Внешний контур

5.1. Обзор источников тепла https://decentral.web-box.ru/stati/teplovyj-nasos/teplovoj-nasos-istochniki-tepla/ https://strport.ru/klimat/sistema-otopleniya-s-teplovym-nasosom#grunt

Грунт

Грунт – это наиболее универсальный источник рассеяного тепла. Он аккумулирует солнечную энергию и целый год подогревается от земного ядра. При этом он всегда «под ногами» и способен отдавать тепло в независимости от погоды. На глубине 5-7 м температура практически постоянная на протяжении всего года. Для большей территории России она составляет +5 - +8°С, а на глубине 10 м – всегда постоянна +10 °С, что вполне достаточно для обустройства высокоэффективных систем отопления и охлаждения.

Более того, в верхних слоях земли минимальное значение температуры достигается на несколько месяцев позже от пиков морозов – потребность в интенсивном обогреве с помощью теплового насоса «грунт-вода» до той поры уменьшается. В целом же, грунт достаточно надежно поставляет калории для теплового насоса. Необходимая энергия собирается грунтовым теплообменником, углубленным в землю, и аккумулируется в теплоносителе, который потом подается в испаритель теплового насоса и возвращается назад за новой порцией тепла. В качестве такого носителя используется незамерзающая, экологически безопасная жидкость (ее еще также называют «рассолом» или антифризом). В большинстве тепловых насосов «грунт-вода» используется раствор воды и пропиленгликоля или этиленгликоля.

Есть и другая схема отбора тепла, когда вместо «рассола» в контуре циркулирует фреон, который превращается в пар непосредственно в трубах теплосборника. Хоть эта схема повышает КПД теплового насоса, но ее эксплуатация сложна и небезопасна для окружающей среды.

Сегодня наиболее популярный тепловой насос «грунт-вода» – с «рассолом». В этих геотермальных тепловых насосах используется два вида теплообменников: грунтовый коллектор и грунтовый зонд. Оба выполняются из полиэтиленовых труб с добавками теплопроводного пластификатора.

Горизонтальный грунтовый коллектор представляет собой уложенную горизонтально трубу, по которой циркулирует теплоноситель (рисунок 36). Глубина расположения горизонтального коллектора высчитывается индивидуально в зависимости от условий, иногда это 1, 5 – 1, 7 м – глубина промерзания грунта, иногда ниже – 2 – 3 м для обеспечения большей стабильности температуры и меньшей разницы, а иногда всего 1 – 1, 2 м – здесь грунт начинает быстрее прогреваться весной. Бывают случаи, когда обустраивают двухслойный горизонтальный коллектор. Трубы горизонтального коллектора могут иметь различный диаметр 25 мм, 32 мм и 40 мм. Форма их раскладки тоже может быть разной – змейка, петля, зигзаг, различные спирали. Расстояние между трубами в змейке должно быть не менее 0, 6 м, и обычно составляет 0, 8 – 1 м. Выбор способа укладки горизонтального коллектора определяется теплопроводностью грунта и геометрией участка. Главное преимущество горизонтального коллектора – универсальность и простота монтажа.

Удельный теплосъем с каждого погонного метра трубы зависит от структуры грунта:

1) Песок сухой – 10 Вт/м;

2) Глина сухая – 20 Вт/м;

3) Глина более влажная – 25 Вт/м;

4) Глина с очень большим содержанием воды – 35 Вт/м.

Для отопления дома площадью 100 м² при условии, что грунт представляет собой влажную глину, понадобится 400 м² площади участка под коллектор. Это довольно много – 4 – 5 соток. А с учетом того, что на данном участке не должно быть никаких строений и допускается только газон и клумбы с однолетними цветами, то не каждый может себе позволить обустроить горизонтальный коллектор.

Рисунок 36 – Горизонтальный грунтовый коллектор

Вертикальный грунтовыйзонд представляет собой систему труб, заглубленных на 50 – 150 м. Это может быть всего одна U-образная труба, опущенная на большую глубину 80 – 100 м и залитая бетонным раствором. А может быть система U-образных труб, опущенных на 20 м, чтобы собрать энергию с большей площади (рисунок 37). Выполнение бурильных работ на глубину 100 – 150 м не только дорого стоит, но и требует получения специального разрешения, именно поэтому часто идут на хитрость и обустраивают несколько зондов небольшой глубины. Расстояние между такими зондами делают 5 – 7 м.

