Геотермальные тепловые насосы для отопления: принцип устройства системы, преимущества и недостатки

Как создать теплонасос самостоятельно

Независимо от выбора типа системы (из трех вариантов, описанных выше), для создания установки понадобится тепловой насос, который состоит из компрессорной станции, испарителя, дроссельной заслонки и конденсатора. Можно купить готовую систему, но ее стоимость окажется довольно высокой. Если имеющийся бюджет не позволяет приобрести установку, ее можно смонтировать самостоятельно.

Перед разработкой и монтажом собственного автономного отопления нужно убедиться в том, что вся электропроводка в доме находится в надлежащем состоянии.

Есть два основных способа создания установки своими руками: на основе холодильника или кондиционера. Рассмотрим их подробнее.

Самодельные установки

Агрегат, добывающий тепло из окружающей среды, можно создать самому, если взять за основу бытовой холодильник или кондиционер. Рассмотрим подробнее, как смонтировать тепловой насос своими руками. Подходящей альтернативой отоплению загородного дома послужит такая система, поскольку она не требует дорогостоящего подключения к газовой сети или постоянной заботы о покупке и доставке топлива.

Теплонасос из холодильника

Использование холодильника в качестве базиса для изготовления теплового насоса напрашивается по очевидной причине — конструкция агрегата включает такой ключевой элемент как компрессор.

На первом этапе работ следует изготовить конденсатор в виде емкости с теплообменным контуром в виде змеевика. Самодельный контур для циркуляции теплообменника лучше всего выполнить из тонкой медной трубки, предназначенной для монтажа инженерных сетей. Толщина стенки должна составлять не менее 1 мм. Трубку наматывают ровными витками на цилиндрический предмет подходящего диаметра. Затем готовый змеевик снимают с цилиндра. Для жесткости поверх витков змеевика можно установить перфорированные алюминиевые уголки, чтобы с равным шагом фиксировать витки к их отверстиям.

Тепловой насос из холодильника

Самодельный конденсатор представляет собой емкость из прочного материала, устойчивого к высоким температурам. Лучше всего выбрать бак из нержавеющей стали емкостью порядка 100 литров. Чтобы в ходе монтажа змеевик не деформировался, рекомендуется разрезать резервуар, установить туда контур, и сварить разрезанную емкость обратно. При этом в баке следует прорезать выходные отверстия для концов змеевика — сверху и снизу. В отверстия ввариваются резьбовые патрубки.

На следующем этапе необходимо установить компрессор от старого бытового холодильника. Предварительно проверьте его исправность. Компрессор монтируют на стену помещения при помощи кронштейнов, и рядом с ним устанавливают остальное оборудование.

Трубы внутреннего контура заводят в испаритель — пластиковую емкость, объем которой должен соответствовать объему конденсаторного бака. Внутрь испарителя ставят змеевик из трубы, диаметр которой составляет ¾ дюйма. Для монтажа водяного контура применяются трубы ПВХ. На заключительном этапе систему заправляют фреоном — это должен сделать специалист, располагающий соответствующим оборудованием.

Тепловой насос из холодильника способен обогревать небольшое помещение или постройку — гараж, мастерскую.

Теплонасос из кондиционера

Самодельный тепловой насос из кондиционера изготавливается несколькими способами. К особенностям кондиционера можно отнести схожесть принципов его работы с функционированием теплового насоса. Но есть и ряд отличий, в том числе касающийся температурного режима работы — сплит-системы не приспособлены для функционирования при низких температурах. Чтобы из кондиционера выполнить тепловой насос, требуется самостоятельно модифицировать имеющуюся конструкцию.

Работа теплонасоса из кондиционера

Способ 1. Наружный блок кондиционера меняют местами с внутренним, в котором расположен испаритель. Функция испарителя в тепловом насосе — передавать низкопотенциальное тепло. Во внешнем блоке находится конденсатор, передающий тепловую энергию. Теплоносителем в системе служит вода или воздух. Если выбрана вода, конденсатор требуется смонтировать внутри резервуара, где будет передаваться тепло.

Способ 2. Климатическая техника полностью разбирается, а ее детали идут на сборку классической схемы, в которой задействованы испаритель, компрессор и конденсатор.

