XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Идея использовать внутреннее тепло Земли для отопления зародилась достаточно давно. И хотя далеко не у всех поблизости есть горячие подземные воды, ее все-таки может использовать каждый. Такую возможность предоставляют геотермальные тепловые насосы. Они извлекают из земли и воды запасы накопленной в них солнечной энергии, и подают ее в отопительный контур дома.

ИСТОРИЯ

Теория разработана еще в 1852 знаменитым лордом Кельвином. Реализовал ее он же в 1855 году, и успешно использовал не протяжении многих лет. Несмотря на высокую эффективность, геотермальные тепловые насосы для отопления не находили широкого применения вплоть до конца 20 века. Тогда в 70-х годах в Европе стали активно развивать энергосберегающие технологии, и одним из направлений были тепловые насосы.

ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПЛЮСЫ

Затратив 1 кВт электричества можно получить от 2 кВт до 6 кВт тепла. Эта установка тратит энергию не на производство тепловой энергии, а на ее перенос.

Такая разная эффективность — от 2 до 6 — зависит не только от конструктивных особенностей установок, но и от условий эксплуатации. Самая высокая производительность у тепловых насосов может быть достигнута при температуре в отопительном контуре в районе +35°C. Потому идеально эти установки стыкуются с водяными теплыми полами.

Есть, конечно, и установки, которые нагревают воду в отопительном контуре до 50-65°C, но:

они стоят больше;

лучшую эффективность показывают все равно в заданном диапазоне.

Установка теплового насоса снижает расходы на отопление до 80%.

МИНУСЫ

Как было сказано выше, его эффективность (и температура нагрева теплоносителя в контуре отопления) зависят от температуры нагрева в первичном контуре. Не все источники тепла могут давать стабильно одну и ту же степень нагрева. По факту этим могут похвалиться только некоторые геотермальные источники. В основном же они меняются в достаточно широких пределах. Это не самое удобное свойство. Но для нивелирования этого разброса ставят на входе в систему отопления теплоаккумулятор, который выравнивает скачки.

Второй недостаток — высокая стоимость. И это не только стоимость самого теплового насоса, хоть и она уже очень велика. Устройство внешнего контура тоже требует средств, и порой немалых. Чтобы понять конкретнее масштабы требующихся вложений, поговорим об источниках тепла и типах тепловых насосов для отопления дома, работающих с ними.

УСТРОЙСТВО И ПРИНИП ДЕЙСТВИЯ

  В этом устройстве есть три отдельных контура:

В первом (внешнем) циркулирует обычный теплоноситель (соляной раствор или антифриз). Он нагревается от наружных источников тепла (вне дома).

Во втором (внутреннем) герметично запаяно вещество с очень низкой температурой кипения.

И третий контур идет в отопительную систему.

Принцип работы теплового насоса состоит в следующем. У объектов разной природы, имеющих зимой положительные температуры (грунт на глубине ниже уровня промерзания, вода, воздух в вентиляционных шахтах и т.п.), тепло отбирается. От этого тепла нагревается циркулирующий по замкнутому контуру хладагент. Нагревшись до температуры выше точки кипения, жидкость переходит в газообразное состояние. По трубе пар (с температурой уже выше 0oC) попадает в компрессор, где сжимается до высокого давления. При сжатии выделяется большое количество тепла и из компрессора выходит вещество, нагретое уже до приличных величин +35oC или даже +60oC. В другом устройстве — конденсаторе — большую часть своего тепла он передает теплоносителю, который подается на трубы отопления.

Хладагент в значительной степени потерявший тепло, но еще находящийся в газообразном состоянии и под приличным давлением, движется дальше по внутреннему контуру. Попадает на спускной клапан, где давление падает, резко снижается температура, вещество снова становится жидкостью. И снова попадает в испаритель, начинает следующий цикл работы теплового насоса.

Таким образом электроэнергия уходит не на выработку тепла, а только на его перемещение. И потому затратив 1 кВт электроэнергии, от этого устройства можно получить 2-6 кВт тепла. Такой разброс коэффициента преобразования из-за особенностей использования: чем ниже температура первичного нагрева (от внешних источников), тем менее эффективно будет работать тепловой насос. Но работать он будет даже при -20oC.

