнання.
Термін експлуатації ґрунтового насоса становить близько 25 років. З такою вартістю це не так уже й багато. Після цього терміну, зазвичай, необхідний або ремонт, або буріння іншої свердловини.

Опалення тепловим пристроєм грунт вода

Кваліфіковані фахівці рекомендують при встановленні земляного теплового насоса облаштувати в будинку систему теплих підлог.

Будинок має бути підготовленим, тобто повністю утепленим. Оскільки чим краще утеплений будинок, тим менше буде теплових втрат. потрібно вжити всіх заходів, щоб тепло не виходило.

Якщо на ділянці де встановлюється змійовик, проходить водопровідна труба, то турбуватися не варто, тому що ніякого впливу на неї ґрунтовий теплообмінник не надаватиме.

Звичайно, цільної труби для земляного колектора такої довжини не знайти, тому вони встановлюватимуться бухтами, і між собою з'єднуватимуться спеціальними муфтам (рис. 4) і, як правило, бухти довжиною 100-200 м.

Рис. З'єднання труб муфтами у земляному колекторі

Тепловий насос земля-вода живиться від електричної мережі 220В або 380В. Так як циркуляційний насос працює тільки від електрики. 4-5 кВт теплової енергії.

Теплоносій для теплового насосу

Фреон – це речовина, яка відноситься до штучних синтезованих газів.Коли фреон нагрівається до +30С, він починає закипати та переходить у газоподібний стан. У компресорі він стискується до 26 атмосфер.

Мал. 5 Вхід труб зовнішнього контуру до будинку

Саме під впливом такого тиску температура цих газів піднімається до +600С, котрий іноді до +750С. Але коли відбувається тепловіддача воді у системі опалення, то губиться від 10 до 150°. Віддавши тепло, фреон остигає, показник тиску опускається до 4 атмосфер. Це так званий ефект дроселювання. Далі відбувається повне охолодження до 00С і фреон переходить знову в рідкий стан.