Удельный теплосъем с вертикального коллектора также зависит от породы:

1) Осадочные породы сухие – 20 Вт/м;

2) Осадочные породы, насыщенные водой, и каменистая почва – 50 Вт/м;

3) Каменистая почва с высоким коэффициентом теплопроводности – 70 Вт/м;

4) Подземные (грунтовые) воды – 80 Вт/м.

Площадь под вертикальный коллектор необходима совсем маленькая, но стоимость их обустройства выше, чем у горизонтального коллектора. Достоинством вертикального коллектора также является более стабильная температура и больший теплосъем.

Рисунок 36 – Вертикальный грунтовый зонд

Вода

Использовать воду в качестве источника тепла можно по-разному.

Рисунок 37 – Коллектор на дне водоема

Коллектор на дне открытого незамерзающего водоема – реки, озера, моря – представляет собой трубы с «рассолом», притопленные с помощью груза (рисунок 37). За счет высокой температуры теплоносителя этот способ получается самым выгодным и экономичным. Обустроить водный коллектор могут только те, от кого водоем находится не дальше 50 м, иначе теряется эффективность установки. Такие условия есть не у всех, но жителям побережья очень выгодно использование тепловых насосов.

Коллектор в канализационных стоках или сбросовой воде после технических установок можно использовать для отопления домов и даже многоэтажек и промышленных предприятий в черте города, а также для приготовления горячей воды. Данный способ нашел успешное применение на территории Российской Федерации.

Рисунок 38 – Система с открытым коллектором (одна скважина)

Скважинную или грунтовую воду используют реже, чем другие коллекторы. Такая система подразумевает строительство двух скважин, из одной забирается вода, которая передает свое тепло хладагенту в тепловом насосе, а во вторую сбрасывается остывшая вода (рисунок 38). Вместо скважины может быть фильтрационный колодец. В любом случае сбросовая скважина должна находиться на расстоянии 15 – 20 м от первой, да еще и ниже по течению (подземные воды тоже имеют свое течение). Данная система довольно сложна в эксплуатации, так как за качеством поступаемой воды необходимо следить – фильтровать ее, и защищать детали теплового насоса (испаритель) от коррозии и загрязнения.

Воздух

Самую простую конструкцию имеет система отопления с воздушным тепловым насосом. Никакого дополнительного коллектора не нужно. Воздух из окружающей среды напрямую поступает к испарителю, где передает свое тепло хладагенту, а тот в свою очередь передает тепло теплоносителю внутри дома (рисунок 39). Это может быть воздух для фанкойлов или вода для теплого пола и радиатора.

Рисунок 39 – Система с открытым коллектором

Затраты на установку воздушного теплового насоса самые минимальные, но зато производительность установки очень зависит от температуры воздуха. В регионах с теплыми зимами (до +5 – 0 °С) это один из самых экономичных источников тепла. А вот если температура воздуха опускается ниже -15 °С производительность падает настолько, что не имеет смысла использовать насос, а выгоднее включить обычный электрообогреватель или котел.

На воздушные тепловые насосы для отопления отзывы весьма противоречивы. Все зависит от региона их использования. Их выгодно использовать в регионах с теплыми зимами, например, в Сочи, где даже не понадобится дублирующий источник тепла на случай сильных морозов. Также можно устанавливать воздушные тепловые насосы в регионах, где относительно сухой воздух и температура зимой до -15 °С. А вот во влажном и холодном климате такие установки страдают от обледенения и обмерзания. Налипающие на вентиляторе сосульки не дают нормально работать всей системе.

Экономические вопросы использования ТНУ

Устанавливать теплонасосную систему отопления в частном доме не всегда является целесообразным.

Спецификация цен рассматриваемой установки выглядит следующим образом (таблица 23).

Таблица 23 – Спецификация цен рассматриваемой установки

Чтобы получить ясную картину об анализе эффективности установки теплонасосной системы отопления, проведем сравнение с газовым отоплением (при подведенном газе к дому и с учетом врезки в магистраль) и отоплением с помощью электрического котла (таблица 24). Контуром отопления в доме пренебрегаем, так как затраты на его установку идентичны в любом из вариантов.

Таблица 24 – Сравнение систем отопления