Геотермальные тепловые насосы для отопления дома и их характеристики

Компании, которые занимаются возобновляемыми источниками энергии

Рост инвестиций в возобновляемую энергетику и поддержка правительства помогает многим компаниям успешно вести бизнес.

First Solar Inc.

Эта американская компания была образована в 1990 году и стала известной благодаря производству солнечных батарей. Сейчас это крупнейшая фирма, которая продаёт солнечные модули, поставляет оборудование и отвечает за технический сервис.

Vestas Wind Systems A/S

Старейший производитель ветрогенераторов из Дании. Компания основана в 1898 году и на сегодняшний день ей удалось установить более 60 тысяч ветровых турбин в 63 странах. Vestas продаёт отдельные генераторы, комплексные станции и обслуживает устройства.

Atlantica Yield PLC

Эта компания с офисом в Лондоне владеет классическими линиями электропередач, солнечными и ветровыми станциями в Северной Америке, Испании, Алжире, Южной Америке и Южной Африке.

ABB Ltd. Asea Brown Boveri

Шведско-швейцарская компания, известная автомобильными двигателями, генераторами и робототехникой. С 1999 года бренд занимается преобразованием солнечной и ветровой энергии. В 2013 году компания стала мировым лидером в области оборудования фотоэлектрической энергии.

Читайте: Персональный мир и полная автоматизация. Что такое четвёртая промышленная революция?

Подробнее

Принцип действия основан на потреблении электроэнергии. Разница между полученной тепловой энергией и электроэнергией, затраченной на работу компрессора – это коэффициент трансформации, основной показатель эффективности оборудования.

Перенос энергии тепла с объекта с более высокой температурой на потребителя с более низкой термодинамически заложен в системе действия холодильника.

Высокий КПД теплового насоса сохраняется в случае небольшой разницы температур конденсатора и испарителя. Увеличив площадь теплообмена, можно сократить затраты на электричество, но это увеличение потребует больших габаритов и соответственно большей стоимости оборудования.

Насосы тепловые земля-земля

Для поддержания работоспособности схемы необходимо обеспечить постоянную подачу тепла из грунта.

Различается два типа выкладки контура со своими особенностями и характеристиками эффективности:

• Теплообменник горизонтального типа. Закладываются трубы для геотермального контура ниже точки промерзания грунта. Способ не требует использования техники для бурения скважин, можно обойтись своими силами – вырыть траншеи на глубину от 1 м, уложить петли трубопровода. Минус в увеличенном размере петли. Например, для прогрева помещений площадью в 220 м2 необходимо уложить контур на площади не менее 600 м2 (шесть соток). Поэтому горизонтальные теплообменники доступны только при условии обширного придомового участка.
• Теплообменник вертикального типа. Конструкция представляет собой погружение геотермальных зондов в скважины, которые заглубляются на величину от 200 м. Бурить скважины можно на ограниченных площадях, преимущество в сохранении стабильно высокой температуры – на глубине показатель термометра не опускается ниже +18 С. Минус в обязательности применения буровой техники.

Принцип работы тепловой электростанции

Основной принцип работы тепловой электростанции заключается в производстве тепловой энергии из органического топлива, которая в дальнейшем используется для выработки электрического тока.

Понятия ТЭС и ТЭЦ существенно различаются между собой. Первые установки относятся к так называемым чистым электростанциям, вырабатывающим только электрический ток. Каждая из них известна еще и как конденсационная электростанция – КЭС. ТЭЦ расшифровывается как теплоэлектроцентраль и является разновидностью ТЭС. Данные установки не только генерируют электричество, но и являются тепловыми, то есть дают тепло в системы отопления и горячего водоснабжения. Такое комбинированное использование требует специальных паровых турбин с противодавлением или системой промежуточного отбора пара.

Несмотря на разнообразие конструкций, работа всех ТЭС осуществляется по общей схеме. В котел постоянно подается топливо в виде угля, газа, торфа, мазута или горючих сланцев. На многих электростанциях используется заранее приготовленная угольная пыль. Вместе с топливом поступает воздух в подогретом виде, выполняющий функцию окислителя.

