Тепловой насос для геотермального отопления дома: принцип работы, плюсы и минусы, установка своими руками

Тепловые насосы (ТН) нередко сопоставляют с вечным двигателем, ведь по словам продавцов их коэффициент полезного действия (КПД), то есть разница между потраченной и полученной энергией, составляет 300–700 %, что невозможно в силу закона сохранения энергии.

В этой статье мы рассмотрим принцип работы и схему действия теплового насоса для отопления частного загородного дома и расскажем, как соорудить геотермальное отопление своими руками.

Что такое геотермальное отопление?

Поскольку между этими терминами возникла путаница, мы предлагаем разобрать, что означает каждый из них, а также посмотреть на примеры. Термин «геотермальное» пришел из греческого языка и означает тепло земли, с помощью которого обогревают дом.

Наиболее яркий пример геотермального отопления – обогрев домов и Исландии от горячих источников. В этом случае тепло получают напрямую из земли, не прилагая никаких дополнительных усилий, а просто доставляя его в жилище.

Термин «тепловой насос» означает какое-то устройство, которое выкачивает тепло из одной среды и передает в другую. Наиболее ярким и привычным примером ТН является обычный холодильник, который забирает тепло из камеры для хранения продуктов и отдает его окружающему пространству, нагревая его.

Откуда же взялось утверждение о том, что тепловой насос является геотермальным отоплением? Одним из причин появления такого утверждения является конструкция ТН, одна из модификаций которой извлекает тепло из слоя земли, лежащего ниже глубины промерзания, поэтому в какой-то мере, пусть и крайне условно, его можно отнести к геотермальным.

Пусть даже тепло из земли тепловой насос извлекает лишь частично, а основной причиной появления тепловой энергии является физический процесс сжатия теплоносителя, при котором и выделяется тепловая энергия.

Второй причиной появления такого утверждения является желание увеличить продажи оборудования для отопления домов с помощью ТН. Ведь «тепловой насос» звучит как-то обыденно — ну насос, ну тепловой, никакой интриги, никакой внутренней силы в названии.

Другое дело «геотермальное» отопление. На память сразу же приходят гейзеры и пышущие жаром фумаролы, мифы о героях, воюющих с чудовищами в глубинах подземного царства. Подмена понятий для увеличения спроса на продукцию не является чем-то новым, поэтому вскоре за тепловыми насосами закрепился термин «геотермальное отопление».

Принцип работы

ТН состоит из четырех основных элементов:

• компрессора;
• испарителя;
• конденсатора;
• клапана.

Принцип действия теплового насоса: компрессор перекачивает теплоноситель (хладагент) по системе и обеспечивает требуемое для выделения определенного количества тепла, давление в конденсаторе. Хладагент, проходя через конденсатор, упирается в закрытый клапан, давление в конденсаторе растет, а вместе с ней растет и температура этого устройства.

Когда давление достигает определенного уровня, клапан открывается, сбрасывая часть горячего теплоносителя, который поступает в испаритель, где расширяется и начинает поглощать все доступное тепло.

В большинстве случаев испаритель тоже в виде змеевика, благодаря чему теплоносителем системы отбора тепла (СОТ). Чем выше разница температуры между хладагентом внутри испарителя и теплоносителем системы отбора тепла, тем сильней нагревается конденсатор, а значит выше температура теплоносителя системы отопления дома.

Регулируют температуру в системе отопления меняя давление, создаваемое компрессором. Чем оно выше, тем сильней разогревается конденсатор, но производительность этой системы ограничена температурой теплоносителя системы отбора тепла.

Варианты получения тепла

Все системы отопления на основе тепловых насосов можно разделить по типу системы отбора тепла на:

• земляные (геотермальные);
• водяные;
• воздушные:
• с дополнительным источником тепла.

Земляные системы отбора тепла представляют собой трубу или змеевик (контур, коллектор), закопанный ниже глубины промерзания грунта, благодаря чему температура почвы там составляет 1–10 градусов тепла, в зависимости от глубины и температуры воздуха.

Именно этот тип системы отбора тепла является наиболее универсальным, ведь даже за полярным кругом температура почвы ниже уровня промерзания остается плюсовой. Однако чем холодней зимой на улице, тем дороже обойдется установка СОТ, ведь придется прокладывать змеевик глубже, в условиях вечной мерзлоты потребуется еще и рыть котлован в промерзшем грунте.