ИСТОЧНКИ ТЕПЛА

Как уже говорилось, источник тепла для теплового насоса — любой объект, имеющий зимой положительную температуру. Большая часть из них — низкопотенциальные, то есть количество тепловой энергии заключено в них незначительное. Но это не значит, что использовать эту энергию нельзя. Можно, только придется делать для этого большой контур для ее сбора. И в этом состоит сложность устройства геотермальных тепловых насосов: кроме значительных затрат на оборудование, требуются немалые средства на строительство внешнего контура сбора тепла.

Сразу можно сказать, что четкого определения того, какие источники тепла являются геотермальными, а какие нет, вы не найдете. Некоторые считают что геотермальные — это те источники, которые находятся в грунте. Другие говорят, что вода — также подходит под эту категорию: она часто находится под землей, и та, что находится в открытых водоемах, также когда-то протекала в грунте. Тем более что способ переноса тепла одинаков: при помощи циркулирующего по контуру теплоносителя и подавляющее большинство современных агрегатов работать может с любым из этих источников.

Рассмотрим все источники тепла, которые могут подходить под эту категорию. И начнем с самого простого, требующего минимум затрат на обустройство.

Вода

Даже зимой подо льдом вода имеет достаточно высокую (относительно воздуха) температуру: от +5oC до +7oC. Вся задача состоит в том, чтобы эту энергию перенести к тепловому насосу. Для этого в водоем укладывают полимерные трубы, заполненные незамерзающей жидкостью (чаще всего это соляной раствор, иногда антифриз). В среднем считается, что с метра трубопровода, уложенного в водоеме, можно получить 30 Вт тепла. Исходя из этого, считают протяженность труб. Например, вам для обеспечения теплом дома нужно 12 кВт тепла. Получаем: 12000 Вт : 30 Вт/м = 400 м. Вот столько труб нужно будет уложить в водоем.

Энергию у воды можно не только в открытом водоеме. Если близко подпочвенные воды можно использовать скважины

Есть другой вариант. Он приемлем, если потребность в тепле не очень большая, а на участке имеется колодец с хорошим дебетом (высокая скорость притока воды). Понадобится вторая скважина для сброса.

Грунт

Всем известно, что ниже точки промерзания температура почвы выше 0oC. Это значит, что тепло оттуда можно перекачать для отопления дома. Делают это двумя способами: при помощи горизонтального коллектора или вертикального.

Горизонтальные геотермальные контуры

Для устройства горизонтального геотермального поля требуется большая площадь: от 200 м2 и больше. На всей этой площади приходится снимать грунт на 30-50 см ниже точки промерзания грунта. На практике это 1,2-2 метра в зависимости от региона. Ниже копать не стоит. В грунте сохраняется энергия, накопленная с лета, а слишком глубоко опустившись можно потерять значительную часть тепла: туда оно просто не проникло.

Необходимая площадь зависит от потребности в тепле и типа грунта: в одних можно забрать 30 Вт с одного метра, в других 60-75 Вт. Самые значительные запасы энергии есть во влажных грунтах с близко расположенными грунтовыми водами. Если возле вашего дома именно такие — вам повезло. Если нет, тоже ничего страшного, просто площадь потребуется больше (и труб тоже). Расстояние между двумя соседними витками трубы 1-1,5 метра.

Для уменьшения занимаемой площади можно использовать спиральную укладку. Это когда контур из труб выкладывается не «змейкой» или «улиткой», а спиралями, которые находят одна на другую. Площади требуются несколько меньшие, но все-таки значительные.

Большие пространства есть далеко не возле каждого дома. Тем более что дальнейшее их использование ограничено: нельзя высаживать растения с мощной корневой системой (деревья) или ставить капительные строения. Если вы не можете выделить такой участок под сбор тепла, или не хотите выполнять подобный объем земельных работ, можно использовать вертикальные скважины.

Недостатки горизонтального поля:

Большой объем земляных работ.

Летом режим пассивного охлаждения недоступен.