В процессе горения топлива создается тепло, нагревающее воду в паровом котле. Происходит образование насыщенного пара, подаваемого в паровую турбину через паропровод. Далее тепловая энергия становится механической.

Вал и остальные движущиеся части турбины связаны между собой и представляют единое целое. Струя пара под высоким давлением и при высокой температуре выходит из сопел и воздействует на лопатки турбины. Закрепленные на диске, они начинают вращаться и приводят в движение вал, соединенный с генератором. В результате вращения происходит преобразование механической энергии в электрический ток.

Пройдя через паровую турбину, пар снижает свою температуру и давление. Далее он попадает в конденсатор и прокачивается по трубкам, охлаждаемым водой. Здесь пар окончательно превращается в воду и поступает в деаэратор для очистки от растворенных газов. Очищенная вода с помощью насоса подается в котельную установку через подогреватель.

Производители тепловых насосов

Считается, что лучшие модели оборудования выпускают немецкие производители:

• Viessmann. Выпускают насосы высокой производительности, развивающие мощность до 290 кВт с максимальным прогревом теплоносителя до +60 С. Станции дополняются накопительными емкостями для подачи горячего водоснабжения.
• Buderus. Выпускают бытовые приборы мощностью до 60 кВт и прогревом теплоносителя до +65 С. Малошумные насосы (40 дБ) можно устанавливать в доме, рядом с жилыми комнатами.
• Vaillant. Производит все виды ТН, выпускает серии контуров для выкладки по дну водоемов, геотермальных зондов и контуров для укладки в грунте. Максимальная производительность приборов 46 кВт, прогрев теплоносителя до +60 С. Минусом считается малый выбор ТН, но качество оборудования остается на высоте.
• Stiebel Eltron. Продукция компании предназначается для частичного или полного обеспечения потребностей хозяев частных домов в отоплении. Модели дополняются устройствами интеграции в систему вентиляции и летом работают на охлаждение. Максимальный показатель мощности 98 кВт, большой ассортимент продукции и видов ТН. При выборе следует обращаться к специалисту.

Достоинства и недостатки тепловых насосов

Принцип работы тепловых насосов, если говорить простым языком, основан на сборе низкопотенциальной тепловой энергии и ее дальнейшей передаче в отопительные и климатические системы, а также в системы подготовки воды, но уже с более высокой температурой. Можно привести простой пример в виде газового баллона – когда он наполняется газом, компрессор нагревается за счет его сжатия. А если выпустить газ из баллона, то баллон охладится – попробуйте резко выпустить газ из многоразовой зажигалки, чтобы понять суть этого явления.

Таким образом, тепловые насосы как бы отбирают тепловую энергию у окружающего пространства – она есть в земле, в воде и даже в воздухе. Даже если воздух имеет отрицательную температуру, в нем по-прежнему присутствует тепло. Также оно имеется в любых водоемах, которые не промерзают до самого дна, а также в глубоких слоях грунта, тоже не поддающихся глубокому промерзанию – если, конечно, это не вечная мерзлота.

Тепловые насосы обладают довольно сложным устройством, в чем можно убедиться, попробовав разобрать холодильник или кондиционеры. Эти привычные нам бытовые агрегаты чем-то похожи на вышеупомянутые насосы, только работают они в обратном направлении – забирают тепло из помещений и отправляют его наружу. Если приложить руку к заднему радиатору холодильника, то мы отметим, что он теплый. И это тепло есть не что иное, как энергия, отобранная у фруктов, овощей, молока, супов, колбасы и прочих продуктов, лежащих в камере.

Аналогичным образом работают кондиционеры и сплит-системы – тепло, выделяемое уличными блоками, представляет собой тепловую энергию, собранную по крупицам в охлаждаемых помещениях.

Принцип действия теплового насоса обратен принципу действия холодильника. Он по тем же крупицам собирает тепло из воздуха, воды или грунта, после чего перенаправляет его к потребителям – это отопительные системы, теплоаккумуляторы, системы теплых полов, а также водонагреватели. Казалось бы, нам ничто не мешает греть теплоноситель или воду обычным ТЭНом – так проще. Но давайте сравним продуктивность тепловых насосов и обычных ТЭНов:

При выборе теплового насоса самое главное — наличие конкретного природного источника энергии.