Тепловой насос из сплит системы

Чтобы создать тепловой насос на основе кондиционера, в первую очередь нужно поменять местами наружный и внутренний блоки системы. Поскольку внутренний блок уже содержит испаритель, а наружный – конденсатор, дополнительные элементы не требуются. В качестве теплоносителя используют как воду, так и воздушную среду (на выбор). Также возможна установка дополнительного конденсатора в отдельном резервуаре для повышения эффективности теплообмена.

В состав системы также входит четырехходовой клапан, корректный монтаж которого может осуществить только опытный специалист.

Рациональнее всего разобрать кондиционер на составные элементы, а затем произвести компоновку теплового насоса, подключив последовательно испаритель, компрессор и конденсатор. Полученную систему подключают к коммуникациям для обогрева помещений.

Геотермальные тепловые насосы — нужно ли разрешение на строительство или уведомление?

Среди перечисленных в действующем законодательстве строительных работ, выполнение которых не требует разрешения на строительство или уведомления, является установка теплового насоса. Но это не касается теплообменника. Но поскольку от обязанности получения разрешения освобождаются индивидуальные очистные сооружения сточных вод, требующие выполнения аналогичных земляных работ, то при строительстве горизонтального теплообменника в земле, на практике, также разрешение на его строительство может не потребоваться (лучше уточнить это в районных городских управлениях). Иначе, достаточно сообщить о намерении построить и подождать 30 дней для получения согласования.

Земляные работы, связанные с монтажом такой установки могут подлежать ограничениям, предусмотренным водным кодексом, в случае проведения работ в защитной зоне водозабора.

А постройка вертикального теплообменника производится в соответствии с положениями законов геологического и горного Права. В этом случае требуется разработка проекта геологических работ, который необходимо предоставить в компетентные органы администрации не позднее, чем за восемь недель до предполагаемого срока начала работ.

Собираясь проводить буровые работы необходимо подать пакет документов с заявкой в компетентные органы Государственной администрации, не позднее, чем за две недели до предполагаемого срока их начала. Бурение может быть выполнено только лицами с соответствующей квалификацией, в соответствии с выданным ордером на земляные работы.

Как подобрать геотермальный насос?

Основное требование – соответствие условий для монтажа ТН геотермального типа. Монтаж возможен не в каждом доме, ограничения касаются особенностей рельефа, глубины залегания водоносных слоев, площади надела, наличия водоема и прочих факторов. Составлением проектов, предварительными расчетами занимается мастер из компании, которая реализует оборудование.

Выбор модели осуществляется по следующим параметрам:

• СОР. Это международное сокращение, которое показывает уровень рентабельности монтажа теплового геотермального насоса, то есть производительность оборудования в отношении к затратам электроэнергии. СОР обозначает, что на каждый 1 кВт затраченной энергии будет произведено не менее 3 кВт тепловой энергии.
• Тип размещения, выкладки насоса. Этот показатель влияет на производительность и в расчет берется площадь участка, в грунт которого укладывается контур. Чтобы провести предварительные расчеты, нужно умножить общую площадь дома (отапливаемую) на 3. Итоговая цифра покажет нужные размеры надела.
• Функциональные возможности. Строение, оборудованное геотермальной системой тепла, получает зимой отопление, а в теплое время года охлаждается. Чтобы такое положение дел было возможным, нужен монтаж сплит-системы.

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:

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.
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:на кислородный или газовый баллон наматывается медная трубка, важно выдержать небольшое расстояние между витками, которое должно быть одинаковым;
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.

После установки змеевика, половинки бака свариваем между собой, предварительно вварив необходимые резьбовые соединения.
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.
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.

Схема исполнения гидротермального отопления

На сегодняшний день наибольшее распространение получили три принципиально отличающиеся схемы обустройства подземного отопления. Для обеспечения максимальной эффективности обогрева дома общая площадь внешнего подземного контура должна быть в 2,5 раза больше отапливаемой площади жилого дома.

В автономном отоплении используются следующие типы геотермального обогрева:

1. Подводный вариант.
2. Горизонтальная закладка.
3. Обустройство скважин.

В каждом конкретном случае выбор той или иной разновидности геотермального отопления будет зависеть от площади дома, финансовых возможностей домовладельца, особенностей местности. Подводный вариант может использоваться в тех случаях, если поблизости имеются глубокие водоемы, которые в зимнее время года не промерзают до дна.

