Применение геотермальных тепловых насосов для отопления

Россию можно назвать самой холодной страной мира. Для нормального функционирования промышленных объектов и обеспечения необходимых условий проживания людей, 40% всех потребляемых энергетических ресурсов расходуется на получение тепла. Надежность поставки тепловой энергии в течение всего года остается крайне актуальной задачей. Помочь решить ее может широкое применение геотермальных тепловых насосов, в которых источником тепла служит низкопотенциальная энергия поверхностных слоев земли, преобразующаяся специальным образом в высокопотенциальное тепло для систем отопления и горячего водоснабжения.
Геотермальный тепловой насос состоит из трех жидкостных контуров:
- контур с незамерзающей жидкостью, антифризом;
- контур теплового насоса;
- контур системы отопления здания.
Первый контур представляет собой магистраль трубопровода, обычно из пластика, по которому движется незамерзающая жидкость, в качестве которой могут использоваться растворы хлористого кальция, метанола или этиленгликоля. Антифриз поглощает тепловую энергию грунта и несет ее к контуру теплового насоса. Для средней полосы России температура грунта ниже уровня промерзания составляет +5÷8°С.
Контур теплового насоса содержит фреон. У него низкая температура кипения и уже при температуре выше 3°C он переходит в парообразное состояние. Проходя по теплообменнику, незамерзающий теплоноситель передает полученное из земли тепло второму контуру. Фреон испаряется и поступает в компрессор, где подвергается сжатию до 4-26 атмосфер, при этом его температура резко возрастает до +8÷75°С.
Разогретый хладагент (фреон) проходит по второму теплообменнику и нагревает теплоноситель системы отопления или горячего водоснабжения строения. Далее рабочая среда внутреннего контура теплового насоса конденсируется и цикл повторяется вновь.
По способу забора низкопотенциального тепла геотермальные тепловые насосы подразделяются на два вида:
- Геотермальный тепловой насос с открытым циклом.
Для средней полосы России, где грунтовые воды на относительно небольшой глубине имеются практически повсеместно, такой способ может быть достаточно актуальным. Вода забирается непосредственно из одного источника в земле, например, из скважины, перекачивается к теплообменнику внутреннего контура теплового насоса, а потом сбрасывается в другое место, например, вторую пробуренную скважину. При правильном и внимательном обустройстве системы, данный метод не наносит какого-либо ущерба грунтовым водам, не загрязняет их и не меняет уровень в водоносном горизонте.
- Геотермальный тепловой насос с закрытым циклом.
Насосы, в которых происходит отбор низкопотенциального тепла из сухого или влажного грунта, работают по закрытой схеме c горизонтальным или вертикальным расположением помещенных в землю труб.
При горизонтальном размещении, предварительно роются траншеи глубиной ниже уровня промерзания в зимнее время года. Трубы в траншеях могут быть уложены в виде змейки, петель или спирали. Примерно, можно принять площадь необходимого участка для залегания труб равной 2-3 отапливаемым площадям дома. В дальнейшем эта территория подойдет только для обустройства, например, газона или цветника. Теплопроизводительность системы зависит от состава и влажности грунта. В среднем, можно получить 10-40 Вт с одного м².
При вертикальном размещении трубопроводов необходимо бурить скважины глубиной до 150 м. Обычно их диаметр составляет 110-150 мм. На глубине температура грунта составляет около 10°С и с каждого погонного метра можно снять 30-100 Вт тепловой мощности.
На практике применяются две схемы обустройства скважины:
- «труба в трубе» - внутрь обсадной колонны заводится труба с подающим теплоносителем, по образованному межтрубному зазору циркулирует обратная вода, уносящая с собой тепло к теплообменнику внутреннего контура, взятое от стенок обсадной трубы;
- U – образная труба. Согнутая петлей труба, по которой замкнуто циркулирует теплоноситель, помещается в ствол скважины. Площадь теплосъема при такой компоновке получается меньше, чем в предыдущем варианте.