• Обычный ТЭН – на выработку 1 кВт тепла он расходует 1 кВт электроэнергии (без учета погрешностей;
• Тепловой насос – на выработку 1 кВт тепла он потребляет всего 200 Вт электроэнергии.

Нет, никакого КПД, равного 500%, здесь нет – законы физики непоколебимы. Просто здесь работают законы термодинамики. Насос как бы аккумулирует энергию из пространства, «сгущает» ее и отправляет потребителям. Аналогичным образом мы можем собирать дождевые капли через большую лейку, получая на выходе солидный ручеек воды.

Мы уже привели множество аналогий, позволяющих понять суть тепловых насосов без заумных формул с переменными и константами. Давайте теперь рассмотрим их достоинства:

• Экономия электроэнергии – если стандартное электрическое отопление домовладения площадью 100 кв. м. приведет к затратам в 20-30 тыс. рублей в месяц (в зависимости от температуры воздуха на улице), то отопительная система с тепловым насосом снизит расходы до приемлемых 3-5 тыс. рублей – согласитесь, это уже довольно солидная экономия. И это без подвохов, без обмана и без маркетинговых уловок;
• Забота об окружающей среде – угольные, атомные и гидроэлектростанции вредят природе. Поэтому пониженное потребление электроэнергии позволяет снизить количество вредных выбросов;
• Широкая сфера использования – полученную энергию можно использовать для обогрева жилища и подготовки горячей воды.

Есть и недостатки:

• Высокая стоимость тепловых насосов – этот недостаток накладывает ограничение на их использование;
• Необходимость в регулярном обслуживании – за это нужно платить;
• Трудность в монтаже – в наибольшей степени это относится к тепловым насосам с закрытыми контурами;
• Отсутствие восприятия людьми – мало кто из нас согласится потратиться на это оборудование, чтобы снизить нагрузку на окружающую среду. Но некоторые люди, живущие вдали от газовых магистралей и вынужденные отапливать жилье альтернативными источниками тепла, согласны потратить деньги на покупку теплового насоса и снизить расходы на ежемесячную оплату электроэнергии;
• Зависимость от электросети – если поставка электроэнергии прекратится, оборудование сразу же замрет. Ситуацию спасет установка теплоаккумулятора или резервного источника электропитания.

Как видим, некоторые минусы довольно серьезные.

В качестве источников резервного питания для тепловых насосов могут выступать бензиновые и дизельные электрогенераторы.

Применение в современной России

Солнечная электростанция на Урале

Ведущую роль в энергосистеме России играют нефть и газ, обеспечивающие 75% потребления страны. Еще 15% дает уголь, только 10% – ВИЭ и атомная энергетика. Высокая степень обеспеченности энергоресурсами делает отрасль маловосприимчивой к изменению текущего баланса. России располагает значительными запасами как возобновляемых, так и невозобновляемых ресурсов.

Из возобновляемых источников две трети – гидроэнергетика. Остальные виды в незначительных масштабах представлены в разных регионах страны:

Вид	Регион выработки
Солнечная	Краснодарский край, Кавказ
Ветряная	Ульяновская область, Камчатка, Чукотка, Краснодарский край, Башкортостан
Геотермальная	Сахалин, Курильские острова, Камчатка, Кавказ
Волновая	Баренцево море

Насосы тепловые типа вода-вода

Это альтернативный вариант применения геотермального насоса, при котором энергия отбирается из воды.

Обустройство контура возможно двумя способами:

1. Погружение теплообменника на дно водоема. Плюсом является отсутствие длительных земляных работ. Петли выкладываются по дну близлежащего источника воды, который расположен не дальше 100 м от дома. Глубина дна должна быть не менее 3 м.

1. Размещение зондов в артезианских скважинах. При прокачке воды из скважины, потоки прогоняются через тепловой насос, сброс жидкости осуществляется во вторую скважину, которая также уравновешивает давление в обводненных пластах.

Упрощенная схема получения энергии из воды объясняет популярность геотермальных насосов типа вода-вода.