Водяные системы отбора тепла работают по тому же принципу, но расположены на дне водоемов. Чем глубже вы разместите змеевик СОТ, тем больше будет разница температур между теплоносителем и воздухом на улице.

Воздушные СОТ являются самыми дешевыми и простыми, но они применимы лишь там, где уличная температура не опускается ниже определенного порога, поэтому их можно ставить не везде. В таких системах теплоносителем служит нагнетаемый с улицы воздух, температура которого должна быть заметно выше температуры испарителя.

Часть СОТ оборудуют дополнительным источником тепла, что снижает КПД всего отопления, а также увеличивает размер капитальных и текущих затрат, но предотвращает нарушение работы системы при слишком низких уличных температурах. В качестве таких источников тепла используют самые различные устройства, от трубчатых электронагревателей (ТЭН), то твердотопливных или жидкотопливных печей и котлов.

Способы отопления дома

Как теплогенератор, ТН ничем не отличается от ТЭН или котлов любого типа, поэтому может нагревать жидкий или газообразный теплоноситель.

Если система заправлена жидкостью (вода или антифриз), то наиболее эффективными вариантами обогрева дома являются:

• теплый пол;
• конвекционные радиаторы.

Они работают по тому же принципу, что и любые другие водяные СО, то есть в первом случае обязательно принудительное движение теплоносителя, во втором система может быть как со свободным, так и с принудительным движением жидкости.

Единственное ограничение – низкая температура теплоносителя. Для большинства ТН пределом является 50 градусов, а этого недостаточно для старых систем отопления, в которых тепло излучают чугунные радиаторы или уложенные вдоль стен трубы. Для теплых полов этой температуры достаточно, но их можно не везде установить.

Если же в качестве теплоносителя выступает газ (воздух), то тут подходит обычная воздушная СО с раздачей очищенного и увлажненного воздуха в каждую комнату.

Типы систем

Поскольку СО и ТН после монтажа образуют единую систему, то их принято разделять по способу получения и отдачи тепла.

Вот наиболее популярные из них:

1. Земля-вода – этот тип отопления является геотермальным, ведь ТН извлекает тепло из земли, после чего передает его в систему водяного отопления, к примеру, теплого пола. Жидкостные СО, в которых теплоносителем является антифриз, тоже относят к этой группе, хотя иногда ее называют земля-жидкость, подчеркивая тем самым, что тепло передает не вода, а антифриз.
2. Вода-вода – этот тип отопления тоже является геотермальным, однако источником тепла служит проточная или стоячая вода, находящаяся ниже глубины промерзания, а для обогрева дома используют водяную СО.
3. Воздух-вода – довольно редко используется для отопления, не относящийся к геотермальным, ведь источником тепла является уличный воздух. Минус такой системы в том, что при температуре ниже минус 20 градусов эффективность нагрева теплоносителя в СО резко падает, поэтому приходится подключать другие источники тепловой энергии, что увеличивает эксплуатационные расходы.
4. Земля-воздух – геотермальное отопление, по способу получения тепла идентичное схеме Земля-вода, но работающее совместно с воздушным отоплением для дома, то есть в каждую комнату поступает нагретый воздух. По эффективности сопоставимо с типом земля-вода, но оборудование обходится гораздо дороже, ведь воздух необходимо очистить и увлажнить, а после удалить из помещения с минимальной потерей тепловой энергии.
5. Воздух-воздух – этот тип отопления больше известен под названием «сплит системы». ТН извлекает тепловую энергию из уличного воздуха, поэтому эффективно обогревает дом до тех пор, пока мороз на улице не превысит отметку в минус 15–25 градусов. Если на улице холодней, приходится подключать дополнительные источники тепла.

Кроме них существуют и другие системы, которые встречаются гораздо реже, например, рекуперационные, источником тепла для которых становится выходящий в результате проветривания помещений воздух. Такие системы используют в дополнение к ТН основным типов, поэтому мы не будем их рассматривать.

Плюсы и минусы систем отопления

Мы подготовили таблицу, в которую включили все преимущества и недостатки систем отопления на основе тепловых насосов:

Реальная эффективность

Те, кто незнакомы с работой тепловых насосов и особенностями систем отопления на их основе, считают, что подобные системы обладают каким-то нереальным КПД, выдавая на каждый потраченный кВт/ч электроэнергии чуть ли не сотни кВт/ч тепла.

