Трубы для теплового насоса

Если вы решили обогревать свой загородный дом при помощи теплового насоса, обращайтесь в компанию «Гидроинжстрой» по телефону (495) 648-65-65 и заказывайте отопление тепловым насосом. Наши специалисты, много лет работающие в сфере автономного теплоснабжения, разработают для Вас грамотный проект, подберут надежное оборудование, выполнят все необходимые земляные работы (при необходимости – пробурят скважину) и качественно смонтируют все элементы системы.

Существует множество вариантов отопления загородного дома. Но в последнее время все большее число людей обращают свои взоры на системы, источниками тепла для которых служат земля, вода и воздух. Оно и понятно: идея использовать себе во благо бесплатную энергию – весьма привлекательна. Для того чтобы перенести природное тепло в дом используются устройства, называемые тепловыми насосами.

Экономичность – главное достоинство отопления тепловыми насосами

Главный пункт в списке достоинств тепловых насосов – экономичность. Тепловой насос не может работать без электропитания, но, потребляя 1 кВт электрической энергии, он выдает до 5 кВт энергии тепловой (у электрокотла, например, это соотношение 1:1). Столь эффективная работа теплового насоса объясняется тем, что потребляемая электрическая энергия не преобразуется в тепловую (как в случаях с электрокотлом и электроотопительными приборами), а используется для переноса тепла «с улицы» в дом.

Типы тепловых насосов

В зависимости от типа источника, у которого отбирают энергию тепловые насосы, их можно разделить на два класса – воздушные и геотермальные. Воздушные тепловые насосы, как следует из их названия, отбирают тепло у воздуха. Геотермальные – используют тепло грунта, подземных (грунтовых, артезианских, термальных) и поверхностных (море, озеро, река, пруд) вод.

По источнику тепла и нагреваемой среде тепловые насосы делятся на следующие типы: «воздух–вода», «грунт–вода», «вода–вода», «воздух–воздух», «грунт–воздух», «вода–воздух». То есть тепловой насос может передавать тепло от воздуха, грунта и воды воздуху в отапливаемом помещении, рабочей жидкости (вода, антифриз) отопительной системы или воде в системе горячего водоснабжения.

Воздушный тепловой насос

Создать наиболее экономичную (с точки зрения первоначальных затрат) систему отопления на основе теплового насоса позволяет вариант с тепловым насосом типа «воздух–воздух». Такая система отопления состоит из внешнего (испарительного) и внутреннего (компрессорно-конденсаторного) блоков.

Принцип работы воздушного теплового насоса заключается в том, что через один теплообменник (испаритель) хладагенту передается тепло наружного воздуха, а через другой (конденсатор) – хладагент отдает тепловую энергию воздуху в помещении или теплоносителю (тепловой насос типа «воздух–вода»).

Уязвимое место воздушных тепловых насосов – высокая зависимость их производительности от температуры наружного воздуха. С максимальной эффективностью воздушный тепловой насос работает до –15°C, но уже, например, при температуре наружного воздуха в –20°C его производительность может составить 40% от номинального значения. В связи с этим воздушный тепловой насос не может рассматриваться как единственный источник тепла для обогрева дома – он обязательно должен дублироваться резервным теплогенератором.

Геотермальный тепловой насос

Более эффективна, чем теплонасосная установка воздушного типа, система отопления на основе геотермального теплового насоса, «качающего» тепло из грунта или воды. Организация такой системы потребует гораздо бoльших затрат, чем воздушная, но высокие надежность и эффективность работы первой того стоят.

Тепло от грунта и поверхностной воды

Одним из элементов геотермальной системы является коллектор – пластиковая труба, уложенная на дне водоема или зарытая в грунте ниже глубины промерзания. По этой трубе, которая может укладываться различными способами (например, змейкой или петлей), циркулирует антифриз, собирающий грунтовое тепло или тепло воды. В испарителе хладагент, перешедший в газообразное состояние, забирает это тепло, а затем, после сжатия в компрессоре и перехода в жидкое состояние в конденсаторе, передает тепловую энергию системе отопления.

Тепло из скважины

Если поблизости от вашего дома нет открытого водоема, а площадь земельного участка не позволяет уложить горизонтальный коллектор, придется бурить скважину и устанавливать в нее коллектор вертикальный. Это U-образная конструкция из двух труб с антифризом внутри, называемая еще зондом. В скважину опускают один или два зонда, а пространство между трубами и грунтом заполняют специальным раствором. Отметим, что в некоторых случаях выгоднее бурить не одну скважину, а несколько. Главное, чтобы сумма глубин всех скважин соответствовала расчетной глубине.

Тепло из скважины может отдавать не только грунт, но и вода. Из всех источников тепла именно грунтовая вода отличается наибольшей теплоотдачей. Поэтому тепловой насос, источником тепла для которого служит вода из скважины, является одним из самых эффективных тепловых насосов.

Для реализации схемы с отбором тепла у грунтовой воды коллектор не потребуется – скважинная вода будет отдавать тепло, проходя через теплообменник теплонасосной установки. Поэтому тут потребуется пробурить две скважины – одну для забора воды, другую – для ее слива.

