Геотермальний тепловий насос. Принцип роботи

Більшості населення України поки малознайоме поняття "тепловий насос", але ми постійно їх використовуємо. Теплові насоси працюють у звичних холодильниках і кондиціонерах.

Холодильники та кондиціонери стали настільки надійними, зручними та звичними, що ми навіть не звертаємо увагу на їх роботу.

 Таким саме звичним, як для нас кондиціонери, для наприклад швейцарців, є опалення будинків геотермальними тепловими насосами. Геотермальний тепловий насос за принципом роботи схожий на звичайний кондиціонер реверсивного типу (здатні опалювати і охолоджувати), але має розширені функції. Геотермальний тепловий насос, на відміну від кондиціонерів, адаптований для роботи при будь-яких погодних умовах і мінусових температурах. Головна проблема кондиціонерів - зменшення ефективності та зупинка кондиціонерів при мінусових температурах, коли опалення особливо потрібно - вирішена у геотермальних теплових насосах.

Теплові насоси не являють собою якихось чарівних пристроїв, діяльність яких розуміють тільки продавці та установники теплових насосів. Тепловий насос слід розглядати як будь-який інший опалювальний пристрій, що використовується для виробництва тепла, і у відношенні якого діють усі закони, що стосуються енергії. Як і в кожного способу опалення, також і в теплового насосу є свої особливості, переваги та недолыки. Теплотехнічні розрахунки у всіх способів отримання тепла однакові. Правила термодинаміки діють як при дров`яному пічному опаленні, так і при керуємій через Інтернет геотермальній кліматичній установці.

Технічні подробиці роботи теплових насосів

Принцип роботи теплового насосу відображений в циклі Карно, опублікованому в 1824 р. у його дисертації, та загальновідомий з шкільного курсу фізики. Практичну теплонасосну систему запропонував лорд Кельвін у 1852 р. під назвою „помножувач тепла”. Відповідно до зображеного принципу дії, тепловий насос бере теплову енергію з одного міста, переносить (перекачує) її, та віддає у інше місце.

Наприклад, у звичайному холодильнику тепло відбирається морозильною камерою з холодильника та викидається у кухню, при цьому задня поверхня холодильника стає гарячою.

У реверсивних кондиціонерів, працюючих на опалення, розташований ззовні будинку блок відбирає тепло з повітря та віддає внутрішньому блоку в будинок. Але, при температурах повітря біля плюс п`яти градусів Цельсія, зовнішній блок починає вкриватись ожеледдю та льодовою кригою з конденсату повітря, що зменшує ефективність теплопередачі. Для видалення льоду кондиціонер починає періодично опалювати зовнішній блок електроенергією, при цьому потужність опалення падає, витрати електроенергії зростають. При подальшому зниженні температури ефективність опалення на кондиціонерах стає близькою нулю, кондиціонер зупиняється.

При опаленні геотермальними теплонасосами, попросту кажучи, зовнішній блок закопується у ґрунт або занурюється у водойму поряд з будинком. При цьому, незалежно від температури повітря на подвір`ї, зовнішній блок залишається вільним від льоду, ефективність теплопередачі залишається високою. Принцип дії опалення геотермальними теплонасосами ґрунтується на зборі тепла з ґрунту або води, і передачі зібраного тепла опаленню будинку.

Для збору тепла незамерзаюча рідина тече по трубі, розташованій у ґрунті або водоймі біля будинку, і надходить до теплового насосу. Теплонасос, подібно холодильнику, охолоджує незамерзаючу рідину (відбирає тепло), при цьому рідина охолоджується орієнтовно на 5 °С. Рідина знову тече по трубі у ґрунті або воді, відновлює свою температуру і надходить до теплонасосу. Відібрані тепловим насосом градуси передаються системі опалення та/або на підігрів гарячої води.

Можливо відбирати тепло у підземної води - підземна вода з температурою біля 10 °С подається зі свердловини до теплонасосу, який охолоджує воду до +1...+2°С, і повертає воду під землю.

При кондиціонуванні геотермальний тепловий насос працює у зворотному напрямку, переносячи тепло з будинку в ґрунт або водойму.

