Теплові насоси ґрунт-вода

Теплова помпа типу «грунт-вода» є комплексом обладнання, що складається з геотермального теплообмінника, складеного з численних трубопроводів і розташованого нижче глибини фактичного промерзання грунту, а також самого теплового насоса, що функціонує із застосуванням зворотного фізичного циклу Карно. Фактично, будь-який такий пристрій – це холодильник, але працюючий «навпаки». За допомогою спеціальних зондів або колекторів він відбирає теплову енергію із ґрунту, а потім передає її в побутові мережі обігріву. Схожість за алгоритмом дії з холодильними системами дозволяє використовувати влітку багато модифікацій теплонасосів як кондиціонери – для охолодження приміщень. Хоча при цьому втрати ефективності доходять до 20%, це все одно виправдано, з урахуванням високої здатності обладнання, що гріє.

Принцип роботи теплового насоса ґрунт-вода зводиться до передачі тепла від джерела з низьким потенціалом теплової енергії до води як теплоносія. При цьому земля в даному випадку влітку відіграє роль радіатора, а в зимовий період стає активним джерелом тепла. Це можливо завдяки такому простому природному явищу, як теплова інерція. Справа в тому, що температура грунтових шарів, розташованих на глибині 6 м і більше від поверхні, ідеально відповідає середньорічній температурі повітря в конкретному регіоні. Більше того, вона ще й майже не змінюється протягом усього календарного року. А різниця температур у різних шарах ґрунту допомагає підвищити загальну ефективність системи та дозволяє зменшити фактичні експлуатаційні витрати. Все це сприяє максимально економічній роботі будь-якого теплового насоса земля-вода.

На практиці в процесі його функціонування в розміщений під шаром грунту трубопровід надходить незамерзаючий теплоносій, яким може бути антифриз, вода зі спиртом, соляний розчин або гліколева суміш з високим показником в'язкості. Під землею він нагрівається на кілька градусів, переймаючи температуру ґрунту. Потім, завдяки роботі насоса, ця речовина переходить у теплообмінний вузол - випарник, де передає накопичену теплову енергію внутрішньому системному контуру, в якому знаходиться фреон. Після цього робоча рідина повертається у вихідну точку, ставши холоднішою на 2-5 °С. У свою чергу, фреон, що отримав теплову енергію, нагрівається у випарнику, переходить у газоподібний стан, а потім потрапляє в компресор. У компресорі він стискується під впливом дуже високого тиску, і за рахунок цього стає ще гарячішим.

На наступному етапі розпечений газ надходить у конденсатор, де знову переходить у рідкий стан, віддаючи власну теплову енергію воді, що циркулює в мережі обігріву будівлі. Тиск фреону зменшується після проходу через розширювальний клапан системи. Після закінчення цього процесу повністю охолоджений холодоагент повертається в початкову точку циклу, тобто - у випарник, вже в рідкому стані, а сам цикл потім повторюється знову. Важливо те, що в результаті перебігу описаного вище процесу об'єм теплової енергії, забраної у ґрунту і переданої в систему опалення або гарячого водопостачання житлового будинку, більш ніж у 4 рази перевищує кількість електроенергії, що витрачається для забезпечення функціонування не тільки основної компресорної установки, але і циркулярного насоса, а також їхнього керуючого блоку.

Розглядаючи питання підбору оптимального теплонасоса земля-вода, потрібно відразу відзначити, що монтаж такого обладнання обходиться дорожче за монтаж інших видів альтернативних нагрівачів. Причина цього – необхідність проведення масштабних земляних робіт на різних глибинах. Так, для горизонтального розташування комунікацій, що відбирають тепло, потрібно розміщувати їх на великих площах, на глибині - нижче промерзання грунту. А для вертикального монтажу потрібно бурити свердловину для розміщення спеціального геотермального зонда. Такі вимоги обмежують застосування ґрунтових теплових помп, які проблематично використовувати на невеликих присадибних ділянках. Тим не менш, облаштування геотермального опалення дозволяє не лише згодом окупити витрати на нього, а й суттєво зменшити подальші витрати на комунальні послуги.