Режимы работы: сольный или комбинированный?

Как уже говорилось выше, работа теплового насоса воздушного типа должна быть подстрахована дополнительным источником тепла. Геотермальные тепловые насосы вполне могут обойтись без такого резерва и самостоятельно справиться с решением задачи по отоплению вашего жилища (в этом случае принято говорить о моновалентном режиме работы теплового насоса). Но довольно часто система отопления проектируется под бивалентный режим функционирования теплового насоса – то есть в комбинации другим теплогенератором.

Дело в том, что мощность теплового насоса можно рассчитать с учетом наиболее низких температур наружного воздуха. Для Москвы, например, минимальная расчетная температура равняется –26°C. Но очень низкая температура воздуха – дело нескольких дней. Значит все остальное время (а это бoльшая часть отопительного сезона) тепловой насос не будет использовать все свои силы, на наращивание которых, между прочим, пользователем было потрачено немало средств. Поэтому выгоднее иметь тепловой насос меньшей мощности, а в самые морозные дни использовать другой источник тепла.

Низкотемпературная система отопления

Учитывая тот факт, что тепловой насос не нагревает теплоноситель выше 75°C, идеальными устройствами для передачи тепла в помещения дома будут системы напольного или настенного отопления. Они способны эффективно обогреть помещение, используя теплоноситель с низкой (не более 60°C) температурой. Кроме того, в системе с тепловыми насосами могут применяться конвекторы с биметаллическим (медно-алюминиевым) теплообменником и стальные панельные радиаторы.

Тепловой насос или традиционная система отопления?

Тема тепловых насосов не обходится без упоминания их главного недостатка – высокой стоимости оборудования и монтажных работ. Действительно, первоначальные затраты на тепловой насос маленькими не назовешь, но все, как говорится, познается в сравнении. Основную конкуренцию тепловому насосу составляет газовый котел. Если газопровод, к которому вам необходимо подключиться, проложен в метре от вашего участка, то выбор очевиден – газовый котел. Однако если газовую трубу необходимо тянуть издалека, то затраты на организацию отопительной системы на основе теплового насоса вовсе не покажутся большими.

Что касается других видов традиционных отопительных систем, то они проигрывают тепловому насосу либо в экономичности работы, либо в уровне автоматизации. Например, электрокотел – это большой расход дорогостоящей электрической энергии, а твердотопливный теплогенератор довольно часто надо «подкармливать» дровами или углем. Постоянного контроля со стороны человека требует и система отопления на жидком топливе (пожароопасность). Из дома же с работающим тепловым насосом можно уехать на довольно продолжительное время, не опасаясь временных перебоев в электроснабжении (после возобновления электроподачи тепловой насос продолжит работу, сохранив все прежние настройки).

Достоинства теплового насоса

Главное преимущество теплового насоса перед традиционными системами отопления заключается в высокоэкономичной работе. Но у теплового насоса есть и другие достоинства:

В условиях ухудшения экологической обстановки в мире и (что более актуально для рядового потребителя) стремительного роста тарифов на газ и электричество все больше европейцев старается внедрить в свою повседневную жизнь системы, использующие альтернативные источники энергии. Один из вариантов подобных систем – так называемый тепловой насос, посредством которого можно отапливать свое жилище в зимний период и нагревать воду для бытовых нужд, расходуя на это минимум электроэнергии.

В домах наших соотечественников в последние годы тоже все чаще можно встретить это чудо инженерной мысли. Конечно, для россиян проблема высоких цен на традиционные энергоносители пока стоит не так остро, как в Европе, но, во-первых, это лишь до поры до времени, а во-вторых, не хочется отставать от цивилизованного мира…

Итак, тепловой насос… Что это такое? На чем основан принцип его действия? Откуда, куда и как он перекачивает тепло? Давайте разбираться.

Принцип работы теплового насоса

Принцип действия тепловых насосов основан на способности вещества (хладагента) поглощать или отдавать тепло при изменении агрегатного состояния. По своей сути такие насосы мало чем отличаются от холодильных установок. (Это странное, на первый взгляд, утверждение нисколько вас не удивит, если вы хоть раз дотрагивались до горячей задней стенки обычного бытового холодильника.)

Схематично тепловой насос может быть представлен в виде системы, состоящей из трех контуров. В первом находится теплоноситель, переносящий энергию от источника низкопотенциального тепла. Во втором контуре циркулирует хладагент (фреон), который периодически то испаряется, отбирая тепло у первого контура, то вновь конденсируется, отдавая его третьему контуру. И, наконец, по третьему контуру «бегает» теплоприемник, в нашем случае – вода, переносящая тепло по системе отопления.

Рабочий цикл теплонасоса в общих словах может быть описан следующим образом. Жидкий хладагент поступает в испаритель, где переходит в газообразное состояние. Необходимая для протекания этого процесса энергия отбирается у теплоносителя, циркулирующего в первом контуре. Далее подогретый на несколько градусов газообразный хладагент всасывается в компрессор, главное назначение которого – сжатие газа (на совершение этой работы, разумеется, расходуется электроэнергия).