Существует несколько видов закладки подобного отопления

Горизонтальная закладка

Этот вариант гидротермального отопления подразумевает выполнение рядом с домом котлована, глубина которого будет на 2 метра глубже точки замерзания грунта. Соответственно, для нагрева частного дома площадью в 100 квадратных метров потребуется копать котлован с глубиной более 3 метров и общей площадью 250 квадратов.

Если имеющаяся площадь участка позволяет выполнить такой котлован, то горизонтальная закладка станет оптимальным вариантом геотермального отопления частного дома. Внутри котлована закладывают систему труб, по которым циркулирует незамерзающий теплоноситель. Наружный контур отопления выводится в дом и подключается к теплообменной установке.

Из преимуществ этой схемы выполнения геотермального отопления принято выделять ее эффективность, простоту обустройства, снижение расходов на монтаж наружного контура. В то же время необходимо учитывать обязательные требования по правильному расчету объема котлована, который не всегда возможно разместить на небольшом по своей площади приусадебном участке.

Геотермальное отопление дома:

Подводный вариант

Владельцы частных домов, которые проживают поблизости от озер и рек, часто выбирают вариант гидротермального отопления с использованием подводного варианта. Необходимо лишь правильно продумать расположение внешнего контура, который размещают на глубине более 4 метров, что исключает возможность промерзания озера или реки до дна. Подземную и надземную часть контура, которая идет непосредственно от берега озера до обогреваемого частного дома, в обязательном порядке утепляют, а трубы под землей прокладывают на глубине ниже точки промерзания грунта.

Использование подводного варианта позволяет упростить обустройство системы отопления частного дома, так как не требуется проводить дорогостоящие и сложные земляные работы. Внешний контур будет нагреваться от тепла воды, после чего подогретый теплоноситель подается в систему, обеспечивая работоспособность оборудования.

Выполнение гидротермальных скважин

Выполнение геотермальных скважин для организации автономного отопления является оптимальным вариантом, позволяющим существенно снизить затраты домовладельца. Скважина бурится на глубину в 30-50 метров, что повышает эффективность нагрева, так как на больших глубинах температура земли будет выше, нежели у самой поверхности.

Бурение скважины – один из эффективных методов монтажа подобного обогрева

Сегодня многие домовладельцы, обустраивая автономную систему геотермального отопления частного дома, выбирают вариант с бурением скважин, что существенно упрощает прокладку контура. В этом случае обеспечивается максимальная эффективность используемого оборудования, позволяя использовать все возможности таких современных технологий даже при наличии небольшого по площади участка.

Выполнение обогрева частного дома с прокладкой внешнего контура в глубинных скважинах позволяет на 20-30% уменьшить общую стоимость обустройства в доме автономного отопления. Благодаря высокой температуре нагрева теплоносителя в глубинном контуре имеется возможность использования небольших по своей мощности отопительных установок, что упрощает монтаж оборудования, снижает его стоимость, одновременно обеспечивая максимальное удобство проживания в частном доме.

Что такое тепловой насос

Тепловой насос представляет собой парокомпрессионную установку, которая переносит тепло от холодных, низкопотенциальных источников тепла к горячим, высокопотенциальным. Тепло передается за счет конденсации и испарения хладагента, в качестве которого чаще всего используется фреон, циркулирующий по замкнутому контуру. Электроэнергия, от которой работает тепловой насос, тратится только на эту принудительную циркуляцию.

Принцип работы теплового насоса основан на так называемом цикле Карно, который прекрасно знаком вам по работе холодильных установок. На самом деле, бытовой холодильник, стоящий на вашей кухне, также является тепловым насосом.

Когда вы помещаете в него продукты, пусть даже холодные, но температура которых все-таки выше, чем температура в камере холодильника, по закону сохранения энергии выделяемое ими тепло никуда не девается.

Поскольку температура внутри повышаться не должна, тепло выводится наружу через решетку радиатора, нагревая воздух в кухне. Чем больше продуктов вы поместите одновременно в холодильник, тем больше будет теплоотдача.

Простейшим вариантом теплового насоса станет открытый холодильник, помещенный на улице, радиатор которого находится в комнате. Но пусть холодильник исполняет свои прямые обязанности, ведь уже существуют специальные устройства — тепловые насосы, имеющие кпд гораздо выше. Принцип их действия достаточно прост.