Виды насосов

Выше мы уже рассказали, на какие категории можно разделить ТН в зависимости от того, какие типы источников тепла используются. Остановимся на них подробнее.

Геотермальные системы

В качестве источника тепла у ТН используется запасенная тепловая энергия земли. Такие насосы считаются самыми эффективными, потому что температура грунта остается постоянной в течение всего года.

Эти системы подразделяются на горизонтальные и вертикальные. Но для их применения требуется довольно большая площадь под горизонтальные трубы. Для вертикальных систем необходимо выполнить значительные земляные работы.

Геотермальные с открытым циклом

В качестве теплообменника у ТН используется вода из водоема. Она после использования в качестве теплообменной жидкости снова возвращается в водоем. Допускается при наличии достаточного объема чистой воды и разрешения экологического законодательства.

Насосы закрытого цикла с теплообменником

Установка теплового насоса является самым эффективным вариантом, но в то же время и самым затратным.

Замкнутый тип ТН делится дополнительно на:

1. Горизонтальные — самые эффективные при условии, что имеется доступ к большим по площади земельным участкам. Размещаются в траншеях, которые расположены ниже промерзания грунта.
2. Вертикальные — используются в тех случаях, когда нет достаточного по площади земельного участка. Используются скважины глубиной до 200 метров — в них монтируются теплообменники.

Системы воздух-воздух, вода-вода и воздух-вода

Тепловую энергию воздушный ТН берет из атмосферы. Для монтажа такая конструкция отличается простотой.

Положительные свойства:

• поставить оборудование так же легко, как подключить кондиционер или холодильник;
• для установки не нужен большой теплообменник;
• после подключения сразу готов к работе;
• установка требует минимального обслуживания;
• не нужно монтировать систему отопления;
• обладает низкой стоимостью;
• отсутствует бак-накопитель.

Но такой насос обладает и существенными отрицательными свойствами:

• большая зависимость степени потребления электроэнергии от температуры уличного воздуха;
• необходимость в резервном источнике тепла при сильных морозах;
• наружный блок в морозы может обмерзать.

Воздух-воздух

Воздушный насос по принципу работы напоминает тот, что применяется в кондиционере в режиме обогрева с единственным отличием: ТН настроен на отопление, а кондиционер — на снижение температуры в комнате.

Принцип действия установки воздух — воздух заключается в следующем. Воздух, даже при низких температурах, имеет некоторое количество энергии. Только при абсолютном нуле тепловая энергия отсутствует. Большинство ТН способны получать тепло при температуре -15 °С. В настоящее время некоторые производители выпускают станции, сохраняющие отбор тепла при -30 °С. Забор тепла происходит при помощи испарения фреона, который циркулирует по внутреннему контуру. Для этой цели используется испаритель, в котором хладагент преобразовывается из жидкого состояния в газообразное. При этом поглощается тепло.

Следующим блоком, который расположен в этой системе теплоснабжения, является компрессор, который фреон из газообразного состояния превращает в жидкое. При этом выделяется тепло. Эффективность установки воздух — воздух напрямую зависит от температуры окружающей среды. Чем она ниже, тем производительность станции уменьшается.

Вода-вода

При такой системе во внутреннем контуре циркулирует легко испаряющаяся жидкость, например, фреон. В качестве контура внутри помещения могут быть водяные трубы, регистры или батареи, заполненные водой.

В качестве внешнего контура может выступать любой водоем с достаточно большим количеством воды — река, озеро или пруд. В этом случае теплоноситель забирает тепло из внешнего контура и отдает его контуру внутри помещения.

Воздух-вода

ТН типа воздух — вода является наиболее универсальной моделью. Она весьма эффективна в теплое время года, но в холодное время производительность существенно падает.

Простой монтаж является преимуществом системы — подходящее оборудование монтируется в любом месте. Тепло, которое удаляется из помещения в виде газа либо дыма, может повторно использоваться.

Водяной ТН берет тепло из грунтовых вод, которые прокачиваются через испаритель. Подобный ТН отличается неплохой эффективностью и повышенной стабильностью: эффективность — это результат значительной теплоотдачи воды. Разумеется, для использования установки такого типа нужно, чтобы грунтовые воды на территории имелись в достаточном количестве. Желательно, чтобы вода находилась не глубже 30 метров.