Для прокладання зовнішніх трубопроводів системи типу «земля-вода» потрібні міцні полімерні труби з хорошими експлуатаційними характеристиками. Для їх монтажу за допомогою екскаватора викопується довгастий котлован, на дно якого комунікації укладають горизонтально приблизно за тією ж схемою, що застосовується для контурів опалення підлоги. При цьому використовується площа з розрахунку 25-50 м2 на кожен кВт потужності наявного теплового насоса. Як уже було зазначено, глибина котловану повинна бути нижчою за максимальні позначки промерзання ґрунту в конкретному регіоні, а всі точні довжини та крок укладання труб визначаються при проведенні розрахунків, виконувати які мають виключно фахівці. В іншому випадку обладнання не тільки може виявитися неефективним, а взагалі перестати функціонувати належним чином.

Зрозуміло, горизонтальний монтаж комунікацій теплових насосів підходить лише власникам щодо великих земельних наділів. Особливо з огляду на те, що задіяні для цього площі вже неможливо використовувати ні для городніх грядок, ні для висадки дерев. Зверху можна облаштувати лише газон чи квіткові клумби. Відповідно, власникам невеликих ділянок доводиться обмежуватися вертикальним монтажем глибинних зондів, які заглиблюються в нижні шари грунтів, і не займають корисних площ поблизу поверхонь. Але цей спосіб установки теж має значний недолік – це його трудомісткість, пов'язана з необхідністю застосування спеціальної будівельної техніки. Очевидно, що в такому випадку витрати на монтаж суттєво збільшуються, особливо якщо необхідно ставити кілька зондів.

Втім, майбутнім власникам подібних нагрівачів необхідно враховувати, що і при горизонтальному, і при вертикальному монтажі всі будівельні та налагоджувальні роботи займають щонайменше місяць. Ну а для горизонтального розташування комунікацій теплового насоса на ділянці свердловини бурять глибиною від 20 м до 150 м. У кожну з них опускаються спеціальні геотермальні зонди, попередньо підключені до помпи. Кожен з них є відносно невеликим оголовком з приєднаними трубами. Потрібна кількість таких свердловин і зондів, а також глибину їх занурення та оптимальний діаметр приєднувальних трубопроводів прораховують окремо для кожної конкретної ділянки. І, як і у випадку із горизонтальними комунікаціями, такі розрахунки виконують лише професіонали – на основі даних, отриманих під час проведення геологічної розвідки.

Після завершення буріння та монтажу зондів, приєднані до них труби укладають у колекторну криницю. Від нього у напрямку до теплового насоса йдуть дві магістральні лінії - подача і зворотна, з ізоляційними покриттями. При цьому діаметр магістралі залежить від загальних розмірів системи обігріву, що обчислюються при створенні її проекту, а також площі приміщень, яке необхідно опалювати. Іноді цей параметр досягає 160 мм. У свою чергу, найважливіший критерій підбору теплових помп ґрунт-вода – потужність, що також визначається після розробки комплексного проекту мережі опалення будинку, що дозволяє точно цінувати його потреби у теплі. В даному випадку це важливо не тільки для того, щоб не купити занадто слабке обладнання або занадто продуктивне, а значить - споживає зайву електроенергію, що постійно споживає.

У випадку з геотермальними мережами типу «земля-вода», при встановленні дуже потужного обладнання, що відбирає із ґрунту занадто багато тепла, ґрунт навколо трубопроводів просто почне промерзати. А з урахуванням того, що в ній завжди міститься певна кількість вологи, у таких випадках ймовірно утворення навколо труб повноцінної крижаної кірки, після появи якої насос взагалі припинить працювати. Відповідно, потреби в теплі для конкретної будівлі прораховуються з урахуванням її тепловтрат, витрати енергії в її частинах, а також наявності або відсутності додаткового контуру гарячого водопостачання. Цю роботу теж варто довіряти фахівцям, але пробний та приблизний розрахунок за бажання можна виконати навіть особисто.

Алгоритм розрахунку потужності теплового насоса ґрунт-вода для приміщень зі стелями висотою не більше 2,7 м такий:

• Розраховується загальна площа всіх приміщень, які потребують обігріву;
• Кількість енергії для цієї мети береться із середнього значення 0,07 кВт на 1 м2;
• Щоб обігріти будинок на N квадратних метрів, необхідно помножити N · 0,07 кВт;
• Ну а для забезпечення потреб у тепловій енергії мережі гарячого водопостачання до отриманої цифри додають ще 15-20%, або N · 0,07 · 0,8 або N · 0,07 · 0,85.

