Земляной тепловой насос (геотермальный тепловой насос) что это такое?

Для тех, кто умеет работать руками, имеется альтернативный вариант: самому сделать тепловой насос.

Принцип действия теплового насоса

Фактически принцип действия такой же, как и у обычного бытового холодильника, лишь с той разницей, что холодильник берет тепло во внутреннем объеме и передает его во внешний, а насос наоборот – берет тепло извне и передает вовнутрь.

Принцип действия работы теплового насоса для отопления дома простой. Устройство представляет собой двухконтурную систему, внешний контур которой предназначен для отбора тепла у окружающей среды, а внутренний – для передачи тепла в систему отопления дома. Оба контура связаны между собой испарителем, в котором циркулирует хладагент – жидкость с очень низкой температурой кипения. Под воздействием тепла из внешнего контура хладагент переходит в газообразное состояние и поступает в компрессор, где сжимается и перегревается. Затем перегретый газ нагревает теплоноситель внутреннего контура и, отдав тепло, конденсируется. После этого процесс повторяется вновь.

Принцип работы теплового насоса

Для многих данного рода системы отопления кажутся чрезмерно сложными и дорогими, но на самом деле с системой, подобной тепловому насосу мы встречаемся почти каждый день. Обычный домашний холодильник — это разновидность теплового насоса, только работающего в обратную сторону, то есть на охлаждение. Тепло из морозильной камеры забирается, нагревает хладагент, который затем циркулирует в радиаторе на задней стенке, поэтому стенки холодильника часто теплые или горячие.

Устройство

Основными узлами теплового насоса являются:

  • компрессор;
  • теплообменник;
  • управляющий модуль.

Наиболее важную функцию в передаче тепла, выполняет именно компрессор, поэтому подробнее разберем принцип его работы. Как правило, в тепловых насосах устанавливаются спиральные компрессоры. Внутри такого компрессора установлены 2 спиралевидные пластины, одна из которых жестко закреплена, а другая подвижна. Подвижная пластина находится между витками неподвижной.

Принцип сжатия спирального компрессора заключается в том, что между пластинами попадает несжатый воздух, подвижная пластина совершает колебания, похожие на круговые, и тем самым постепенно сгоняя попавший воздух к центру спирали, соответственно объем, в котором было первоначальное количество воздуха уменьшается и тем самым температура воздуха увеличивается.

Принцип действия теплового насоса для отопления дома

  • теплоноситель циркулирует по контуру, который контактирует с окружающей средой, будь это вода, почва или воздух, и забирает некоторое количество тепла;
  • после прохождения внешнего контура, теплоноситель попадает в теплообменник, который еще называется испарителем. Теплообменник заполнен хладагентом, который преобразуется из жидкого состояния в газообразное, по средствам высокого давления, при этом температура в испарителе должна быть -5 С;
  • после испарителя хладагент в газообразном состоянии переходит в компрессор, где под действием высокого давления (сжатия), температура его возрастает;
  • далее, уже нагретый газ попадает во второй теплообменник, который называется конденсатор, где теплом обмениваются: нагретый ранее газ и хладагент, циркулирующий по внутреннему контуру (который, как правило, уже является системой отопления дома). Подача тепла в отопительную систему регулируется специальным редукционным клапаном. С помощью этого клапана давление понижается, хладогент остывает и цикл начинается снова.

Технология геообмена для получения энергии

Земляной тепловой насос в научных кругах больше известен под другими названиями, в частности:

  • геообмен (Geoexchange),
  • грунтовой теплообменник,
  • земная энергетическая система.

Инженеры, однако, чаще пользуются термином «земляные тепловые насосы», дабы избежать путаницы с традиционной геотермальной энергией, где используется высокотемпературный источник тепла для выработки электроэнергии.

Земляные тепловые насосы действуют по принципу сбора тепла, получаемого от Солнца и поглощаемого поверхностью Земли. Температура грунта ниже 6 метров от границы поверхности равна среднегодовой температуре воздуха для конкретной широты земного шара.

ТЕПЛОВОЙ

Структурная схема установки: 1 – природный земляной теплообменник на трубном петлевом замкнутом контуре; 2 (3) – тепловой насос; 4 – ресивер с горячей водой; 5 – тепло, направляемое в радиаторы или в систему тёплого пола; 6 – использование водного ресурса для хозяйственных нужд

В зависимости от параметра широты, температура под верхним слоем Земли поддерживается на постоянном уровне в диапазоне 10-16°C. Подобно холодильнику или кондиционеру, систему допустимо использовать в качестве теплового насоса для принудительной передачи тепла от грунта.