Преимущества

Плюсами теплового насоса является экономичность и сохранение невозобновляемых природных ресурсов: ведь только треть энергии на обогрев – это электричество, остальная часть получается из природных источников.
Тепловые насосы для отопления дома имеют и другие преимущества:

• допускается использование без дополнительной вентиляции;
• высокий уровень пожарной безопасности;
• минимальные затраты на эксплуатацию: оплата лишь за электроэнергию, потребляемую оборудованием;
• насос управляется автоматикой, что дает ему надежность и не требует от пользователя навыков работы с оборудованием;
• компактные размеры.

Дополнительное преимущество – это возможность кондиционирования летом, когда подключенные к коллектору системы «холодный потолок» и фэн-койлы позволяют снижать температуру в помещении.

Преимущества и недостатки геотермальных отопительных насосов

Следует начать с отрицательных сторон:

• Высокие требования к нормативным параметрам прилегающих территорий. Станцию нельзя установить в любой точке, сначала требуется проведение геологической разведки, определение целесообразности использования оборудования.
• Высокая цена. Разовые вложения превышают возможности многих хозяев. Есть вариант воспользоваться государственной помощью, но она выдается только определенной группе льготников.
• Перемены положения контура в первый год использования. Трубы проседают, снижается скорость циркуляции пропиленгликоля, что приводит к уменьшению показателей теплоотдачи, СОР.

Достоинства оборудования:

1. Экономичность. Не требуется запасаться твердым топливом, подводить газовую магистраль. Потребление электроэнергии минимальное. Затраты могут окупиться уже через 5 лет.
2. Функциональность. Вся система работает на обогрев зимой и кондиционирование летом. Это удобно и не придется обустраивать еще одну систему.
3. Длительный срок службы. Сам насос работает 100 лет, но некоторые узловые детали меняются раз в 30-50 лет, что намного реже, чем любое другое оборудование.

Следует знать, что в европейских странах геотермальные насосы применяются для получения тепла не только для жилых домов, но и производственных, промышленных предприятий. Экономическая выгода становится более явной, если учесть длительность срока службы, а также минимальные расходы на обслуживание и ремонт системы – последнее практически исключено, так как все узлы надежно заглублены в грунт или воду и не подвергаются механическим воздействиям.

Варианты внешних контуров теплового насоса

Внешний контур может представлять собой трубопровод-теплообменник, который забирает тепло из скважины, почвы или водоема. Каждый из этих вариантов имеет свои особенности, преимущества и недостатки, как при монтаже, так и при эксплуатации. Поэтому рассмотрим их подробнее.

Источник тепловой энергии – скважина

Для того, чтобы использовать такой источник тепла, необходимо пробурить скважину (одну глубокую или несколько мелких) или использовать уже имеющуюся. Считается, что из одного погонного метра скважины можно получить 50-60 Вт тепловой энергии. Поэтому для 1 кВт мощности теплового насоса потребуется около 20 м скважины.

Внешний контур теплового насоса в скважине

Преимущество: скважина не занимает много места на участке и отличается большой теплоотдачей.

Недостаток: скважину, особенно глубокую, необходимо бурить с помощью с помощью специальных механизмов или машины.

Источник тепла – грунт на участке

В этом случае трубу внешнего контура необходимо уложить на глубину, превышающую максимальную глубину промерзания в данном районе. При этом может быть два варианта укладки: вынуть весь грунт на определенной площади и уложить трубу в виде зигзагов, а потом засыпать все грунтом или можно уложить трубу в вырытые для этого траншеи.

Тепловой насос «грунт-вода»

Для 1 кВт мощности теплового насоса, в зависимости глубины укладки, плотности и обводненности грунта, может понадобится 35-50 м контура. Минимальное расстояние между трубами контура – 0, 8 м.

Недостатки такого вида внешнего контура:

• для его размещения необходима достаточно большая площадь, на которой впоследствии нельзя будет высаживать деревья или кустарники, а только газон, цветы или однолетние растения;
• большой объем земляных работ.

