Грунтовые тепловые насосы
Дарья Николаева
На российском рынке тепловые насосы – новинка. Пока новинка. В развитых странах эти устройства производятся и успешно используются уже более 30 лет. На сегодняшний день тепловой насос является наиболее эффективной энергосберегающей системой отопления и кондиционирования. По оценкам специалистов в почвенно-климатических условиях нашей страны наиболее рентабельными и перспективными являются грунтовые тепловые насосы.
Преимущества грунта
Грунтовые тепловые насосы, как это можно понять из названия, используют в качестве источника тепла грунт поверхностных слоев Земли. Почва, с одной стороны, аккумулирует солнечную энергию, а с другой, весь год подогревается от ядра Земли. Низкое энергопотребление достигается за счет высокого КПД системы. Примерно три четверти энергии, необходимой для этих целей, тепловой насос берет из природной среды, оставшаяся часть покрывается электрическим током, необходимым для работы компрессора теплового насоса.
Основное преимущество грунтовых насосов перед воздушными в том, что на глубине температура практически постоянна в течение всего года и не зависит от погодных условий. Проблема теплонасосов, использующих энергию воздуха, состоит в том, что размещенный снаружи теплообменник при +5 С покрывается льдом из-за замерзающего конденсата, соответственно теплоотдача резко снижается. При дальнейшем понижении температуры эффективность работы воздушного теплонасоса становится близкой к нулю и аппарат переходит на обычное электропитание, что резко повышает расход электроэнергии. Воздушные теплосистемы более приемлемы в теплых странах.
Системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев земли включают в себя грунтовый теплообменник и трубопроводы, соединяющие его с теплонасосным оборудованием. Необходимая энергия собирается теплообменником, заглубленным в почву, и аккумулируется в носителе, который затем насосом подается в испаритель и возвращается обратно за новой порцией тепла.
В качестве такого переносчика энергии используют незамерзающую жидкость на основе этиленгликоля (ядовитый автомобильный тосол) или пропиленгликоля (неядовитый, применяется в пищевой промышленности).
При монтажных работах специальной подготовки почвы, засыпок и прочих работ не требуется. Желательно использовать участок с влажным грунтом, хорошо, если близко есть грунтовые воды, однако сухая почва не является помехой – это приводит лишь к увеличению длины контура.
Виды грунтовых насосов
Грунтовые насосы относятся к насосам с закрытым (замкнутым) циклом: теплоноситель прокачивается через замкнутый контур, который уложен в землю. Этот метод считается экологически более безопасным, чем в системах открытого цикла, где в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам.
Закрытые (герметичные) грунтовые системы, в свою очередь, делятся на горизонтальные (грунтовый коллектор) и вертикальные (грунтовый зонд). Выбор зависит от особенностей каждого участка, его площади, геологии.
Горизонтальный грунтовый коллектор представляет собой длинную трубу, горизонтально уложенную в глубокие траншеи под слоем грунта не менее метра от поверхности земли. Такой теплообменник еще называют поверхностным коллектором. Основной опасностью является неосмотрительность при проведении землекопных работ в зоне нахождения поверхностного коллектора. Для жилого дома с отапливаемой площадью в 200 кв.м под основание коллектора требуется около 500 кв.м поверхности грунта. Для экономии площади участка были разработаны усовершенствованные типы теплообменников, например, теплообменники в форме спирали, расположенной горизонтально. Такие установки наиболее распространены в США.
Что касается времени, отводимого на монтажные работы, здесь все зависит от структуры почвы, длины трубы и глубины траншей, а также от требуемого оборудования. Типовая установка может быть выполнена за один или два дня. Горизонтальная установка проще вертикальной и требует менее дорогостоящего оборудования. Однако для горизонтальных коллекторов используется большая длина труб из-за сезонной вариации температуры и влажности почвы.
Если система с горизонтальным грунтовым теплообменником используется только для получения тепла, то для ее эффективной работы необходимы достаточные теплопоступления с поверхности земли от солнечной радиации. По этой причине поверхность выше теплообменников не должна находиться в тени, создаваемой кронами деревьев или самим домом.