Тепловые насосы способны передавать энергию от холодной к тёплой области в противовес естественному направлению потока. Либо эти же устройства способны усиливать естественный поток тепла, направленный от теплой среды к холодной.

Правила монтажа теплонасоса типа грунт–вода

Схема работы насоса системы «грунт-вода» (нажмите для увеличения)

Грунт является источником тепла. Углубившись на 5 метров в землю, можно заметить, что температура там остается практически одной и той же целый год (в большинстве регионов России – 8-10°C).

Читайте также:  Повышенное давление воды в газовом котле

Благодаря этому отопление будет высокоэффективным. Работает система следующим образом: грунтовый теплообменник, находящийся в земле, собирает энергию, которая аккумулирует в теплоносителе, после чего перемещается в теплонасос и возвращается обратно.

Внутри современных тепловых насосов грунт–вода, циркулирует жидкость – антифриз. Также иногда используется вода с этиленгликолем или пропиленгликолем. Эти жидкости не замерзают и имеют хорошие показатели КПД (коэффициент полезного действия).

С помощью коллекторов (они же теплообменники) жидкость циркулирует по системе. Они представляют собой удлиненные трубы, опущенные под землю в вертикальном положении. Рекомендуется использовать два вида труб: «дугообразные» и «труба внутри трубы».

Чтобы улучшить передачу тепла и повысить прочность, применяется бетон. Им заливается зазор между трубами и землей. Для увеличения мощности устанавливают несколько теплообменников.

Совет по установке: вертикальные коллекторы должны находиться на расстоянии не менее чем на 5 метров друг от друга.

Вертикальные теплообменники стоят недешево. Но даже при этом у них есть минусы. Лишь по прошествии 4 лет уравновешиваются процессы теплового отбора, и возобновляется «питательная» способность грунта. При проектировании следует это учесть.

После изучения участка и грунта на нем определяют, по какой схеме будут укладывать трубы. Разные схемы укладки коллекторов позволяют получить максимум пользы в каждом конкретном случает.

Обратите внимание: процесс установки насоса типа грунт-вода достаточно затратный из-за того, что производится бурение скважин.

Плюсы вертикальных теплообменников:

  • безопасность;
  • недорогое сервисное обслуживание;
  • не занимают много места;
  • отлично преобразуют тепло;
  • не способствуют утечке грунтовых вод.

Теплоноситель марки ХНТ-НВ

Ключевое отличие теплоносителя для теплового насоса ХНТ-НВ состоит в низком коэффициенте вязкости. Это понижает инертность системы отопления, позволяя существенно быстрее и равномернее прогревать жилые помещения. Результирующая экономия энергии от такого эффекта составляет до 20% при запуске оборудования в условиях температур ниже нуля. Еще одной отличительной особенностью теплоносителя ХНТ-НВ является стабильность его теплофизических характеристик в широком диапазоне эксплуатационных температур. Это обеспечивает равномерный прогрев помещения, препятствует дополнительным энергетическим расходом при колебаниях температур.

Основные физико-химические и теплофизические параметры ХНТ-НВ

Внешний вид Прозрачная однородная жидкость со слабым характерным запахом без механических примесей
Верхний температурный предел эксплуатации +118оС
Нижний температурный предел эксплуатации от –20оС до –60оС*
Плотность (при +20оС) 1,090 – 1,126*
рН (при +20оС) 9,0 ±0,5*
Устойчивость пены (при +20оС) не более 3 сек.

* — в зависимости от марки ХНТ-НВ

Антикоррозионная защита

Применимые в составе ХНТ-НВ ингибиторы коррозии позволяют практически полностью исключить коррозионное воздействие на металлические элементы системы теплового насоса.

Коррозионное воздействие на металлы антифризов серии ХНТ-НВ, определенное весовым методом, г/м2 в сутки
Сталь-3 (ГОСТ 380-94), не более 0,1
Медь М1 (ГОСТ 859-78), не более 0,1
Припой ПОС35 (ТУ 48-13-10-84), не более 0,2
Алюминий АК-6М2 (ОСТ 48-178-80), не более 0,1

Безопасность

Теплоноситель ХНТ-НВ для систем геотермальных тепловых насосов экологически безопасен, при попадании на открытые части тела или на одежду легко смывается водой, не оставляя раздражения или ожогов. Попадая в почву, в грунт ХНТ-НВ разлагается, не нанося никакого вреда окружающей среде, природе. Теплоносители серии ХНТ-НВ – не токсичны (относятся к 4-му классу опасности — «веще­ства малоопасные» по ГОСТ ), пожаро- и взрывобезопасны.