Давление газа возрастает в несколько раз, при этом он существенно разогревается: если на входе в компрессор температура хладагента составляет 6-10°C, то на выходе уже около 60°C. На следующей стадии разогретый газ направляется в конденсатор, где отдает полученное тепло системе отопления, сам же при этом конденсируется, т.е. переходит в жидкое состояние. Затем избыточное давление сбрасывается с помощью дроссельного клапана, и цикл начинается заново.

Как видите, устройство теплового насоса не отличается принципиально от устройства холодильной машины. Просто основным назначением холодильных установок является генерирование холода, поэтому там отбор теплоты производится испарителем, а конденсатор лишь сбрасывает эту теплоту в окружающее пространство. В тепловом же насосе картина обратная: конденсатор представляет собой теплообменный аппарат, отдающий теплоту потребителю, а испаритель – это теплообменник, утилизирующий низкопотенциальную теплоту вторичных энергоресурсов.

Другими словами тепловой насос – это «холодильник наоборот». При этом «наоборот» не только устройство, но и результат. Если в случае холодильника тепло, отнимаемое у хранящихся внутри продуктов, выбрасывается впустую, то энергия, вырабатываемая тепловым насосом, приносит реальную пользу – тратится на целенаправленный обогрев дома.

Разновидности тепловых насосов и систем

Тепловая энергия, расходуемая на отопление здания и систему горячего водоснабжения, является результатом преобразования энергии окружающей среды, осуществляемого с помощью теплового насоса. Насос концентрирует эту низкопотенциальную (низкотемпературную) энергию и передает ее системе отопления.

Осталось разобраться, что в данном случае подразумевается под энергией окружающей среды. Большинство тепловых насосов бытового назначения позволяют использовать тепло Солнца и внутреннее тепло Земли, накапливаемые верхними слоями земной коры и водой в течение всего года.

По типу конструкции первого контура теплообменника все тепловые насосы делятся на грунтовые, водяные и воздушные.

Грунтовые тепловые насосы

Грунтовые тепловые насосы получают тепло, необходимое для подогрева хладагента в испарителе, от грунта. Температура последнего на глубине нескольких метров практически не подвержена сезонным колебаниям. По замкнутой системе труб, размещенных в грунте, циркулирует «рассол». Слово «рассол» мы не случайно взяли в кавычки: соли, как этого можно было бы ожидать исходя из названия, он не содержит. На самом деле это антифриз на основе этиленгликоля или пропиленгликоля, реже водного этанола. Трубы теплообменника могут быть уложены в грунте как горизонтальным (горизонтальный коллектор), так и вертикальным (геотермальный зонд) способом.

Трубы горизонтального коллектора укладываются в землю на глубине ниже уровня промерзания грунта в данном регионе (обычно 1.5-2 м). Теплообменная система этого вида занимает достаточно большую площадь. Например, для обеспечения теплом сравнительно небольшого дома площадью 100 м 2 потребуется выделить 2-3 сотки земли. Следует принять во внимание, что на территории, занятой коллектором, можно садить лишь те деревья и кустарники, корни которых не уходят в почву слишком глубоко, а располагать здесь какие-либо постройки и вовсе нельзя.

Геотермальный зонд – это теплообменник, трубы которого располагаются вертикально и погружены в грунт на глубину до 100-200 м. Количество устанавливаемых зондов зависит от требуемой мощности установки. Для обогрева дома, уже рассматриваемого нами выше в качестве примера, достаточно будет двух зондов длиной около 80 м, расположенных на расстоянии 5 м друг от друга.

Как видите, для размещения этой системы не требуется больших площадей, вы можете пробурить скважины в любой части вашего участка – там, где вам это удобно. Главный недостаток грунтовых тепловых насосов с геотермальными зондами – высокая стоимость работ по бурению скважин. Однако, невзирая на это, большинство пользователей отдает предпочтение именно этим системам, ведь геотермальные зонды обладают большей эффективностью, чем горизонтальные коллекторы, и имеют при этом меньше ограничений.

Бурение скважины для геотермального зонда.

Водяные тепловые насосы

Водяной тепловой насос «черпает» энергию грунтовых вод, которые прокачивает через свой испаритель. Подобная система отличается повышенной эффективностью и неплохой стабильностью: первая характеристика является результатом высокой теплоотдачи воды, вторая обусловлена постоянством температуры грунтовых вод.

Разумеется, чтобы использовать установку такого типа, требуется, чтобы эти самые грунтовые воды имелись на вашей территории, причем в достаточно большом количестве. Очень желательно, чтобы водоносный слой располагался не глубже 30-40 м. Одновременное выполнение этих двух условий – явление нечастое. Еще одним условием, невыполнение которого может стать препятствием для установки водяного теплонасоса в вашем доме или коттедже, является низкое содержание в грунтовых водах солей железа и прочих примесей.

Использование воды низкого качества приведет к тому, что оборудование быстро выйдет из строя, поскольку теплообменник попросту забьется. Наличие такого количества ограничений является причиной того, что подобные тепловые насосы, несмотря на всю их привлекательность, устанавливают нечасто (около 5% от всех реализованных проектов).