Ведь тепловой насос не производит энергию самостоятельно, а только перекачивает ее из теплой среды в дом, благодаря чему последний и обогревают. В реальности все гораздо сложней.

Проще всего извлечь теплоту из воздуха, но такая система эффективно работает лишь пока температура не опустится ниже отметки минус 15 градусов (для некоторых моделей минус 25 градусов), после чего ТН перестает нагревать теплоноситель СО.

Геотермальные ТН лишены этого недостатка, но чем ниже температура на улице зимой, тем глубже необходимо располагать контур СОТ. Кроме того, сильно влияют на общий КПД системы параметры хладагента и теплоносителя, а также общие потери системы.

Поэтому производители такой техники ввели коэффициент трансформации теплоты COP (от английского coefficient of performance), который описывает эффективность перекачивания тепловой энергии с улицы в дом. В подавляющем большинстве случаев COP составляет 1–7, в среднем 3–4, но сам параметр является довольно условным.

Ведь многое зависит от:

• места расположения контура СОТ;
• типа этого контура;
• температуры на улице;
• типов хладагента и теплоносителя.

Поэтому COP является больше рекламным ходом, чем реальным источником информации, ведь прежде, чем подобная СО начнет обогревать дом, сначала придется капитально вложиться в оборудование, что обходится гораздо дороже монтажа не только электрического, но даже газового отопления.

Можно ли сделать своими руками?

Те, кто знаком с работой ТН лишь в теории, думают, что самостоятельно изготовить подобную конструкцию несложно, ведь все необходимые компоненты есть в свободной продаже, остается только накрутить змеевики и собрать все в единую систему.

На самом же деле придется решить много проблем, наиболее существенной из которых является выбор:

• способа укладки контура;
• места для укладки контура;
• теплоносителя СОТ;
• оборудования для изготовления ТН,

а также определение длины контура.

Определение длины контура

Задачей контура является извлечение из грунта или воды тепловой энергии, которая будет направлена на обогрев дома, поэтому для определения его длины умножают необходимую тепловую мощность с учетом всевозможных потерь (20–30%) на способность почвы отдавать это самое тепло.

При этом теплоотдача (тепловой режим) почвы зависит от:

• типа грунта;
• глубины залегания контура;
• температуры на улице.

Для трубы диаметром 25 мм, расположенной гораздо ниже глубины промерзания грунта, теплоотдача составит 5–35 Вт на 1 м длинны.

В среднем для определения мощности, необходимой для обогрева хорошо утепленного дома используют формулу P=S/10, где:

1. P – мощность в кВт/ч.
2. S – площадь дома в м².

Поэтому для обогрева хорошо утепленного дома площадью 100 м² необходимо 10 кВт/ч тепловой энергии. Берем среднее значение теплоотдачи 20 Вт/м (глинистые грунты) и получаем длину коллектора в 500 м.

При этом обязательно учитывайте, что теплоотдача ранней осенью заметно выше, чем в конце зимы, поэтому увеличивайте длину контура на 20–40%.

Способ укладки контура

Существуют 2 способа укладки коллектора:

• горизонтальный;
• вертикальный.

Для горизонтальной укладки выкапывают котлован, в который затем укладывают трубу зигзагом или спиралью. Преимущество этого способа в том, что его можно реализовать с помощью обычного экскаватора, который выкопает котлован подходящего размера, а весь выкопанный грунт после укладки трубы вернет обратно.

Для вертикального способа укладки бурят в земле скважины подходящей глубины, в которые затем укладывают трубу и заливают бетоном. Чтобы выполнить такую работу, придется привлекать бурильную установку.

Места для укладки

Главными критериями, от которых зависит выбор места для укладки коллектора, являются:

• негативное влияние коллектора на грунт и подземные воды;
• доступность территории достаточной площади;
• доступность техники для проведения земляных работ.

Коллектор ТН сильно охлаждает грунт или воду, в которых он уложен, поэтому негативно влияет на окружающую природу. Если вы уложите его в почву, то вскоре над ним участок потеряет почти всю растительность, ведь температура грунта будет заметно ниже, чем обычно.