Постепенное понижение температуры к концу отопительного периода (и это тоже нужно учитывать при расчете длины трубопровода).

После завершения укладки труб нельзя сразу приступать к ландшафтным или другим работам: нужно ждать усадки грунта. А это не менее года.

Вертикальные зонды

Ниже 20 метров от поверхности температура грунта повышается. На этой глубине она вне зависимости от погоды и времени года всегда стабильна: от 10oC и выше (в зависимости от региона). Для того чтобы добраться до этого тепла делают скважины для тепловых насосов. Они обычно дают больше тепла, потому требуется не такое значительное их количество.

Но количество энергии, которою можно «выкачать» сильно зависит от типа грунта. Меньше всего дают песчаные почвы: 30 Вт/м, много энергии содержится в граните — до 75 Вт/м. Потому очень может разниться и длина требуемой скважины.

Бурение скважин — далеко не самое дешевое удовольствие. Особенно на большие глубины: для этих целей используется мощная техника, стоимость работы которой велика. Но не обязательно делать одну скважину. Можно пробурить несколько на меньшую глубину, важно только чтобы суммарная их протяженность совпадала с рассчитанной. В этом случае под геотермальное поле занимается меньший участок, но он тоже значительный. К тому же требуется организовать коллектор для сбора потоков от всех зондов, а это еще дополнительное оборудование, и земляные работы (трубы от одной скважины к другой прокладывают ниже уровня промерзания).

Вертикальный зонд — скважина приличной глубины. Но такое бурение очень дорого, так что можно сделать некоторое количество более коротких скважин

Недостатки вертикальных зондов:

Высокая стоимость бурения.

Значительные площади под геотермальное поле: минимальное расстояние между скважинами — 8 метров.

При большой глубине скважин есть ежегодное снижение температуры. Через несколько лет процесс сильно замедляется, но тепла со временем поступает меньше. Это тоже нужно учитывать при расчетах.

Кластерное бурение

Что делать, если и под вертикальные зонды у вас места не хватает? Есть так называемое кластерное бурение. Это когда от общего центра скважины расходятся в разные стороны лучами. Для этой технологии требуется выделить участок в 4 м2. В этом квадрате снимается грунт и устраивается своеобразный колодец, в который потом заводят трубы от зондов. В принципе, этот центр можно устроить даже в подвале дома.

Для такой системы зондов, конечно, требуется специальная техника, но она не очень мощная: глубина бурения средняя, высокая производительность ни к чему. Эта технология, как и многие другие, разработана в Европе. Там обращают внимание не только на безопасность, но и на сохранение природы и бережное отношение к частным владениям. Потому некоторые установки для кластерного бурения имеют резиновые гусеницы и практически не повреждают придомовую территорию. В целостности остаются и газоны, и дорожки.

В пробуренные скважины опускают заполненные теплоносителем трубы. Существует несколько технологий. По одной - используются, как и в других внешних контурах, полимерные трубы, а в других — металлические. Металл применяется особый, коррозионно-стойкий. Его строк эксплуатации 50-70 лет. А чем он лучше? У него выше теплопроводность, то есть тепло переносится эффективнее. Это значит, что с одного метра скважины, «снять» можно больше тепла. Потому и скважины в этом случае должны быть менее длинными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Геотермальные насосы требуют больших денежных затрат и медленно окупаются, но работают стабильно и показывают большую производительность. Сумма вложений — очень приблизительная и зависит от конкретных условий. Но эти устройства тем и отличаются, что проект и расчет геотермального теплового насоса — вещь сугубо индивидуальная и считается под каждый проект. Даже на двух соседних участках условия (и сумма) могут значительно отличаться.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Статья с научно-популярного блога «Science Debate» [https://www.sciencedebate2008.com/geotermalnyye-teplovyye-nasosy/]

2. Статья с сайта «Википедия» [https://ru.wikipedia.org/wiki/Геотермальный_тепловой_насос]

3. Статья с сайта «Teplowood.ru» [https://teplowood.ru/geotermalnyj-teplovoj-nasos.html]

Код для цитирования: Скопировать