Воздушные тепловые насосы

С точки зрения простоты монтажа воздушные тепловые насосы обладают огромным преимуществом перед своими «собратьями». Для использования окружающего воздуха в качестве источника тепла вам не придется бурить скважины или проводить какие-то другие крупномасштабные грунтовые работы. В результате, если заложить в смету стоимость работ по установке оборудования, воздушный насос обойдется вам значительно дешевле, чем водяной или грунтовый.

Несмотря на столь весомое достоинство, идеальным этот вид климатического оборудования не назовешь, поскольку есть у него и существенный недостаток. Такой насос эффективно работает лишь при температуре окружающего воздуха выше –15°C…–20°C. Падение температуры ниже этой границы, что в зимний период не является редкостью в большинстве регионов нашей страны, ведет к существенному уменьшению коэффициента эффективности воздушного теплонасоса.

Коэффициент эффективности тепловых насосов

Чуть выше мы использовали новый термин – «коэффициент эффективности». Было бы неправильно не пояснить, что это такое, тем более что это важная характеристика тепловых насосов, позволяющая сравнивать насосы разных типов между собой.

Коэффициент эффективности (называемый также коэффициентом трансформации) – это отношение выработанной насосом тепловой энергии к потребленной им электрической. По сути это КПД теплового насоса. В случае водяных теплонасосов этот коэффициент равен 5 вне зависимости от времени года. Это означает, что при потреблении 1 кВт*ч электроэнергии установка вырабатывает 5 кВт*ч тепловой энергии.

У грунтовых насосов величина коэффициента эффективности чуть ниже – от 4 до 4.5. И, наконец, самым маленьким коэффициентом характеризуются воздушные тепловые насосы, при этом их эффективность сильно зависит от температуры окружающего воздуха: при 0°C величина коэффициента равна

3.5, а при –20°C он уже не превышает 1.5 (при такой низкой эффективности насос попросту не окупится, и имеет смысл подумать о приобретении более дешевого климатического оборудования, например электрического котла).

Некоторые менеджеры, рекламируя реализуемые ими тепловые насосы, уверяют потенциальных клиентов в том, что данное оборудование имеет КПД 400-500%. Разумеется, ни о каком нарушении законов термодинамики речи не идет. Просто в данном случае расчеты намеренно делаются неправильно: не учитываются источники энергии, отличные от потребляемого электричества, – воздух, вода или грунт, нагретые Солнцем и геотермальными процессами. Когда при расчете КПД учитывают только электроэнергию и забывают про источник низкопотенциального тепла, как раз и получается величина больше 100%.

Применение тепловых насосов в условиях российского климата

Познакомившись с приведенными выше описаниями различных типов тепловых насосов, вы без труда сами сможете ответить на вопрос, какой насос больше всего подходит для эксплуатации в условиях российского климата.

Воздушные тепловые насосы пригодны для применения лишь в ограниченном числе регионов нашей страны – там, где температура воздуха зимой почти не опускается ниже нулевой отметки. Разумеется, жителям Сибири, Дальнего Востока, севера европейской части России о воздушных тепловых насосах не стоит и размышлять.

Для применения водяных тепловых насосов есть много ограничений. О некоторых из них мы уже рассказывали, осталось упомянуть еще об одном. Более половины территории нашей страны находится в зоне вечной мерзлоты. Если даже какому-нибудь жителю Восточной Сибири или севера Дальнего Востока «повезло», и на его участке есть грунтовые воды, залегающие не слишком глубоко, то все равно эти грунтовые воды находятся в виде льда, а значит, не пригодны для использования в системе отопления.

Таким образом, большинству наших соотечественников приходится рассчитывать на единственный, беспроигрышный, вариант – грунтовый тепловой насос. При этом в условиях российского климата больше подойдет насос не с горизонтальным коллектором, а с геотермальным зондом, позволяющим достигнуть глубины, где температура грунта более стабильна.

Применение теплового насоса для охлаждения

Огромным достоинством тепловых насосов является то, что они способны не только отапливать дом, но и при необходимости охлаждать его. Наше короткое российское лето порою бывает очень жарким, и, когда ваше жилище буквально раскаляется, предложение превратить обогреватель в кондиционер будет очень кстати.

Техническое решение этого вопроса может быть интегрировано в тепловой насос изначально, на стадии изготовления, и практически у всех производителей имеются линейки насосов, умеющих кондиционировать помещение (режим Natural Cooling). Если ваш тепловой насос не обладает такими способностями, не все еще потеряно – работать на охлаждение может и обычный насос. Необходимое для этого дополнительное оборудование в виде гидравлической развязки будет смонтировано вне насоса. Оба варианта не требуют больших капиталовложений.

Нести генерируемый тепловым насосом холод непосредственно в помещение можно разными способами. Эта функция может быть возложена на холодные панели на стенах или потолке, охлаждающий теплый пол, радиаторы отопления с хорошим обдувом или же фанкойл – устройство, в чей корпус встроен обдуваемый вентилятором пластинчатый теплообменник.