Энергоэффективность и экономичность

По сравнению с теплоносителями на основе пропиленгликоля, серия ХНТ-НВ, благодаря инновационной системе снижения вязкости, обладает лучшими гидродинамическими характеристиками что способствует снижению энергозатрат на их перекачивание и повышению эффективности тепловых насосов.

Стабильность характеристик и долговечность

Период эксплуатации ХНТ-НВ, в течение которого остаются стабильными теплофизические характеристики (при соблюдении условий эксплуатации, рекомендованных производителем), составляет 15 лет.

Эксплуатация и хранение

Теплоносители для тепловых насосов серии ХНТ-НВ выпускаются в виде готовой к применению продукции. Изменение концентрации теплоносителя возможно только после консультации с производителем.

Не допускается смешивать ХНТ-НВ с другими теплоносителями, в связи с высокой вероятностью протекания нежелательных химических реакций между компонентами теплоносителя, что может привести к ухудшению теплофизических и антикоррозионных свойств, появлению осадка, выделению газов и т.д.

Делаем и устанавливаем тепловые насосы своими руками

Тепловой насос своими руками изготовить вполне реально, однако для этого необходимо найти хороший компрессор.

Сделать это можно, заглянув к какому-то местному мастеру по ремонту бытовой техники, где распотрошив старый кондиционер, вы за небольшую сумму получите вполне качественный компрессор (их ресурс работы намного больше, чем среднестатистический срок жизни кондиционеров).

В качестве конденсатора можно использовать бак из нержавейки, ориентировочно на 100 литров. А для контура, по которому будет циркулировать теплообменник, отлично подойдут тонкие медные сантехнические трубки.

Тепловой насос своими руками – этапы изготовления:

  1. С помощью уголка, либо L-образных кронштейнов крепим компрессор к стене в том месте, где будет размещаться тепловой насос.
  2. Далее, из медных трубок делаем змеевик – обматываем их вокруг цилиндра подходящей формы. Следите за тем, чтобы шаг намотки по всем змеевику был идентичен.
  3. Бак разрезается на две части, внутрь вставляется змеевик, после чего бак сваривается обратно. При этом в нём создается несколько резьбовых входных отверстий – сверху и снизу, через которые наружу выводятся крайние трубки змеевика.
  4. В качестве испарителя используем обычную пластиковую бочку, в которую заводятся трубы внутреннего контура (либо любую другую емкость, объем которой идентичен конденсаторному баку).
  5. Для транспортировки прогретой воды используются обычные ПВХ трубы.

    Обмотка для самодельного теплового насоса из стали

Читайте также:  Как сделать буржуйку в гараж своими руками

Для заправки системы фреоном рекомендуется обратиться к специалисту.

Чтобы сделать тепловой насос Френетта своими руками нам необходимо обзавестись такими материалами:

  • Стальной цилиндр (диаметр выбирайте исходя из мощности насоса, которая необходима вам для отопления: чем больше рабочая поверхность – тем более эффективным будет устройство);
  • Стальные диски, с диаметром на 5-10% меньше, чем диаметр цилиндра;
  • Электродвигатель (лучше всего изначально подбирать привод с удлиненным валом, так как на него будут устанавливаться диски);
  • Теплообменник – любое техническое масло.

От количества оборотов, которое может выдать двигатель, будет зависеть температура, до которой насос Френетта сможет прогреть воду для отопления дома, либо бассейна. Чтобы вода в радиаторах прогрелась до 100 градусов необходимо, чтобы привод обеспечивал 7500—8000 оборотов/мин.

Вал силового агрегата на подшипниках размещаем внутри стального цилиндра. Место, где вал входит в цилиндр должно быть надежно уплотнено, поскольку наличие даже малейших вибраций быстро выводит механизм из строя.

На вал двигателя монтируются рабочие диски. Необходимое расстояние между ними можно задать, накручивая после каждого диска гайки. Количество дисков определяется в зависимости от длины цилиндра – они должны равномерно заполнять весь его объем.

