Принцип работы геотермального теплового насоса и его эксплуатация в составе отопительной системы

Существует множество способов как организовать горячее водоснабжение и автономное отопление в частном доме: использование энергии сгорания газа в системах, подключенных к центральному газоснабжению, или электроэнергии, преобразуемой в тепло.  

Однако, современный мир стремится к постоянному развитию и совершенствованию. В энергетической сфере это проявляется в развитии энергоэффективных технологий. Например, затраты энергоносителя на поддержания комфортной температуры в помещении могут быть снижены, если добиться минимальных теплопотерь. Согласно современным стандартам, регламентированные максимальные теплопотери были снижены почти в 4 раза за последние два десятка лет. Например, раньше допустимая утечка тепловой энергии для новостроя принималась равной 100 Вт/м2 и даже более. Сегодня инженеры-теплотехники закладывают значительно меньшие значения.

Современная теплоизоляция жилых объектов благодаря своей эффективности способствует распространению низкопотенциальных отопительных систем. Невысокая популярность таких установок на протяжении многих лет объясняется тем, что для поддержания комфортного микроклимата в помещениях требовалась установка отопительных элементов крупных размеров. Теперь люди отдают предпочтение установкам на основе тепловых насосов, поскольку необходимости в монтаже крупногабаритных радиаторов отопления больше нет. Кроме того, такие системы являются более простыми и удобными в эксплуатации в сравнении с отопительными котлами, независимо от используемого типа.

Принцип функционирования теплового насоса

Основная идея, положенная в основу принципа работы установок рассматриваемого типа, состоит в передаче тепловой энергии от источника с низким потенциалом к рабочему веществу (теплоносителю). Таким источником может быть грунт, воздух и вода. Любой объект, нагреты до температуры выше абсолютного нуля, содержит запас тепловой энергии, количество которого определяется как произведение массы объекта и его удельной теплоемкости. В этом контексте землю, океаны и атмосферу можно рассматривать как огромнейшие запасы энергии для питания энергоэффективных систем отопления.

Геотермальная установка состоит из нескольких элементов:

• Трубопровод, расположенный в грунте на определенной глубине. Содержащееся в нем рабочее вещество получает тепловую энергию, нагреваясь на несколько градусов.
• Теплообменный узел – следующий элемент системы, в который подается нагретый теплоноситель.
• Внутренний контур системы, который получает тепловую энергию от теплоносителя.
• Внешний контур с хладагентом, способным переходить в газообразную фазу в результате прогрева в испарителе.
• Сжимающий компрессор, уменьшающий объем хладагента, тем самым увеличивая его температуру.
• Конденсатор, передающий в свою очередь тепловую энергию разогретого рабочего вещества на отопительные элементы внутренней системы. Отдавший тепловую энергию хладагент переходит в жидкую фазу, поступает в начальную точку системы для поглощения очередной новой порции тепловой энергии.

Отопительные системы на основе тепловых насосов характеризуются высоким КПД, способны поддерживать оптимальные температурные условия в помещениях круглый год.

Варианты геотермальных установок

Как уже было сказано выше, теплонасосы могут получать энергию из воздушной среды, грунта и водоемов. Они различаются по типу используемого теплоносителя как на внутреннем, так и наружном контурах. В зависимости от функций и используемых элементов, установки делят на несколько видов:

• Система типа «вода-вода», использующая энергию тепла водных ресурсов. Принцип работы основан на способности воды сохранять довольно высокую температуру в нижних слоях. Трубы с теплоносителем оснащают грузом для погружения в воду. Если рядом с участком отсутствует водоем, используют потенциал грунтовых вод. Основными преимуществами таких установок являются низкие затраты на обустройство, невысокие теплопотери, отсутствие необходимости в использовании мощных насосных станций.
• Система «земля-вода», отбирающая тепло грунта с помощью тепловых коллекторов и зондов. Это лучший способ создать автономное отопление в загородном доме, независимо от расположения объекта. В состав установки входит теплообменный аппарат, который размещают ниже уровня промерзания грунта, а также сам тепловой насос. Последний использует обратный цикл Карно (функционирует как холодильная установка, только наоборот, то есть выделяет тепло). Системы этого типа используют два теплоносителя: антифриз (или рассол), получающий тепло из грунта, и фреон, циркулирующий в контуре, который соединен с отопительными радиаторами. Количество теплоты, вырабатываемой такой системой, в 4 раза превышает количество электрической энергии, затрачиваемой на ее выработку. Одним из недостатков системы является то, что земельные участки с обустроенными коммуникациями уже непригодны для сельскохозяйственных нужд.
• Система «воздух-вода» использует воздушную среду (самый доступный и возобновляемый источник). Главное преимущество состоит в том, что такие системы просты в монтаже и обслуживании. К недостаткам относят чувствительность к внешним температурным режимам. Наибольшая эффективность достигается при температуре воздуха -15°C. При сильных температурных колебаниях существенно снижается эффективность работы установки.

Выбор типа системы зависит от особенностей отапливаемого объекта, места его расположения, средней температуры окружающей среды на протяжении года и в определенные сезоны.

Как создать теплонасос самостоятельно

Независимо от выбора типа системы (из трех вариантов, описанных выше), для создания установки понадобится тепловой насос, который состоит из компрессорной станции, испарителя, дроссельной заслонки и конденсатора. Можно купить готовую систему, но ее стоимость окажется довольно высокой. Если имеющийся бюджет не позволяет приобрести установку, ее можно смонтировать самостоятельно.

Перед разработкой и монтажом собственного автономного отопления нужно убедиться в том, что вся электропроводка в доме находится в надлежащем состоянии.

Есть два основных способа создания установки своими руками: на основе холодильника или кондиционера. Рассмотрим их подробнее.

Тепловой насос из сплит системы

Чтобы создать тепловой насос на основе кондиционера, в первую очередь нужно поменять местами наружный и внутренний блоки системы. Поскольку внутренний блок уже содержит испаритель, а наружный – конденсатор, дополнительные элементы не требуются. В качестве теплоносителя используют как воду, так и воздушную среду (на выбор). Также возможна установка дополнительного конденсатора в отдельном резервуаре для повышения эффективности теплообмена.

В состав системы также входит четырехходовой клапан, корректный монтаж которого может осуществить только опытный специалист.

Рациональнее всего разобрать кондиционер на составные элементы, а затем произвести компоновку теплового насоса, подключив последовательно испаритель, компрессор и конденсатор. Полученную систему подключают к коммуникациям для обогрева помещений.

Установка на основе холодильного аппарата

Для создания теплового насоса подойдет старый холодильник, с которого снимают змеевеки (будут использоваться в качестве конденсатора). Змеевеки необходимо разместить в емкость, материал которой устойчив к температурным колебаниям. К емкости монтируют компрессорную установку. Испарителем может служить обычная пластиковая бочка.

Все три элемента системы герметично соединяют между собой системой трубопроводов, подключают к отопительной системе.

Выводы

Геотермальное оборудование – один из лучших способов создания автономного отопления, если возможность подключения к централизованным коммуникациям отсутствует в силу различных причин. При выборе оптимального варианта системы учитывают множество факторов, включая место расположения отапливаемого объекта и бюджет его владельца. Тепловой насос можно изготовить своими руками. Существует множество вариантов сборки на основе старого холодильника или сплит системы. Полезную информацию можно почерпнуть из видео ниже.