Применение теплового насоса для горячего водоснабжения

Любой тепловой насос способен не только обогревать ваше жилище, но и круглогодично снабжать вас горячей водой. Однако следует учитывать, что эта система является низкотемпературной, а значит, температура воды в бойлере не превысит 45-55°C. Из этого следует, что объем бойлера должен быть больше, чем при использовании стандартной системы отопления, в противном случае вам и вашим домочадцам придется жить в условиях жесткой экономии горячей воды.

Данный факт следует учитывать при выделении площади для котельной, т. е. еще на стадии проектирования дома. Также при выборе бойлера нужно принимать во внимание, что это должно быть специальное оборудование, рассчитанное на работу с теплонасосными установками. Главное отличие такого бойлера от обычного – увеличенная площадь теплообменника, необходимая для максимально эффективной передачи тепла от теплового насоса.

Тепловые насосы со встроенным ТЭНом

Нередко производители встраивают в свои тепловые насосы дополнительные электрические нагреватели. Встроенный ТЭН позволяет в случае необходимости перейти на альтернативный с точки зрения теплового насоса источник энергии – электричество. Для чего это нужно? В каких случаях возникает потребность задействовать ТЭН?

Подбор теплового насоса для отопления дома осуществляется с учетом различных параметров, в том числе и климатических особенностей региона. При этом считается нецелесообразным устанавливать насос с избыточной мощностью. Дело в том, что экстремально холодные дни случаются не так уж и часто, по крайней мере, в центрально-европейской части России. Практика показывает, что более экономичным вариантом будет «добрать» в эти морозные периоды необходимую мощность электричеством, чем изначально устанавливать более мощный насос. Наличие ТЭНа исключает необходимость делать систему более мощной, чем это требуется большую часть отопительного сезона.

Для владельцев водяных и грунтовых тепловых насосов встроенный ТЭН – скорее излишество, чем необходимость. Совсем иначе выглядит ситуация с воздушными теплонасосами. При температуре воздуха –20°C и ниже такой насос, если и не отключится, будет малоэффективен. И пусть холодных дней и ночей в году не очень много, совсем не хочется в один прекрасный момент остаться в стремительно вымерзающем доме. Наличие дублирующего теплогенератора в данном случае никак не назовешь роскошью.

Воздушный тепловой насос.

Советы и рекомендации

Тепловой насос – оборудование технически сложное и достаточно дорогое, поэтому подходить к его выбору следует с большой ответственностью. Чтобы не быть голословными, приведем несколько вполне конкретным рекомендаций.

1. Никогда не приступайте к выбору теплового насоса без предварительного проведения расчетов и создания проекта. Отсутствие проекта может стать причиной фатальных ошибок, исправить которые можно будет лишь с помощью огромных дополнительных финансовых вложений.

2. Доверить проектирование, монтаж и сервисное обслуживание теплового насоса и системы отопления следует только профессионалам. Как убедиться в том, что в данной компании работают профессионалы? В первую очередь, по наличию всей необходимой документации, портфолио реализованных объектов, сертификатов от поставщиков оборудования. Очень желательно, чтобы весь комплекс необходимых услуг предоставляла одна компания, которая в данном случае будет нести полную ответственность за реализацию проекта.

3. Советуем вам отдать предпочтение тепловому насосу европейского производства. Пусть вас не смущает тот факт, что он дороже китайского или российского оборудования. При включении в смету стоимости работ по монтажу, запуску и отладке всей системы отопления разница в цене насосов будет практически незаметна. Но зато, имея в своем распоряжении «европейца», вы будете уверены в его надежности, поскольку высокая цена насоса – это лишь результат использования при его создании современных технологий и высококачественных материалов.

Грунтовой геотермальный тепловой насос для отопления дома обеспечивает в нашем климате значительно более низкую стоимость отопления, чем водяная система. Существенное влияние на его эффективное действие, имеет правильно спроектированный и изготовленный грунтовый теплообменник.

Для кого разрабатываются геотермальные тепловые насосы.

Когда отопительная система еще находится в стадии проекта, не проблема настроить ее параметры для каждого теплового насоса.

Как правило, не существует препятствий для выполнения теплообменника, необходимого для получения тепла из грунта.

Необходимо знать, что тепло в грунте на глубине 1,5 м, поставляется почти исключительно из атмосферных осадков и солнечной энергии. Так что поверхность над теплообменником, по возможности, должна быть свободна и должна пропускать воду. Не допускается посадка на нем растений, корни которых могут в будущем повредить трубу.

Также нужно брать во внимание то, что действие теплового насоса приводит к снижению температуры почвы на несколько градусов, что нарушает вегетацию растений. В связи с этим монтаж грунтового теплового насоса на благоустроенной даче, часто слишком громоздок.

Геотермальные тепловые насосы — нужно ли разрешение на строительство или уведомление?