Если же труба уложена в озеро или реку, то и тут включение ТН приведет к сильному падению температуры воды, а значит уровень льда опустится гораздо ниже, что может привести к гибели местной флоры и фауны.

По одной (подающей) вода будет поступать в испаритель, а по второй (возвратной) вытекать в подземную реку, но при этом важно не перепутать направление движения подземной реки, ведь подающая труба должна быть расположена заметно выше по течению.

Если вы решили уложить контур в котлован, расположенный на участке, находящемся в вашей собственности, то никаких разрешений не требуется, то же самое относится к водоему.

Если же вы планируете использовать в качестве источника тепла подземную реку или озеро, то должны учитывать следующие ограничения:

1. Глубина скважины не должна быть глубже разрешенной по вашему району.
2. Общее водопотребление не должно превышать 100 м³ /сут (учитывают только потребленную воду, вне зависимости от того, сколько ее слили обратно).
3. Возвращающаяся в скважину вода должна быть чистой.

Выбор теплоносителя СОТ

В качестве теплоносителя системы отбора тепла можно использовать:

• воду;
• антифриз;
• воздух.

Воду применяют там, где источником тепла является скважина, пробитая над подземной рекой, при этом очень важен ее химический состав, ведь в подавляющем большинстве случаев такая вода сильно минерализована.

Если испаритель изготовлен из неподходящего материала, то на внутренней поверхности корпуса и на наружной поверхности змеевика появятся отложения, которые ухудшат теплопередачу испарителя, а значит снизят общий КПД системы.

Если вы решили использовать антифриз, то его основу составляет одно из трех веществ:

• этиленгликоль;
• пропиленгликоль;
• глицерин.

Первые два вещества требовательны к материалам корпуса, змеевика и труб, а глицерин в этом отношении почти нейтрален и сходен с водой. Плюсом антифриза является его устойчивость к отрицательным температурам, ведь всегда есть вероятность, что в лютый мороз насос СОТ по каким-то причинам остановится и жидкость вокруг змеевика превратится в лед, разорвав тем самым корпус испарителя.

Однако антифриз нельзя использовать там, где коллектор входит в контакт с подземными водами, в случае повреждения трубы этиленгликоль, который является сильным ядом, попадет в подземное озеро или реку, отравляя их.

Если вы решите использовать в качестве теплоносителя воздух, то сделать это можно следующими способами:

• закачивая его с улицы (применимо только там, где температура зимой не опускается ниже отметки минус 10 градусов);
• частично забирая его из помещения (это происходит во время проветривания);
• прогоняя воздух по уложенным в землю или под воду трубам.

Кроме того, существует еще 3 параметра, которые влияют на эффективность того или иного теплоносителя:

• теплоемкость;
• рабочая температура;
• вязкость.

По теплоемкости вода превосходит любой антифриз, для нее этот параметр составляет 4,18 кДж/кг∙К, у остальных веществ он гораздо ниже. Зато вода замерзает при нуле градусов, тогда у антифризов замерзание происходит при температуре 10–50 градусов ниже нуля в зависимости от пропорций воды и морозостойкого вещества.

Вязкость же определяет, сколько усилий необходимо приложить для прокачки жидкости по трубам контура. При этом глицерин, помимо того, что является наиболее вязким, так еще и плохо перемешивается, а значит для работы с ним придется усложнять конструкцию теплообменника испарителя и контура СОТ.

Оборудование для изготовления ТН

Самостоятельно сделать тепловой насос непросто, необходимо учесть множество факторов, поэтому мы рекомендуем не пытаться изобретать велосипед, а приобретать уже готовые, полностью согласованные устройства.

Вроде бы, чего проще — сварил коробку из нержавейки, поместил в нее один компрессор и пару змеевиков, да куда-нибудь прилепил клапан. Но на деле все гораздо сложней.

Сначала необходимо подобрать хладагент и материалы, которые будут к нему устойчивы, затем продумать размер и форму обоих теплообменников, причем учитывая теплоноситель СОТ и СО. Ведь то, что подходит для воды с ее минимальной вязкостью, не факт, что подойдет для антифриза.

Можно взять компрессор с большим избытком мощности, но это сильно увеличит и без того немалые расходы на оборудование.

Кроме того, пайка обычной коробки из нержавеющей стали сильно отличается от пайки или сварки труб, по которым движется хладагент, любая ошибка тут приводит к утечкам, а это не только снижение мощности и расходы на заправку, но еще и угроза взрыва.