В верхней и нижней части цилиндра просверливаем два отверстия: к верхнему будет подведены отопительные трубы, в которые будет подаваться масло, а к нижнему отверстию подсоединяется обратная труба для возврата использованного масла с радиаторов.

Вся конструкция закрепляется на металлической раме. После того как агрегат собран, цилиндр заполняется маслом, к нему подключаются патрубки отопительной магистрали и выполняется герметизация соединений.

Тепловой насос, созданный на производстве

Тепловой насос Френетта обладает очень высоким КПД, что позволяет его эффективно использовать в любых отопительных системах. Он может использоваться для обогрева любых хозяйственных помещений, гаражей, и жилых зданий. Кроме этого, за счет компактных размеров такой самодельный насос отлично подходит для прогрева бассейна, либо «теплого пола».

2.1 Монтаж тепловых насосов

Особенности монтажа тепловых насосов зависят, в первую очередь, от способа размещения внешнего контура.

  1. Геотермальные тепловые насосы. Для вертикального способа монтажа создаются скважины глубиной от 50 до 100 метров, в которые опускается специальный зонд. Для горизонтальной укладки создается траншея на ту же длину либо котлован, в котором трубы укладываются параллельно друг другу. Трубы закладываются в грунт на глубину полутора метров.
  2. Насосы вода-вода: внешний контур укладывается на дне водоема, и выводятся к тепловому насосу.
  3. Воздух-вода: блок с трубами внешнего контура устанавливается на крыше или на стене здания (по внешнему виду его трудно отличить от наружной коробки кондиционера), и подводится к тепловому насосу внутри помещения.

Изготовление

Тепловой насос

Тепловой насос может быть изготовлен из имеющихся в хозяйстве деталей или путем приобретения дешёвых бывших в употреблении запасных частей. Порядок изготовления установки следующий:

  1. Приобретаем готовый компрессор в специализированных магазинах или используем компрессор от обычного кондиционера. Закрепляем его к стене, где будет располагаться наша установка. Надёжность крепления обеспечивается двумя кронштейнами L-300.
  2. Изготавливаем конденсатор. Для этого из нержавеющей стали бак с объемом около ста литров разрезаем пополам. Устанавливаем в бак змеевик из тонкой медной трубки с толщиной стенки не менее 1 мм. Для змеевика можно приобрести сантехническую трубку или применить медную трубку от старого холодильника. Змеевик изготавливаем следующим образом:
    1. на кислородный или газовый баллон наматывается медная трубка, важно выдержать небольшое расстояние между витками, которое должно быть одинаковым;
    2. для фиксации положения витков трубки берём два перфорированных алюминиевых уголка и прикрепляем их к змеевику таким образом, чтобы каждый виток нашей трубки был расположен напротив отверстия в уголке. Уголки обеспечат одинаковый шаг расположения витков и придадут геометрическую неизменяемость всей конструкции змеевика.
  3. После установки змеевика, половинки бака свариваем между собой, предварительно вварив необходимые резьбовые соединения.
  4. Изготавливаем испаритель. Берем обычную закрытую ёмкость из пластмассы объёмом 60 или 80 литров. В неё вмонтируем змеевик из трубки диаметром в ¾ дюйма и резьбовые соединения для труб слива и поступления воды (допускаются обычные водопроводные трубы). Готовый испаритель также закрепляем на стене при помощи L -кронштейнов необходимого размера.
  5. Приглашаем мастера для сборки системы, сварки медных трубок и закачки фреона. Не имея опыта работы с холодильным оборудованием, не надо пробовать выполнить эту работу самостоятельно. Это может привести к выходу из строя всей конструкции и чревато получением тяжёлых травм.

После готовности основной части нашей системы, необходимо выполнить её подсоединение к устройствам распределения и забора тепла.

Сборка установки забора тепла зависит от типа насоса и источника тепла.

Рабочие параметры оборудования

Сильные морозы в Подмосковье — редкость, опыт показал, что температура редко опускается ниже -25℃. Подсчитали — в таких условиях для дома имеющейся площади будет достаточно насоса, выдающего 15 кВт тепла. Бюджет системы обошелся нам примерно в 150 000 рублей.

КПД у воздушных насосов тоже меняется в зависимости от внешних условий. В нашем случае оказалось, что при потреблении 1 киловатт-часа электроэнергии система выдавала 2-2,5 кВт тепла. Это минимум. Если на улице легкая оттепель с температурой чуть выше нуля, то она выдает 3,5 кВт тепла.