Теплова енергія є в будь-якого предмету, що має температуру вище за мінус двісті сімдесят три градуси Цельсія. Тобто тепловий насос може відібрати тепло у будь-якого предмету - землі, водойми, льоду, підземної скали, води тощо.

В кліматичних умовах України для опалення будинку енергія береться з ґрунту (або водойми) та віддається до системи опалення будинку. Якщо ж будинок, наприклад влітку, потрібно охолоджувати, то відбувається зворотній процес - тепло забирається з будинку та скидається у землю (водойму). Той самий тепловий насос може працювати взимку на опалення, а влітку на охолодження будинку. Вочевидь, що тепловий насос одночасно може виконувати витікаючи функції - гріти воду для гарячого водопостачання, кондиціонувати, гріти басейн, охолоджувати наприклад льодовий каток, підігрівати дахи і доріжки від льоду тощо. Тобто єдиний пристрій може взяти на себе усі функції по тепло-холодопостачанню будинку або комплексу будівель.

Обмін теплом із навколишнім середовищем геотермальні теплові насоси здійснюють такими основними способами:

- насос з відкритим циклом - з підземного потоку (пливуна) забирається чиста вода, подається до розташованого в будинку теплового насосу, вода віддає/забирає тепло у теплового насосу, і повертається до підземного потоку на відстані від міста забору. Плюсом такого способу є можливість одночасного використання підземної води для водопостачання будинку. Такі системи є дуже ефективними, адже температура підземної води є відносно високою і цілорічно стабільною. Використання підземної води не шкодить ґрунтовим водам, не змінює рівня ґрунтових вод у водному горизонті, оскільки відкриту систему можна розглядати як сполучені посудини, де вода, відбираєма з однієї свердловини, повертається на своє місце через другу свердловину. Коректно, у відповідності з нормативами споруджені свердловини забезпечують безпечну для оточуючої природи стабільну роботу системи опалення, насос з закритим циклом і водорозташованим теплообмінником - спеціальна рідина (теплоносій) прокачується по колекторам (трубкам), що знаходяться у водоймі, та віддає/забирає тепло у водойми. Будинки доцільно опалювати енергією відкритої водойми в тому випадку, якщо будинок знаходиться від водойми ближче 100 метрів, і глибина водойми, а також берегова лінія відповідає вимогам, потрібним для облаштування колектору. Плюсом такого способу є відносна дешевизна. Розподілені на поверхні озера колектори (трубки) перед заповненням теплоносієм та зануренням їх на дно, насос з закритим циклом і горизонтальним теплообмінником, розташованим у ґрунті - трубки, в яких прокачується теплоносій, розташовані горизонтально на глибині не менш одного метра від поверхні ґрунту. Такий теплообмінник зазвичай звуть поверхневим колектором. Головною загрозою є необережність при проведенні землекопних робіт у зоні находження поверхневого колектора. Для сучасного будинку з опалювальною площею в 200 м2 під колектор потрібно біля 500 м2 поверхні ґрунту. При облаштуванні колектору поблизу дерев трубу колектора не слід укладати ближче, ніж 1,5 метра від крони. Правильно обраний по розмірам і правильно укладений ґрунтовий колектор не впливає на ріст рослин та екологічні умови,  насос з закритим циклом і вертикальним теплообмінником - трубки, в яких прокачується теплоносій, розташовані вертикально у ґрунті та спрямовані у глибину землі до 200 метрів (зазвичай 50 - 100 метрів). Такий теплообмінник зазвичай звуть зондом.

Як відомо, на глибині 15-20 м від поверхні земля має стабільну температуру 10-12 градусів Цельсія незалежно від пори року. Із збільшенням глибини температура землі підвищується. Цей спосіб забезпечує найбільш високу ефективність роботи теплонасосу, малі витрати електроенергії та дешеве тепло - 1 кВт електроенергії забезпечує до 5 кВт теплової енергії, але має більші початкові капіталовкладення.