Типы и конструкции

Если Вы решились установить отопление из земли, стоит обратить внимание на разновидности. Виды геотермального отопления отличаются, прежде всего, по типу теплообменника, выбор которого зависит от объективных факторов

От свойств конкретной местности и характеристик участка, где расположен дом, зависит могут использоваться три вида теплообменников

От свойств конкретной местности и характеристик участка, где расположен дом, зависит могут использоваться три вида теплообменников.

Первый вид представляет собой горизонтальный теплообменник, установка которого предполагает наличие свободного участка земли непосредственно у дома. Так, для отопления дома площадью 100 кв.м понадобится не менее 300 кв.м земли. Нужно уложить трубы в траншеи, имеющие на глубину ниже замерзания грунта.

Ко второму виду относится вертикальный теплообменник, использование которого не требует дополнительной местности и не наносит ущерба ландшафту приусадебной территории. Этот тип предполагает углубление специальных зондов внутрь скважин, созданных с помощью бурильного оборудования и имеющих параметры: глубины 100-150 м, диаметра 100-150 мм.

Третий вид составляют теплообменники, устанавливаемые в воде, что является наиболее экономичным вариантом сравнительно с дорогостоящими технологиями монтажа предыдущих систем. Правда, обязательным условием для установки такого отопления является наличие вблизи (не далее 100 м) водоема.

Как видим, каждый из видов геотермальных систем имеет свои особенности, оказывающие прямое влияние на выбор конкретного варианта. Так, если недалеко от дома расположен водоем, следует отдать предпочтение третьему виду, который считается наиболее выгодным по простоте монтажа и финансовым затратам.

Если возле дома есть достаточно неосвоенной земли, тогда можно установить горизонтальный теплообменник. А вот выбор в пользу вертикального вида потребует от Вас ощутимых денежных затрат и сложных бурильных работ.

Преимущества системы данного типа

Рассмотрим ряд особенностей:

• высокую эффективность, подтверждаемую высоким показателем КПД, и быструю окупаемость затрат;
• неограниченные запасы тепловой энергии земли;
• отсутствие необходимости создания и хранения запасов топлива, как при использовании традиционного отопления;
• автономность работы без контроля и вмешательства со стороны;
• безопасность и экологичность, исключающие использование углеродов и горючих элементов;
• возможность самостоятельного выбора типа системы, покупки ее элементов и монтажа.

Таким образом, отдав предпочтение отопительной системе на основе геотермального теплового насоса, Вы сможете получить неиссякаемый надежный и эффективный источник тепла на многие десятилетия.

Преимущества и недостатки системы

К плюсам относят:

1. Постоянство обеспечения и экономичность. Вода и земля не промерзают ниже определенных точек, поэтому отопление тепловым насосом будет осуществляться в постоянном режиме, плюс выделение тепла превышает затраты на электричество, необходимое для работы насоса.
2. Чистота. Во время работы оборудование не образует вредных газов, шлаков. Не придется чистить горелки и топку – вся схема выстроена на отсутствии любых отходов сгорания, что объясняет экологическую чистоту.
3. Снижение расходов. Кроме экономии электричества, хозяин не тратит деньги на закупку топлива, химических веществ и жидкостей.
4. Безопасность. Схема выстроена таким образом, что она не вызывает возгорания, не выделяет опасных газов.
5. Длительность эксплуатации. Обустраивая отопление за счет тепла земли или воды, владелец получает схему, которая будет работать от 100 лет. Замены потребуют некоторые конструкционные узлы со сроком износа 30-50 лет.
6. Отсутствие шумовых эффектов. В продаже есть оборудование с шумом в 40 дБ (это тише, чем тиканье часов), такие насосы можно ставить в доме рядом с жилыми комнатами.

На заметку! Чтобы добиться максимальной экономической выгоды, владельцу придется основательно вложиться в оборудование, настройку и запуск схемы в работу. Но затраты будут однократными.

К дополнительным плюсам относят расположение всех основных узлов системы за пределами строения. Благодаря такому устройству системы подходят для применения в домах небольшой площади. Также к преимуществам относят возможность применения установки не только для прогрева, но и охлаждения помещений – тепловые насосы геотермального типа работают вне зависимости от погоды на улице, зимой они прогревают теплоноситель, а летом – охлаждают, а значит, можно сэкономить на покупке кондиционера.