Среди перечисленных в действующем законодательстве строительных работ, выполнение которых не требует разрешения на строительство или уведомления, является установка теплового насоса. Но это не касается теплообменника. Но поскольку от обязанности получения разрешения освобождаются индивидуальные очистные сооружения сточных вод, требующие выполнения аналогичных земляных работ, то при строительстве горизонтального теплообменника в земле, на практике, также разрешение на его строительство может не потребоваться (лучше уточнить это в районных городских управлениях). Иначе, достаточно сообщить о намерении построить и подождать 30 дней для получения согласования.

Земляные работы, связанные с монтажом такой установки могут подлежать ограничениям, предусмотренным водным кодексом, в случае проведения работ в защитной зоне водозабора.

А постройка вертикального теплообменника производится в соответствии с положениями законов геологического и горного Права. В этом случае требуется разработка проекта геологических работ, который необходимо предоставить в компетентные органы администрации не позднее, чем за восемь недель до предполагаемого срока начала работ.

Собираясь проводить буровые работы необходимо подать пакет документов с заявкой в компетентные органы Государственной администрации, не позднее, чем за две недели до предполагаемого срока их начала. Бурение может быть выполнено только лицами с соответствующей квалификацией, в соответствии с выданным ордером на земляные работы.

Геотермальные тепловые насосы в нашем климате.

Температура грунта более стабильна, чем воздуха, поэтому грунтовой тепловой насос не должен работать в широком диапазоне температур испарителя и его компоненты могут быть благодаря этому дешевле, чем воздушного насоса, с хорошими параметрами. На некоторой глубине под поверхностью земли, называемой глубиной промерзания, температура всегда выше 0 градусов по Цельсию.

Глубина промерзания грунта в России нормируется СНиП 2.01.01-82, в котором эта глубина варьируется от 0,8 м до 2,4 м. Применяется также расчетный метод. На местном уровне, температура грунта может отличаться от этих значений (грунт может быть охлажден, например, от сильного ветра). Однако, на глубине большей, чем 1,5 м грунт всегда имеет плюсовую температуру. Чем глубже, тем температура грунта более стабильна – его не охлаждает холодный воздух, но он и меньше нагревается в результате воздействия солнечных лучей.

Как действует грунтовой тепловой насос? Принцип работы.

Для получения тепла из грунта нужен грунтовый теплообменник. Для этого просто помещается в землю труба, образующая петлю, в которой циркулирует жидкость — в народе ее называют рассолом. Петля (на практике их бывает несколько) проходит через испаритель теплового насоса, где температура рассола понижается и становится ниже, чем температура грунта. Проходя далее по трубе в земле, рассол постепенно нагревается. В конце снова попадает в испаритель, где отдает тепло.

Таким образом, рассол является посредником в обмене разницы температур между почвой и испарителем насоса.

Теплообменник может быть горизонтальный или вертикальный. В выборе решения помогает размер земельного участка – для изготовления горизонтального теплообменника требуется несколько сотен квадратных метров, а на вертикальные зонды достаточно несколько десятков.

Важно, чтобы объем теплообменника был большим – на весь отопительный сезон насос получает из грунта несколько мегаватт-часов тепла. Если он слишком мал, то подвергается чрезмерному охлаждению и, как следствие, насос не может правильно работать. Система управления грунтового теплового насоса, как правило, выключает его, когда температура рассола снижается до -7°С, потому что ниже этого значения ход процессов в контуре чрезмерно нарушается.

Грунтовой тепловой насос с горизонтальным теплообменником.

В случае теплообменника из труб расположенных горизонтально, оптимальной считается глубина 0,2 — 0,5 м ниже границы промерзания. Однако, если на относительно небольшой глубине находится водоток, то лучшим решением является размещение труб именно в нем. Тогда тепловой насос достигает более высокого коэффициента производительности Кп.

Трубы горизонтального теплообменника укладываются в заранее подготовленном котловане с размерами, соответствующими требуемой поверхности теплообменника. Ведут их в виде змеевика (изгибами) по всей поверхности котлована, с соблюдением определенных интервалов между соседними участками. Интервалы не должны быть меньше, чем 0,4 м и не больше, чем 1,2 м с учетом вида грунта, из которого вытекает его способность к „регенерации” (добавления тепла). Чем дольше поверхность грунта замерзшая, тем больше должен быть интервал.

Нужно помнить, что тепловая мощность теплообменника не вытекает из длины трубы, только от поверхности грунта, на котором она уложена. Небольшие зазоры не позволяют получать от него большего количества тепла, по причине необходимости применения длинной трубы. Это выражается в большей стоимости инвестиций, а также эксплуатации, потому что для перекачивания рассола через длинную трубу, необходим циркуляционный насос с большей мощностью. Из-за этого слишком большого зазора между трубами происходит то, что тепло не поступает в проектном количестве, так что мощность теплообменника получается меньше.

Проект грунтового теплообменника.

Проектирование грунтового теплообменника соответствующего размера — это ключ к правильной работе теплового насоса. Для расчета необходимой его величины требуется информация о требуемой мощности теплового насоса. Если ее нет в технических характеристиках устройства, то достаточно знать, что она соответствует тепловой мощности, уменьшенной на мощность компрессора. Если мы не знаем, какую мощность имеет компрессор, но у нас есть информация о коэффициенте производительности Кп, то мощность охлаждения вычислим с достаточной точностью по формуле:

Qохл = (Кп – 1)/Кп • Qотопл.