Дом равномерно прогревается именно теплым воздухом, радиаторов или теплых полов нет. В систему постоянно через рекуператор добавляется свежий уличный воздух.

Задача рекуператора — в дополнительной экономии тепла. С его помощью поступающий с улицы воздух подогревается тем, который принудительно выбрасывается из дома, например, из санузлов. Желаемая температура в помещении выставляется на пульте.

Управление автоматическое, на ночь температура снижается для большего комфорта.

Разновидности трансформаторов тепла

Все, существующие ныне установки для получения тепловой энергии от внешних источников, классифицируются как:

  • Геотермальные. Приборы, коллекторы которых монтируются непосредственно в недра земли.
  • Гидротермальные. Установки, теплообменники которых устанавливаются в воду.
  • Аэротермальные. Устройства с испарителями, установленными на открытом воздухе.

Рассмотрим более подробно каждую разновидность и принцип действия тепловых насосов для отопления дома.

Существует два варианта отбора тепла у земли:

  • Посредством использования змеевика, расположенного горизонтально ниже точки промерзания. В зависимости от региона и назначения установки, заглубление трубопровода может варьироваться от 1,5 до 10 м.
  • Устанавливая трубу с «незамерзайкой» вертикально.

В землю укладываются трубы, по которым будет циркулировать теплоноситель. Форма раскладки трубопровода может быть различна и зависит от свойств теплоносителя.

Важно! Сложная структура укладки позволяет увеличить площадь соприкосновения трубопровода с землей, что также увеличивает гидравлическое сопротивление коллектора.

Достоинства горизонтального теплообменника-коллектора – сравнительно невысокая стоимость монтажных работ. Недостаток – большая площадь.

Достоинства вертикального коллектора – небольшая площадь и более высокая температура источника. Недостаток – высокая стоимость монтажных работ.

Важно! Бурение земли на такую глубину требует наличие разрешительных документов, которое получить достаточно хлопотно и дорого.

Принцип обустройства водяного змеевика практически не отличается от горизонтального, расположенного в грунте: на дно водоема укладывается трубопровод, который фиксируется грузами. Температура воды, даже в зимний период, не опускается ниже + 4°С, что делает применение водяного коллектора-теплообменика наиболее эффективной СО. Единственное ограничение – это длина подводящей магистрали, которая не должна превышать 40- 50 м.

Важно! Так как далеко не у всех населенных пунктов есть близлежащие водоемы, то практикуется размещение змеевиков испарителей в сточных, или х промышленных водах.

По большому счету, тепловой насос для отопления дома воздух-воздух – это обычная сплит-система, которая работает на обогрев: испаритель находится на воздухе, а конденсатор в доме. Тепло, отбирается у окружающего воздуха и перемещается хладагентом в помещение, где и передается теплоносителю водяной СО или напрямую воздуху, который прогоняется через теплообменник конденсатора.

Достоинства: минимальные затраты на приобретение и монтаж данной установки.

Недостатки: при — 15°С уличного воздуха  1кВт полученной энергии равняется 1кВт затраченной, на работу прибора.

Тепловые насосы геотермального вида

Закрытые системы делятся на несколько видов:

  1. Геотермальные с горизонтальным расположением подразумевают укладку коллектора в траншее ниже глубины промерзания почвы. Это – примерно 1,5 метра. Коллектор укладывают кольцами с той целью, чтобы уменьшить площадь земляных работ до минимума и обеспечить на небольшой площади достаточный контур (прочитайте: «Геотермальные тепловые насосы для отопления: принцип устройства системы»). Данный метод подходит лишь в том случае, если имеется в распоряжении достаточно свободной площади участка.
  2. Геотермальные конструкции с вертикальным расположением предусматривают размещение коллектора в скважине глубиной до 200 метра. Такой метод применяется при отсутствии возможности расположить теплообменник на большой площади, что необходимо для горизонтальной скважины. Также геотермальные системы с вертикальными скважинами делают в случае неровного ландшафта участка.
  3. Геотермальные водные подразумевают помещение коллектора в водоем на глубину ниже уровня промерзания. Укладка выполняется кольцами. Такие системы не могут использоваться, если водоем имеет небольшие размеры или недостаточную глубину. Необходимо учитывать, что в случае промерзания водоема на том уровне, где находится коллектор, насос работать не сможет.

Тепловой насос воздух вода — особенности, детали на видео: