Геотермальный тепловой насос, использующий энергию грунта, является одним из наиболее экономичных решений для отопления дома в условиях российского климата. Его эффективность и низкая стоимость эксплуатации по сравнению с традиционными водяными системами напрямую зависят от грамотного проектирования и монтажа грунтового теплообменника — ключевого элемента всей системы.
Содержание
- 1 Для кого подходят геотермальные тепловые насосы.
- 2 Правовые аспекты: разрешения и уведомления.
- 3 Особенности работы в российском климате.
- 4 Принцип действия грунтового теплового насоса.
- 4.1 Горизонтальный теплообменник.
- 4.1.1 Проектирование горизонтального теплообменника.
- 4.1.2 Расчет площади горизонтального теплообменника.
- 4.2 Вертикальный теплообменник (геотермальные зонды).
- 4.2.1 Расчет длины вертикального теплообменника.
- 4.1 Горизонтальный теплообменник.
- 5 Экономия за счет оптимизации мощности.
- 6 Выбор труб для грунтового контура.
- 7 Рабочие жидкости (теплоносители).
- 8 Видеоурок: устройство и принцип работы.
Для кого подходят геотермальные тепловые насосы
Идеальный момент для внедрения геотермального теплового насоса — стадия проектирования нового дома. На этом этапе можно оптимально интегрировать все параметры системы отопления. Основное условие — наличие технической возможности для размещения грунтового теплообменника, который является источником низкопотенциального тепла.
Важно понимать, что на глубине около 1,5 метров грунт получает тепло в основном от солнца и атмосферных осадков. Поэтому участок над горизонтальным коллектором должен быть открытым, хорошо дренируемым и не засаженным растениями с мощной корневой системой, способной повредить трубы.
Работа насоса приводит к охлаждению почвы на несколько градусов, что может негативно сказаться на растительности. По этой причине установка горизонтального коллектора на уже благоустроенном участке с ландшафтным дизайном часто сопряжена со значительными трудностями.
Правовые аспекты: разрешения и уведомления
Согласно действующему законодательству, установка самого теплового насоса не требует получения разрешения на строительство. Однако это правило не всегда распространяется на монтаж грунтового теплообменника, особенно вертикального (зондов). Для горизонтального коллектора, учитывая схожесть земляных работ с монтажом локальных очистных сооружений, разрешение часто не требуется, но этот момент необходимо уточнить в местной администрации.
Земляные работы могут быть ограничены в водоохранных зонах. Для бурения вертикальных скважин под геотермальные зонды ситуация строже: необходимо разработать проект геологоразведочных работ и согласовать его в уполномоченных органах за 8 недель до начала работ. Непосредственно перед бурением (за 2 недели) подается уведомление. Работы должны выполняться лицензированными специалистами.
Особенности работы в российском климате
Стабильность температуры грунта — ключевое преимущество геотермальных систем. В отличие от воздуха, температура земли ниже глубины промерзания всегда положительна, что позволяет тепловому насосу работать в более узком и эффективном диапазоне. Согласно СНиП 2.01.01-82, глубина промерзания в России варьируется от 0,8 до 2,4 метров. На практике, уже на глубине 1,5 метров грунт имеет плюсовую температуру круглый год, а ниже 10 метров температура стабилизируется на уровне около +10°C.
Принцип действия грунтового теплового насоса
Сердце системы — грунтовый теплообменник, представляющий собой замкнутый контур из труб, уложенных в земле. По ним циркулирует незамерзающая жидкость — так называемый «рассол». В испарителе теплового насоса рассол охлаждается, отдавая хладагенту низкопотенциальное тепло, а затем, проходя по подземным трубам, снова нагревается от грунта. Таким образом, рассол выступает в роли посредника, переносящего тепловую энергию от земли к насосу.
Существует два основных типа теплообменников: горизонтальный (требует большой площади участка) и вертикальный (геотермальные зонды, требующие меньше места, но более дорогие в монтаже). Критически важным является правильный расчет объема теплообменника. Слишком малая система будет чрезмерно охлаждать грунт, что приведет к падению эффективности и аварийным отключениям (обычно при температуре рассола ниже -7°C).
Горизонтальный теплообменник
Трубы горизонтального коллектора укладываются в траншеи или котлованы на глубине 0,2–0,5 м ниже границы промерзания. Оптимальное расстояние между параллельными трубами — от 0,4 до 1,2 м, в зависимости от типа грунта и его способности к тепловосстановлению. Важно понимать: тепловая мощность контура зависит не от длины трубы, а от площади грунта, с которой он забирает тепло. Слишком частая укладка увеличивает затраты на материалы и насосное оборудование, а слишком редкая — не позволяет собрать необходимое количество тепла.