Нужно обратить внимание, чтобы подставленные значения были достигнуты при температуре, соответствующей той, которая царит как в грунте, так и в отопительной системе во время работы насоса на полную мощность (например, 0/35 – температура рассола 0 градусов Цельсия, системы отопления 35 градусов Цельсия).

Расчет поверхности теплообменника горизонтального грунтового теплового насоса.

Сила, с которой грунтовый теплообменник передает тепло, зависит от типа почвы, а именно от ее влажности. В зависимости от этого, для расчета поверхности горизонтального теплообменника принимают следующие значения тепловой мощности грунта qg (для полиэтиленовых труб):

• песчаный сухой – 10 Вт/м2
• песчаный, влажный – 15-20 Вт/м2
• глинистый сухой – 20-25 Вт/м2
• глинистый, влажный – 25-30 Вт/м2
• мокрый (водоносный) – 35-40 Вт/м2.

Конечно, это ориентировочные значения.

Трудно оценить, является ли грунт таким же по всей области, предназначенной на теплообменник до тех пор, пока не начнут его строить, поэтому для расчета лучше принять меньшее значение. В правильно сделанной системе компрессор теплового насоса работает от 1800 до 2400 часов в год, производительность тепла грунта приводит к удлинению рабочего времени.

Поверхность теплообменника рассчитывают по формуле:

Пример: потребность дома в энергии для отопления составляет 14 кВт, и насос будет их удовлетворять в полном объеме (должен работать в системе моновалентной). Выбранное устройство получает тепловую мощность (отопления) 14 кВт для параметров 0/35, достигая при этом коэффициента эффективности Кп = 4,5. Мощность охлаждения составляет, следовательно, Qохл = (4,5-1)/4,5 • 14 = 10,9 кВт, то есть 10900 W. Теплообменник должен быть изготовлен в грунте, глинистом сухом, поэтому его площадь должна составлять А = 10 900/20 = 545 м2. Обращается внимание на то, что в случае водоносного грунта теплообменник может быть в два раза меньше, но если грунт песчаный, то его площадь займет более 1000 м2. В такой ситуации лучшим решением является размещение труб по вертикали.

Теплообменник вертикального грунтового теплового насоса.

Тепловой насос достигает более высокого коэффициента производительности Кп, когда трубки теплообменника располагаются в земле вертикально – на глубине 40-150 м. Это связано с тем, что на глубине ниже 10 м температура грунта составляет круглый год примерно 10 градусов Цельсия – то есть зимой почти на десять больше, чем на глубине 1,5 метра.

Выполнение теплообменника вертикального, однако, явно дороже, чем горизонтального. Это вертикальные отрезки трубы, образующей петлю (труба проходит вниз через отверстия, на дне она разворачивается и ведется вверх). Их называют геотермальными зондами. В этом случае рассчитываются не по площади, а по общей длине теплообменника, состоящей обычно из более, чем одного зонда.

В вертикальных скважинах помещают по одной или по две пары труб (зонда типа U или Y). Введение трубы для скважины облегчает головка – элемент, соединяющий вертикальные трубы, который могут быть приспособлен для использования дополнительной трубы для заполнения. В отверстия вталкивают головку, а вместе с ней и трубы теплообменника. Затем в скважину заливается жидкий бетон.

В теплообменнике типа Y в одной трубе жидкость течет вниз к головке, а в другой с нее возвращается. В теплообменнике типа двойной U – течет двумя трубами вниз и двумя вверх.

Расстояние между точками бурения глубиной до 50 м не должно быть меньше 5 м, а в случае более глубоких от 8 до 15 метров. Должны быть расположены на линии, перпендикулярной к направлению потока воды.

Расчет длины теплообменника вертикального грунтового теплового насоса.

В этом случае важным является то, как вместе с глубиной изменяются свойства грунта. Сведения могут предоставить геологические карты и документация скважин, ранее сделанных вблизи. На этой основе можно оценить толщину отдельных слоев грунта и вычислить среднее значение коэффициента теплопроводности для области, в которой должны быть размещены трубки теплообменника.

Расчеты, однако, не в состоянии учесть всех движений грунтовых вод и на практике часто случается, что полученный результат значительно отличается от реальности. Чтобы иметь уверенность в том, что вертикальный теплообменник будет работать должным образом, необходимо произвести исследование грунта в месте, в котором должно быть сделано бурение. В этом случае производительность тепла грунта qg также зависит от его типа.

Для труб ПЭ80 составляет:

• грунт песчаный сухой – 10-12 Вт/м;
• песчаный мокрый – 12-16 Вт/м;
• средне-глинистый сухой – 16-18 Вт/м;
• средне-глинистый мокрый – 19-21 Вт/м;
• тяжелый глинистый сухой – 18-19 Вт/м;
• тяжелый глинистый мокрый – 20-22 Вт/м;
• мокрый (водоносный) – 25-30 Вт/м.

