Многие наши соотечественники толком не знают, что такое тепловой насос. Но отметим, что они есть у каждого в доме: в кондиционере или холодильнике. Эти устройства стали настолько популярными, что никто не обращает внимания на их работу.
Отопление зданий геотермальными насосами является настолько же популярным, например, в Швейцарии, как у нас использование кондиционера. Тепловой насос похож на обычный кондиционер реверсивного типа, однако имеет множество функций. В отличие от кондиционера, такой насос может работать при любых температурах. Так, кондиционер при минусовой температуре остановится. Потому лучше всего использовать геотермальную систему.
Принцип работы теплового насоса можно рассмотреть на схеме Карно. Цикл Карно изучается еще в школе на физике. Уже в 1852 году Кельвин предложил теплонасосную систему. Принцип действия насоса таков: устройство берет тепло в одном месте и переносит его по разным точкам посредством специального теплоносителя. К примеру, в холодильнике тепло отбирается из холодильной камеры и отдается в помещение. Продукты становятся холодными, а стенка холодильника с внешней стороны – нагревается.
Геотермальный насос отапливает помещение, забирая тепло из окружающей среды — воды, воздуха, земли. Тепло вбрасывается в систему отопления помещения. Получается, что при отоплении дома геотермальной системой морозильная камера зарывается в землю или опускается в воду. Для того чтобы собирать тепло антифриз течет по трубам системы. Тепловой насос отбирает тепло, охлаждая до 5 градусов жидкость. Тепло передается на нагрев воды и воздуха в помещении.
Получается, что тепловой насос отбирает тепло у всех предметов и веществ: воды, земли, воздуха. В нашей стране чаще всего используются системы, где тепло забирается с земли и передается в здания. К тому же тепловой насос работает зимой на обогрев помещения, а летом – охлаждает помещение. Очевидно, что тепловые насосы могут выполнять все задачи, которые связаны с подогревом и охлаждением поверхностей и жидкостей.
В насосе с открытым циклом вода из земли перекачивается в систему. Тепло забирается насосом, а затем вода вновь сливается на глубину забора. Преимущество такой системы заключается в том, что можно одновременно и получать воду для дачного дома. Когда вода забирается из скважины, то окружающая природа не страдает. Ведь по большому счету вода собирается в одном месте в земле, а затем опять возвращается в тот же горизонт.
Насос с закрытым циклом имеет жидкость, которая качается по коллекторам. Коллекторы размещены в водоеме. Тепло отбирается у воды и передается в дом. Преимущество системы – дешевизна. Однако систему уместно строить тогда, когда водоем находится на расстоянии не более 100 метров от строения.
Насос с закрытым циклом имеет трубки, которые пропускают по себе воду. Трубки могут уходить в воду на глубину до 150 метров. Известно, что на глубине 10 метров температура почвы составляет 12 градусов круглый год. Чем глубже, тем больше температура земли. Это значит, что без больших капиталовложений можно получать большое количество тепловой энергии.
В Европе насосы, которые забирают тепло в земле, называют геотермальными насосами. Воздушные тепловые насосы в нашей стране использовать нецелесообразно. Такие системы используются в странах, где климат намного жарче. Если теплообменник, температура которого будет ниже — 5 градусов, разместить на улице, то он покроется льдом. Это значит, что система не будет работать на полную мощность а через некоторое время насос начинает просто «поедать» электричество и работать в ноль.
Энергия земли для отопления дома
В последнее время все большую популярность приобретают альтернативные источники тепла и света, которые можно использовать для обогрева дома. Одним из них является отопление от земли, или так называемое геотермальное отопление.
Принцип получения энергии из грунта.
Для него используется энергия, источником которой может быть воздух, грунт, водные объекты, скальные породы или иной источник с температурой не ниже 1°С, к которому есть доступ в зимнее время года.
Принцип работы отопления дома теплом земли
В ХІХ веке британский физик Уильям Томсон придумал устройство, которое назвал умножителем тепла. Он стал прообразом современных геотермальных установок — тепловых насосов, которые преобразуют низкопотенциальную энергию земли в высокопотенциальную.
Всем известно, что даже в очень сильные морозы земля промерзает лишь на определенную глубину. Ниже уровня промерзания температура грунта составляет 3-5°С, геотермальные системы отопления используют именно это тепло. Их принцип работы достаточно прост:
С удешевлением технологий, получение геотермального тепла может позволить себе практически каждый домовладелец.