Проектирование горизонтального теплообменника
Основой для расчета является требуемая тепловая мощность насоса. Если известен коэффициент преобразования (COP или КП), то мощность охлаждения грунта (которую должен отвести теплообменник) можно рассчитать по формуле: Qохл = (Кп – 1)/Кп • Qотопл. Значения должны соответствовать расчетным температурным режимам (например, 0°C для рассола и 35°C для системы отопления).
Расчет площади горизонтального теплообменника
Удельная тепловая мощность грунта (qg) варьируется в зависимости от его типа и влажности. Ориентировочные значения для полиэтиленовых труб:
- Сухой песок: 10 Вт/м²
- Влажный песок: 15–20 Вт/м²
- Сухая глина: 20–25 Вт/м²
- Влажная глина: 25–30 Вт/м²
- Водонасыщенный грунт: 35–40 Вт/м²
Площадь теплообменника (A) рассчитывается по формуле: A = Qохл / qg.
Пример: Для дома с потребностью 14 кВт и насосом с COP=4.5, мощность охлаждения Qохл = 10.9 кВт. Для сухой глины (qg=20 Вт/м²) потребуется площадь A = 10 900 / 20 = 545 м². Для водонасыщенного грунта площадь будет почти в два раза меньше, а для сухого песка — больше 1000 м², что делает вертикальные зонды более предпочтительным решением.
Вертикальный теплообменник (геотермальные зонды)
Вертикальные зонды, погружаемые на глубину 40–150 м, обеспечивают более высокий COP благодаря стабильной температуре грунта (+8…+10°C). Конструктивно это U-образные или двойные U-образные петли из труб, помещаемые в пробуренные скважины и залитые специальным раствором для улучшения теплопередачи. Расстояние между скважинами должно быть не менее 5–15 м.
Расчет длины вертикального теплообменника
Расчет сложнее и требует учета геологического разреза участка. Удельный теплосъем с метра зонда (qg) зависит от типа грунта:
- Сухой песок: 10–12 Вт/м
- Влажный песок: 12–16 Вт/м
- Влажная глина: 19–22 Вт/м
- Водонасыщенный грунт: 25–30 Вт/м
Для точного расчета необходимы данные геологоразведки. Ориентировочно, для зонда типа «двойной U» в благоприятных условиях можно принимать qg ≈ 50 Вт/м. Для того же примера (Qохл = 10.9 кВт) общая длина зондов L = 10 900 / 50 = 218 м, что может быть реализовано, например, четырьмя скважинами по 55 м.
Экономия за счет оптимизации мощности
Стоимость системы напрямую зависит от ее мощности. Для значительной экономии на этапе инвестиций можно использовать бивалентную схему, где тепловой насос покрывает основную нагрузку, а в сильные морозы (ниже так называемой «точки бивалентности») подключается резервный источник (например, электрический ТЭН). Это позволяет установить насос и, соответственно, теплообменник на 20–30% меньшей мощности. В нашем примере это уменьшит площадь горизонтального коллектора с 545 м² до 410 м², а общую длину зондов — с 218 м до 164 м.
Выбор труб для грунтового контура
Длина одного контура ограничена возможностями штатного циркуляционного насоса. Обычно используются петли длиной 100–400 м. Для горизонтальных коллекторов применяют прочные полиэтиленовые трубы PE100 или PE100 RC (для каменистых грунтов). Для вертикальных зондов подходят трубы PE80, PE-X, полибутилен (PB) или медь в пластиковой оболочке. Диаметр труб — от DN25 до DN65.
Все трубы должны быть заглублены не менее чем на 0,5 м, а в местах входа в дом — иметь теплоизоляцию на протяжении 2 м, чтобы исключить промерзание грунта у фундамента.
Рабочие жидкости (теплоносители)
В качестве «рассола» в первичном контуре используется незамерзающая жидкость. Исторически применялся солевой раствор, но сегодня стандартом стал экологичный водный раствор пропиленгликоля (обычно 34%-й). Он обладает приемлемой вязкостью, не вызывает коррозии и безопасен. Этиленгликоль, хотя и эффективен, токсичен и не рекомендуется. Этанол имеет хорошие теплофизические свойства, но пожароопасен и не обладает смазывающими свойствами для насоса, поэтому многие производители запрещают его использование.
Видеоурок: устройство и принцип работы
Для наглядного понимания циклов работы, основных компонентов (компрессор, конденсатор, испаритель, дроссель) и процесса переноса тепла рекомендуется ознакомиться с тематическими видеоуроками.