Нужно учитывать толщину отдельных слоев определенного типа грунта и на этой основе рассчитать общую производительность каждого зонда.

Производительность тепла грунта, в котором оба слоя сухие, как и водоносных горизонтов, при применении зондов типа двойной U (четыре трубы в скважине), составляет в среднем около 50 Вт/м. Ориентировочно можно принять, что в случае теплового насоса заявителей в примере расчета теплообменника горизонтального (мощностью охлаждения 10,9 кВт), необходимы отверстия с общей длиной L = 10 900/50 = 218 м, то есть, например, четыре по 55 метров.

Грунтовой тепловой насос: чем меньше мощность тем дешевле установка.

Стоимость инвестиций прямо пропорциональна тепловой мощности установки. Поэтому, несмотря на то, что коэффициент производительности насоса для грунтовых вод не уменьшается с приходом сильного мороза, стоит рассмотреть применение теплового насоса в бивалентной системе.

Проще всего оборудовать ее электрическим проточным нагревателем воды (как правило, предлагается в качестве дополнительного оборудования – для установки в корпусе теплового насоса). Затем определяется точка бивалентности и для нее определяется необходимая тепловая мощность насоса.

Если насос может отапливать дом, расположенный в III климатической зоне и принимается, что ниже температуры наружного воздуха -10 градусов по Цельсию может ее продвинуть электрический нагреватель, то его тепловая мощность может быть на 25% меньше от проектной тепловой нагрузки. На столько же меньше будет стоимость изготовления грунтового теплообменника.

В рассматриваемом примере вместо мощности 10,9 кВт, достаточно 8,2 кВт. А, в связи с этим, площадь горизонтального теплообменника может иметь 410 м2 вместо 545 м2 и глубина вертикального 164 м вместо 218 метров. Помимо более низкой цены, преимуществом является, следовательно, также меньше количество необходимого места.

Какие трубы применяются для грунтового геотермального теплообменника теплового насоса?

Длина одной петли (контура) ограничена – это связано с мощностью циркуляционного насоса, которым геотермальные тепловые насосы, как правило, на заводе оборудованы (если нет, то длина труб и соответствующий циркуляционный насос подбирается дизайнером системы). Допустимую длину трубы следует считать по техническим характеристикам устройства. Она зависит от диаметра и от типа используемой рабочей жидкости (рассола).

В случае тепловых насосов с мощностью двигателя до десятков киловатт применяются от одной до четырех петель по 100 — 400 м из труб диаметром от DN25 до DN65 (в зависимости от материала трубы). Для выполнения горизонтальных теплообменников используется чаще всего полиэтиленовые трубы PE100 (если в грунте нет камней) или PE100 RC для скалистой породы. Для вертикальных можно использовать трубы PE80. Вертикальные грунтовые теплообменники тоже сделаны из труб PE-X, полибутиленовых (PB) и меди в оболочке из пластика.

Трубы грунтового теплообменника должна заполнять жидкость, которая не замерзает при отрицательной температуре, для определенности предполагается, что до -15 градусов Цельсия, хотя тепловой насос имеет защиту для отключения ее при -7 градусов (в таком случае перестает охлаждать грунт).

Поскольку атмосферный воздух бывает еще холоднее, труба теплообменника не может быть ни в одном месте подвержена его воздействию – должна быть заглубленной в земле не менее 0,5 м. Возле прохода труб через стену здания теплоизоляция их необходима на расстоянии 2 м от фундамента, чтобы не происходило промерзание грунта, что может привести к строительной катастрофе.

Рабочая жидкость в установке грунтового теплового насоса.

Ранее, в системах проводящих тепло из грунта, был использован раствор соли NaCl, отсюда и возник сегодня термин – соляные насосы. «Солянки» давно уже не применяются. Самым популярным является водный раствор пропиленгликоля, считающийся экологичным. Как правило, именно он рекомендуется для заполнения – он может покупаться, как готовая рабочая жидкость для такого использования. При его выборе необходимо руководствоваться рекомендациями производителя теплового насоса, так как жидкость может содержать различные добавки ингибиторов, стабилизаторов, антиоксидантов.

Пропиленгликоль имеет не только достаточно низкую температуру застывания, но и не вызывает коррозии металлов, не растворяет пластик и не вызывает размывания насосов. Тем не менее, его плотность и вязкость, положительно влияющие на количество энергии, необходимой для прокачки, больше, чем воды, поэтому его используют в не очень большой концентрации (34%). Есть, конечно, много жидкостей, которые не замерзают при температуре -15 градусов Цельсия. Часто используется также раствор этиленгликоля, но он считается вредным для окружающей среды, потому что ядовитый и не подвергается биологическому разложению.

Хорошие свойства имеет также этанол. Его самое большое преимущество — это низкая вязкость и плотность, благодаря чему его прокачка поглощает меньше энергии. Применение его не является популярным из-за его воспламеняемости, интенсивного запаха, и, в первую очередь, отсутствия смазочных свойств, что грозит повреждением циркуляционного насоса. Поэтому некоторые производители запрещают его использование.

Тепловой насос: устройство и принцип работы. Видео урок.