Теплові насоси, що забирають/віддають тепло з землі або води, в Європі зазвичай звуть "геотермальні теплові насоси", або англійською «geothermal heat pumps» - «GHP». Всі зображені вище способи використовують GHP. В деяких країнах такі теплові насоси мають інші назви. Наприклад у Великобританії до GHP відносять лише насоси з вертикальним теплообмінником, а інші способи звуть "землерозташованими", "ґрунтовими" або "сонячними" теплонасосами. У Західній Україні "теплові насоси" інколи звуть "теплові помпи". Різниця у назвах не змінює суті роботи геотермальних теплових насосів/помп.

Звертаємо увагу на недоцільність застосування в Україні систем опалення на так званих "повітряних теплонасосах", по суті звичайних кондиціонерах, в яких тепло для опалення будинку забирається з навколишнього повітря. Такі системи розроблені та добре працюють у більш південних, ніж Україна, країнах, в яких немає значних морозів - південних штатах США, Греції, Японії тощо. Проблема в тому, що розташований ззовні теплообмінник при температурі повітря біля плюс 5 градусів Цельсія починає вкриватися льодом через замерзаючий конденсат, при цьому різко знижується теплопередача, ефективність теплонасосу зменшується. При подальшому зниженні температури навколишнього повітря ефективність теплонасосу стає наближеною до нуля, повітряний теплонасос переходить на звичайне електроопалення, що значно підвищує витрати електроенергії, або опалення припиняється.

Особливості, на які доцільно звертати увагу при обранні теплонасосу:

Загальна вартість системи. Враховуючи, що теплонасоси різних фірм відрізняються ступінню комплектації та обсягом робіт при встановленні, звертайте увагу на загальну вартість системи з встановленням. Наприклад, деякі виробники не комплектують теплонасоси циркуляційними насосами, які продають окремо. Або вимагають використання теплоносіїв (незамерзаючої рідини) виключно власного виробництва, що значно дорожче альтернативної, тощо.

Кількість компресорів у теплонасосі - один чи два. Теплонасоси з двома компресорами є значно дорожчими, але надійнішими, мають більший моторесурс. Крім того, у разі виходу з ладу одного з компресорів (будь-яка техніка колись виходить з ладу), ви зможете частково опалюватись одним компресором до завершення ремонту.

Один з важливіших показників теплового насосу - його ефективність, або його теплова потужність, електроспоживання та ККД - СОР. У різних моделей і виробників ефективність може відрізнятись у півтори-два рази.

Конструкція зовнішнього колектору. В якості зовнішнього колектору більшість виробників обладнання використовує поліетиленову трубу діаметром 25 - 40 міліметрів з циркуляцією незамерзаючою рідиною - водним розчином гліколю. Існують також геотермальні теплонасоси з мідною трубою діаметром 6 - 10 міліметрів і циркуляцією фреону:

- поліетиленова труба в залежності від діаметру мають товщину стінки 2 - 2,4 міліметри. Так, наприклад, труба діаметром 40 міліметрів мають товщину стінки 2,3 - 2,4 міліметри. Така товщина забезпечує високу надійність і міцність труби - людина вагою 110 кілограм трубу не стискає;

- у якості гликолю зазвичай використовують нетоксичний пропіленгликоль, що застосовується у харчовій промисловості. Неприпустимо використання замість пропіленгликоля етиленгликолю (автомобільний тосол), що дещо дешевший, але ядовитий при потраплянні у навколишню природу або у людину;

- геотермальні теплонасоси з поліетиленовою трубою і водним розчином є конструктивно більш складними, але більш ефективними і надійними, ніж з мідною трубою. Теплонасоси з мідною трубою і фреоном конструктивно простіше, але значна довжина мідної трубки з фреоном під тиском потенційно більш небезпечна. Витік фреону найбільш поширена причина виходу з ладу теплонасосів. Також малий діаметр мідної трубки призводить до значного гідравлічного тиску, потребує збільшених витрат на прокачування. Тому геотермальні теплонасоси великої потужності не виробляються з мідною трубою і фреоном;

В Україні немає належної нормативно-правової бази, що регулює правила встановлення геотермальних теплонасосів. Тому доцільно користуватись вимогами, технологією та рекомендаціями виробників обладнання та нормативно-правовою базою Європейського співтовариства. Вочевидь не всі робітники, що можуть взятись за роботи з встановлення, знайомі з цими вимогами та технологіями. Залучення некваліфікованого персоналу призведе до неякісного встановлення.