- Через систему труб, находящихся в земле, забирается природное тепло. Для этого трубопровод наполняется веществом, которое способно поглощать минимальную положительную температуру.
- Теплоноситель, проходя через тепловой насос, поступает в теплообменник, который называют испарителем, и отдает природное тепло внутреннему контуру насоса, заполненному хладоагентом с низкой температурой кипения.
- Проходя через испаритель, жидкость переходит в газообразное состояние и попадает в компрессор, с помощью которого происходит сжимание газа до высокого давления и повышение температуры.
- Нагретый газ поступает в конденсатор для теплообмена с теплоносителем системы отопления жилого дома.
- Отдав свое тепло, хладагент снова преобразуется в жидкость, проходит через редукционный клапан, снижающий давление и попадает в испаритель.
Источники тепла для внешнего контура
Схема и принцип работы глубинного теплового насоса.
Для устройства отопления дома теплом земли, может использоваться энергия нескольких источников:
Использование энергии грунта предусматривает устройство трубопровода из пластиковых труб диаметром 35-40 мм. Его необходимо закладывать на глубину не менее 2 м, причем расстояние между трубками не должно превышать 1 м. Если не соблюдать эти условия, может возникнуть эффект выхолаживания участка на котором заложен внешний контур системы отопления, что приведет к отсутствию на нем растительности и другим негативным явлениям. Наиболее подходящими считаются влажные грунты с высоким уровнем грунтовых вод. Устройство внешнего контура в сухом грунте требует увеличения длины труб. Необходимую длину трубопровода можно просто рассчитать, зная, что на 1 м трубопровода приходится 20-30 Вт тепловой энергии.
В скальных породах для установки трубопровода необходимо бурить скважины. Их глубина зависит от необходимой производительности теплового насоса. Например, исходя из того, что 1 м скважины дает около 50-55 Вт тепловой энергии, можно рассчитать, что для насоса в 10 кВт необходима скважина глубиной 200-180 м. Бурение одной глубокой скважины обходится слишком дорого, поэтому ее можно заменить несколькими менее глубокими, суммарная длина которых будет равняться общей расчетной глубине.
В качестве источника тепловой энергии подходят достаточно большие водные объекты с проточной водой. Контур из труб укладывают на дно, где всегда положительная температура, а для предотвращения его всплывания предусматривается установка на каждый погонный м не менее 5 кг груза. На 1 м такого контура приходится примерно 30 Вт тепловой мощности.
Использование воздуха в качестве источника тепловой энергии целесообразно только в относительно теплом климате. Такая система работает эффективно только в том случае, если температура воздуха не ниже -10°С. При более низких температурах используют дополнительный обогрев электрическими тэнами, что приводит к значительным расходам.
Достоинства и недостатки геотермального отопления
Системы отопления дома с помощью тепла земли, несмотря на необходимость значительных финансовых вложений, имеют много преимуществ:
- хорошая экономичность;
- при работе тепловых насосов нет шумового фона, что позволяет устанавливать их вблизи жилых помещений;
- компактность тепловых насосов;
- высокий КПД, составляющий около 500%, даже с учетом того, что для работы насосов используется электроэнергия;
- отсутствие вредных выбросов обеспечивает высокую экологичность системы отопления энергией земли;
- возможность использовать отопительную систему для кондиционирования дома в летнее время;
- система отопления не требует специального обслуживания, так как полностью автоматизирована;
- не требует специальных помещений для устройства котельной или для хранения топлива;
- длительный строк эксплуатации, составляющий 40-50 лет.
К недостаткам этого вида альтернативного отопления можно отнести:
- большие затраты на обустройство геотермальной системы;
- недостаточную автономность из-за необходимости использовать электроэнергию для работы насосов;
- в большинстве случаев используется совокупно с другими обогревателями;
- работы по монтажу, настройке и обслуживанию системы должны выполняться только с помощью квалифицированных специалистов.
Альтернативные источники энергии позволят значительно снизить расходы на обогрев, сделав дом эргономичным. Несмотря на то что строк окупаемости геотермальной системы отопления может составлять 10-15 лет, в будущем она поможет сэкономить значительные средства из семейного бюджета.