Мы подготовили краткий обзор наиболее популярных моноблоков (весь ТН в общем корпусе):

Сравнение ТН с другими видами отопления

Чтобы объективно сравнить отопление на основе ТН с другими видами обогрева домов, мы предлагаем использовать условный идеальный одноэтажный дом, размером 10х10 м (длина и ширина), общей площадью 100 м2, с хорошим утеплением и подведенными к нему всеми коммуникациями.

Чтобы быть более объективными, обозначим следующие условия:

• средняя температура зимой минус 10 градусов (в сильный мороз минус 30);
• стоимость электроэнергии 4,5 рубля за кВт/ч (одноставочный тариф);
• стоимость газа 7 рублей за 1 м³;
• стоимость дров (акация) 2500 рублей за 1 м3;
• стоимость солярки 18 тысяч рублей за тонну;
• стоимость пеллет 6500 рублей за тонну;
• стоимость угля «орешек» 13 тысяч рублей за тонну;
• период для сравнения 20 лет.

Таблица

Чтобы сделать такое сравнение, мы подготовили таблицу:

Так ли выгоден тепловой насос?

Несмотря на обещания продавцов, отопление тепловыми насосами не такое дешевое дело, как может показаться несведущему человеку, ведь расходы на энергоносители действительно невелики, по этому параметру с ТН могут соперничать лишь газовое водяное отопление и теплоемкие печи на угле.

Однако для газового отопления необходимо наличие проходящей неподалеку магистрали и возможность подключения к ней, а печь на угле – постоянный источник золы, к тому же ее необходимо топить дважды в сутки.

Если же сравнивать с ТН твердотопливный котел, в паре с которым работает теплоаккумулятор, то среднегодовые расходы такого отопления лишь немногим больше, ТА достаточной емкости позволяет топить такой котел 2–3 раза в неделю, поэтому систему можно считать условно автоматизированной.

Котлы, работающие на солярке, можно полностью автоматизировать, однако для их работы требуется не только электричество, но и цистерна достаточной емкости, поэтому ТН по сравнению с ними выглядит более привлекательно, особенно если учесть весьма немаленькие платежи за топливо.

Все это позволяет сделать однозначный вывод – преимущество ТН проявляется лишь на длинной дистанции, когда срок их эксплуатации составляет 20–50 лет, вопрос лишь в том, выдержит ли столь длительную работу современное оборудование.

К тому же системы воздух-воздух хоть и являются относительно недорогими, но нередко имеют ограничение по допустимой уличной температуре, поэтому более сильный холод резко снижает их эффективность.

Системы типа вода/земля-вода являются универсальными, поэтому греют воду не только для СО и ГВС, но и могут подогревать жидкость в бассейнах. Они сохраняют работоспособность даже в лютые морозы, но стоимость подготовительных работ нередко превышает 500 тысяч рублей, поэтому позволить их себе могут не все.

Обсуждения на форумах

Поскольку объективное мнение о преимуществах и недостатках отопления на базе геотермальных или воздушных тепловых насосов можно получить только по результатам их использования в течение какого-то времени, мы рекомендуем обратить внимание на форумы, где обсуждают такие системы.

Вот ссылки на наиболее интересные из таких форумов:

1. www.forumhouse.ru.
2. www.yaplakal.com.
3. forum.onliner.by.
4. forums.drom.ru.
5. www.chipmaker.ru.
6. mastergrad.com.
7. forum.c-o-k.ru.
8. www.stroimdom.com.ua.
9. forum.ixbt.com.
10. РазницНет.
11. passatworld.ru.

Интересное видео

В видео ролике показано, как работает тепловой насос, а также представлен расчет всех необходимых показателей, который актуален и для самодельного геотермального отопления:

Заключение

Геотермальные и воздушные тепловые насосы выделяют гораздо больше тепла, чем потребляют для своей работы, ведь источником тепловой энергии для них являются земля и нижние слои атмосферы, поэтому оплата за сезон получается гораздо меньше, чем для любого другого вида отопления, кроме газа.

Однако у ТН существует много минусов, поэтому область их применения сильно ограничена, а высокие расходы на установку оборудования сводят на нет экономичное расходование электроэнергии.