Внешний контур в воде

Еще один вариант внешнего контура – труба укладывается на дно ближайшего водоема, если он есть рядом с домом. При этом водоем должен быть достаточно глубоким, чтобы не промерзать до дна зимой. Из одного погонного метра такого внешнего контура можно получить максимум около 30 Вт тепловой энергии ( минимум 30 м трубы на 1 кВт мощности теплового насоса). Для того, чтобы уложенный на дно трубопровод не всплывал, на него устанавливается груз – около 5 кг на каждый погонный метр.

Внешний контур теплового насоса в водоеме

Преимущество: нет необходимости бурить скважину или выполнять земляные работы на большой площади.

Главный недостаток такого внешнего контура: не всегда рядом с домом есть подходящий водоем.

Как установить тепловой насос в доме

После приобретения теплонасоса, хозяину жилого здания приходится решать новые проблемы, связанные с размещением и монтажом станции. Рекомендуется, чтобы установку выполняла специализированная бригада, имеющая лицензию, выданную заводом изготовителем оборудования. Но существуют правила, которые необходимо знать каждому хозяину:

Размещать современные теплонасосы в подвалах жилых домов можно. Особенно, это актуально для геотермального оборудования с подключением наклонного кустового контура. В таком случае, колодец под коллектор может находиться непосредственно под домом, в подвальном помещении.

Требования при установке теплового насоса в многоквартирном доме. Обязательно устанавливается резервный источник тепла. В зимнее время года, модуль для разморозки, будет останавливаться на 3-4 секунды. В этот момент потребуется компенсировать недостаток тепла.

Насос устанавливается в любом помещении, достаточно просторном, чтобы вместить накопительную емкость и обеспечить беспрепятственный доступ ко всем узлам системы для обслуживания.

Чтобы начать отапливать дом тепловым насосом, нужны вложения денежных средств. Впоследствии, затраты полностью окупятся. Время, необходимое для выхода в «ноль», 3-8 лет.

Какое отопление лучше для дома – газовое или тепловой насос

Энергосберегающие технологии для дома, медленно, но уверенно вытесняют традиционные виды отопления. Единственное, что удерживает повсеместное внедрение установок, это необходимость в значительном первоначальном вложении денег.{banner_downtext}Большинство производителей уже давно работают над удешевлением технологии, поэтому, перспективы использования тепловых насосов в системах теплоснабжения частных домов достаточно оптимистические. В скором времени можно ожидать увеличения количества продаж на 10-15%.

Теплонасосы не ограничены исключительно бытовым применением. Существует возможность использования теплонасосов в отоплении многоэтажных домов, а также промышленных объектов. Если сравнить между собой эффективность применения газовых котлов и тепловых насосов, можно ясно увидеть, какие перспективы существуют у каждого из видов оборудования.

Недостатки теплонасосов

Главным недостатком, особенно заметным при эксплуатации в многоквартирных домах, является зависимость теплонасосов от колебаний температуры. И если геотермальные модели более-менее устойчивы к изменению погодных условий, то воздушные станции резко снижают производительность, если температура падает до -15°С.

Монтаж теплонасосов с земляным контуром обходится в дополнительные 30-40% от общей стоимости. Работы требуют привлечения специализированной техники и оборудования. Цена, на современные модели, может достигать 1200-1400 тыс. руб.

В сравнении, приобретение и установка газового котла обойдется всего в 200 тыс. руб. Эффективность газового оборудования не зависит от внешних факторов, а монтаж занимает от силы 1-2 дня.

Преимущества теплонасосов

Экономичность является главным достоинством тепловых насосов. Финансовые затраты в период отопительного сезона, по сравнению с природным газом меньше, практически втрое. Для подключения не требуется получения никаких разрешений. Исключение составляет геотермальное оборудование, придется официально оформить право бурить скважины. Работа теплонасосов абсолютно безопасна и экологична.

Основное отопление дома с помощью теплового насоса, имеет весомые преимущества перед эксплуатацией газовых котлов, но по причине высокой стоимости оборудования, использующего низкопотенциальную энергию, они уступают им в популярности.