Згідно з усередненими приблизними розрахунками, для обігріву будинку площею 100 м2 необхідно витратити близько 7,5 кВт/год енергії. Для такого випадку вертикальні зонди ґрунтового теплового насоса потрібно помістити в ґрунт на глибину 110-115 м або відвести під горизонтальні трубопроводи 250 м2 площі прилеглої земельної ділянки. Насамкінець, варто відзначити, що з двох описаних вище способів укладання комунікацій для обладнання, що розглядається, більш ефективним визнаний вертикальний метод. Завдяки тому, що на великих глибинах температура ґрунтів завжди виявляється вищою і стабільнішою за рахунок впливу енергії земного ядра, вертикальне укладання забезпечує максимальний ККД теплової помпи. Більше того, геотермальні зонди дозволяють теплонасосу надійно працювати протягом багатьох років, без збоїв та поломок.

Незважаючи на високу ефективність, дані помпи закономірно мають як плюси, так і мінуси, з якими потрібно ознайомитися, почавши з переваг теплових насосів грунт-вода:

• Економічна робота – найцінніша якість будь-якої подібної системи, та можлива за рахунок використання безкоштовної природної енергії ґрунтів;
• Стабільно висока продуктивність – не залежна від пори року, завдяки майже постійній температурі на певній глибині під поверхнею ґрунту;
• Можливість досягнення енергонезалежності – для отримання якої тепловому насосу потрібні великі площі або кілька свердловин для відбору тепла;
• Універсальність застосування – завдяки подібному обладнанню можна гріти теплоносій і для опалювальних мереж, і для мереж гарячого водопостачання;
• Відсутність забруднень навколишнього середовища – теплові насоси для ґрунту в процесі експлуатації не викидають в атмосферу токсичних речовин;
• Підвищений рівень комфорту – що дозволяє цим пристроям майже нічим не поступатися класичним газовим та електричним аналогам;
• Безпечна експлуатація – реальна завдяки відсутності відкритого вогню, вибухонебезпечного палива або токсичних продуктів згоряння;
• Тривалий експлуатаційний термін – обчислюваний десятиліттями, за умови правильної роботи та своєчасному обслуговуванні;
• Постійний рівень прогрів ґрунтів – завжди вищий, ніж у води у водоймах, що робить ККД ґрунтових теплонасосів більшим, ніж у їх водяних аналогів.

У свою чергу, недоліки теплових насосів ґрунт-вода полягають у наступному:

• Відносно висока вартість - як самого подібного пристрою, так і монтаж його елементів, для чого потрібно залучати спеціальну будівельну техніку;
• Трудомісткість монтажних робіт – що передбачають горизонтальне укладання численних трубопроводів у довгі траншеї на досить великих площах;
• Тривалість установки – весь комплекс робіт із встановлення теплонасосу та його комунікацій, а також налагодження їх роботи, в середньому, займає не менше місяця;
• Необхідність у точному розрахунку потужності – невиконання якого може призвести до великого споживання тепла з ґрунту та наступного за цим його промерзання;
• Задіяння великих площ ґрунтів - які вже не можна використовувати для сільськогосподарських потреб після прокладання в їх глибинах трубопроводів;
• Залежність ефективності багатьох чинників – таких як, тип теплообмінника, складність і склад грунтів, близькість підземних вод, і навіть клімату регіону.

Купити теплові насоси ґрунт-вода у Києві, з різною продуктивністю та функціональністю, дуже легко в онлайн-маркеті «Сучасні інженерні системи». Вся представлена в нашому каталозі продукція є виключно оригінальною та вироблена найвідомішими компаніями – світовими лідерами у цій галузі. У її швидкому виборі нашого каталогу завжди готові допомогти наші досвідчені менеджери, а також створені спеціально для цього продумані інтерактивні фільтри. Також нашим замовникам доступні різні способи оплати та доставка по всій Україні. Теплові насоси ґрунт-вода, ціна яких залежить від їхньої потужності, режимів роботи, а також наявності або відсутності бойлера – це чудовий спосіб постійної економії на обігріві та створення комфортних умов навіть там, де недоступні централізовані системи опалення.