Минус один – большие разовые затраты. Расходы связаны с покупкой станции, заказом услуг мастеров для формирования системы – своими руками тут не обойтись. Также придется составлять проект, покупать насос, материалы для первичного контура и создания тепловой магистрали в доме.

Преимущества или недостатки?

Так как данные устройства появились у нас относительно недавно, многие россияне до сих пор относятся к ним с большим недоверием. В США, Европе и Японии их используют давно и успешно. Однако нельзя сказать, что такое оборудование для нашей страны абсолютная загадка, «терра инкогнита».

В СССР тоже проводились эксперименты, касающиеся таких альтернативных источников энергии. Однако широкого распространения эта технология так и не получила

Поэтому важно понять, почему, и имеет ли большой смысл замена привычных систем на эко-новинку? Приставка «эко» в этом случае может означать как экологию, так и экономию

Достоинства

Первое и несомненное преимущество тепловых насосов — значительная экономия электроэнергии. Да, им, в отличие от солнечных коллекторов, она необходима, однако в гораздо меньших количествах. Например, электрический котел (или обогреватель) забирает столько же энергии, сколько выдает тепла. Тепловой насос, наоборот, тратит минимум электроэнергии, а тепла производит в три-семь раз больше. Оборудование может потратить 5 кВт/ч, однако тепла оно выделяет не менее 17 кВт/ч. Высокий КПД — самое привлекательное качество тепловых котлов.

1. Серьезная экономия на энергоносителях. Цены на все виды топлива неумолимо растут, а тепловой насос позволит получать большее количества тепла при сократившихся расходах на электроэнергию.
2. Возможность установки в любой местности, так как источником тепла способны стать воздух вода либо грунт. Особенно актуально оборудование для участков, расположенных далеко от газовой магистрали.
3. Реверсивность установки. Тепловые насосы универсальны. Зимой они обеспечивают тепло, жарким летом дают возможность обеспечить помещению прохладу. Однако такой функцией оснащают не все модели.
4. Долговечность. Оборудование, за которым ухаживают должным образом, способно бесперебойно работать 25-50 лет. Замена компрессора может потребоваться раз в 10-15 (максимум 20) лет.
5. Возможность использования в любых условиях: там, где нет электричества, устанавливают бензиновый либо дизельный двигатель.
6. Экономия на техническом обслуживании. Оборудование не потребует на него больших расходов.
7. Бесперебойная работа при температуре -15°.
8. Полная автоматизация теплового насоса.
9. Безопасность для окружающей среды.
10. Бесплатность источника тепла.

Помимо плюсов есть у систем и слабые стороны.

Недостатки

К ним относится:

1. Цена тепловых насосов и стоимость обустройства геотермальной системы. Причем окупится оборудование далеко не сразу. Владельцам придется ждать как минимум 5 лет. Исключение — воздушные устройства, не требующие дополнительных вложений.
2. Необходимость добавления дополнительного источника тепла в тех регионах, где температура нередко бывает ниже -20°. Такая система называется бивалентной. Если не справляется тепловой насос, то подключается теплогенератор (газовый котел, электрообогреватель).
3. Экологичность, все же находящаяся под вопросом. Для человека угрозы нет, но она существует для экосистемы. Например, в грунте живут микроорганизмы — анаэробы. При сильном охлаждении пространства около труб им грозит неминуемая гибель.
4. Почти необходимость обеспечить в доме трехфазную электросеть. Для исправной работы теплового насоса надо свести к минимуму перепады напряжения, которые способны спровоцировать поломку установки.

Оптимально использование такого оборудования в системах, где низкотемпературный теплоноситель, пример — «теплый пол».

Чтобы понять, целесообразна ли покупка и установка теплового насоса, владельцам придется оценить все плюсы и минусы. Главные «противники» — экономия электроэнергии (топлива) и серьезные расходы на приобретение и установку. К существенным минусам ТН относят низкий КПД в холодное время года, однако есть модели, которые могут вырабатывать тепло даже при -35°. Но заплатить за них придется еще дороже.

Стоит ли тратиться на покупку и установку ТН? Каждый решает сам. Единоразовое вложение даст шанс навсегда забыть о больших счетах за отопление. Кроме того, в пользу оборудования свидетельствует его полная безопасность для жильцов, и почти полная — для окружающей среды.