Грунтовые вертикальные зонды - это система длинных труб, опускаемых в глубокую скважину (50-200 м). Применяется в тяжелом грунте или при ограниченности пространства участка. Преимущество перед горизонтальным коллектором в том, что зонд не зависит от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность. Поскольку теплообменник закапывается глубже, чем при горизонтальном размещении, вертикальные системы обычно более эффективны и используют меньшую длину труб. Как известно, на глубине 15-20 метров от поверхности земля имеет стабильную температуру +10—12 С независимо от времени года. С увеличением глубины температура Земли повышается. Этот способ обеспечивает самую высокую эффективность работы зонда: малый расход электроэнергии и дешевое тепло (на 1 кВт электроэнергии получают до 5 кВт тепловой энергии). Однако установка вертикальной системы требует значительных первоначальных капиталовложений на бурильные работы.
Вертикальные грунтовые теплообменники эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопроводностью, например, сухого песка или сухого гравия. Если местные почвы включают в свой состав очень твёрдые породы, то вертикальная установка теплообменника может быть единственным вариантом. Длительность монтажных работ зависит от следующих условий: глубина скважины, тип и твёрдость горных пород, наличие водяных горизонтов. Обычно время бурения занимает один-два дня, и весь монтаж, как правило, может быть закончен в течение двух-трех дней.
Часто к грунтовым теплонасосам дополнительно устанавливается электронагреватель. Дело в том, что при выборе отопительного прибора номинальная мощность рассчитывается исходя из максимальной потребности тепла, т.е. для покрытия тепловой нагрузки в самый холодный зимний день. Для Санкт-Петербурга, например, минимальная расчетная температура -26 С. Однако, исходя из многолетних наблюдений, такие морозы случаются всего лишь несколько дней в году, а это значит, что при расчете на максимальную мощность значительная часть потенциала теплового насоса будет использоваться очень редко. Получается, если источник тепла будет состоять из двух компонентов, один - дорогостоящий, но вырабатывающий «дешевую» энергию (тепловой насос) и другой, дешевый, но вырабатывающий «дорогую» энергию (электронагреватель), то за год насос выработает приблизительно 92% энергии, а электоронагреватель около 8%. Такая комбинация позволяет снизить стоимость капитальных затрат и уменьшить срок окупаемости теплонасосной установки. К тому же электродвигатель будет являться резервным источником в случае поломки теплонасоса. Но главное, что в доме будет тепло и уютно даже в самые холодные дни.
Функции грунтовых насосов
Говоря о грунтовых теплонасосах, нельзя не отметить их экологичность. Тепловой насос не только экономит деньги, но и сохраняет здоровье обитателям дома. Агрегат не сжигает топливо, значит, не образуются вредные окислы типа CO, СO2, NOх, SO2 , PbO2. Следовательно, вокруг вашего дома на почве нет следов серной, азотистой, фосфорной кислот и бензольных соединений.
Исследования показали, что подземные горизонтальные теплообменные контуры не оказывают неблагоприятного воздействия на траву, деревья или кустарники, растущие на вашем участке. А временно обнажённые при монтаже участки земли могут быть легко восстановлены посадкой новой травы или укладкой дёрна. Вертикальные теплообменные контуры требуют очень мало места для установки и вообще не оказывают разрушительного воздействия на озеленение участка. Однако все специалисты подчеркивают, что теплонасос не влияет на садовые озеленения при правильном расчете и профессиональной установке системы. Неверно вмонтированный грунтовый коллектор с неверно рассчитанной длиной, может обусловить эффект так называемой поздней весны.
При дополнительных установках тепловой насос может стать комбинированной машиной, которая позволит не только согревать дом, но и охлаждать его летом, нагревать воду, вентилировать помещения.
Большая часть грунтового насоса располагается под землей. В самом доме теплонасос занимает примерно такое же пространство, как обычные теплонагревательные приборы или системы воздушного кондиционирования. Тепловые насосы работают совсем бесшумно, обеспечивая приятную, тихую внутреннюю среду в вашем доме. Срок службы грунтовых систем составляет от 25 до 50 лет. К тому же они безопасны в эксплуатации. В силу того, что аппарат не имеет наружного оборудования, дети и домашние животные не могут повредить себя или нанести повреждение насосу. Кроме того, теплообменник не имеет открытого пламени, воспламеняемого топлива или потенциально опасных баков для хранения топлива.
К затратам на приобретение грунтовых насосов могут добавиться затраты на электромонтажные работы, работы с воздушной вентиляцией, работы по монтажу подземного теплообменного контура и другие работы, связанные с адаптацией и обеспечением вашего помещения, исходя из требований грунтовых тепловых систем. Специалист, который будет устанавливать насосов вашем доме, может заранее подсчитать все дополнительные затраты. Конечно, установка грунтового теплонасоса дело довольно дорогое. Однако средняя окупаемость составляет от семи до десяти отопительных сезонов.