Грунтовый тепловой насос: принцип работы и преимущества эксплуатации
Грунтовый — геотермальный тепловой насос
Грунтовый, или как его еще называют, геотермальный тепловой насос извлекает энергию из земли либо из воды для отопления дома зимой и его охлаждения в летнее время. Тепло извлекается из земли посредством жидкости, например грунтовой воды или антифриза, и доставляется во внутренние помещения дома по трубопроводам и воздуховодам. Летом, когда требуется охлаждение, идет обратный процесс: тепло из дома транспортируется в грунт с использованием той же технологии.
Грунтовые насос DX-серии используют хладагент вместо антифриза и воды в качестве транспортирующей жидкости. Данный тип насосов может в равной степени работать через систему воздуховодов или радиаторов. Различные модификации могут быть оснащены только функцией отопления, либо работать также и для охлаждения.
Принцип действия грунтового теплового насоса
Грунтовый тепловой насос состоит из двух частей: контура подземных трубопроводов снаружи здания и блока теплового насоса в помещении. В отличие от воздушного теплового насоса, у которого в доме размещается только теплообменник (и иногда компрессор), грунтовый насос целиком находится в помещении. Наружные трубопроводы могут быть спроектированы как закрытая (замкнутая) либо открытая система.
Открытая система использует тепловые ресурсы, содержащиеся в подземных грунтовых водах. При этом вода из скважины идет напрямую к теплообменнику, где из нее извлекается тепло. Прошедшая теплообменник вода сливается либо в какой-нибудь водоем на поверхности: пруд или протоку, либо возвращается под землю через другую скважину.
Закрытая система вытягивает тепло из земли посредство множества замкнутых петель трубопроводов, зарытых в грунт. Антифриз (или хладагент в случае грунтовых насосов DX-серии), охлажденный рефрижераторной системой теплового насоса на пару градусов ниже температуры почвы, циркулирует по трубопроводам и вытягивает тепло из грунта.
Рабочий цикл в режиме отопления
Грунтовая вода, антифризная смесь или хладагент, прошедшие подземную трубопроводную систему и собравшие тепло из земли, поступают в блок теплового насоса внутри дома. Далее теплоноситель поступает к блоку теплообменника. В случае грунтовых насосов DX-серии теплоноситель поступает прямо к компрессору, минуя теплообменник. Тепло нагревает хладагент до точки кипения, превращая его в низкотемпературный пар. В открытой системе освобожденная от тепла вода далее сбрасывается в ближайший водоем или скважину.
В замкнутой системе антифризная смесь или хладагент выталкивается обратно в подземные трубопроводы, чтобы дальше собирать тепло. Обратный клапан направляет нагретый пар в компрессор, где он подвергается сжатию, уменьшается в объеме и нагревается. Наконец, обратный клапан выталкивает нагретый газ в блок конденсатора, откуда нагретый воздух поступает по воздуховодам во внутренние помещения дома. Отдав свое тепло, хладагент проходит через расширитель, где его давление и температура снижаются еще сильнее, после чего он снова направляется к началу цикла.
Рабочий цикл в режиме охлаждения
Цикл охлаждения, как правило, повторяет алгоритм работы в режиме отопления с точностью до наоборот. Посредством работы обратного клапана хладагент идет в обратном направлении: он собирает тепло из воздуха в помещении и выталкивает его наружу, в случае грунтовых насосов DX-серии – в воду или антифризную смесь. Тепло возвращается в наружный водоем или скважину при открытой системе либо в сеть подземных трубопроводов при замкнутой системе. При выработке избыточного тепла его часть может направляться для обеспечения потребностей горячего водоснабжения.
В отличие от воздушных тепловых насосов грунтовые модели не нуждаются в режиме разморозки. Ведь подземные температуры значительно меньше подвержены изменениям, чем температура воздуха, тем более что основной блок грунтового насоса размещается в помещении, таким образом, проблемы обмерзания практически не возникает.
Составные части системы грунтового насоса
Как показано на рис. 1, система грунтового насоса состоит из трех базовых компонентов: основной блок, внутренняя система воздуховодов и наружная система трубопроводов (при закрытой системе) либо скважина / водоем (при открытой системе). Грунтовые насосы могут иметь различия в конструктивной системе. В комбинированных моделях вентилятор, компрессор, теплообменник и конденсаторные трубопроводы размещаются в одном блоке оборудования. Другие модификации спроектированы в конфигурации «сплит-систем» (отдельных блоков), позволяющих встраивать их в имеющиеся системы отопления.
Рис. 1 – Основные элементы системы грунтового теплового насоса
Показатели эффективности работы грунтового теплового насоса
Как и в случае воздушных тепловых насосов, их грунтовые аналоги имеют множество модификаций, различающихся по техническим характеристикам и параметрам эффективности. Насосы типа Земля-Вода, работающие в рамках открытых систем на грунтовой воде, имеют коэффициент эффективности в режиме отопления в диапазоне от 3,6 до 5,2, в режиме охлаждения – от 16,2 до 31,1 соответственно (см. рис. 2).
Рис. 2 – Показатели эффективности грунтового теплового насоса (открытая система)
Грунтовые тепловые насосы замкнутого типа, работающие от подземных трубопроводов, имеют коэффициент эффективности при отоплении 3,1-4,9, при охлаждении – 13,4-25,8 (см. рис. 3).
Рис. 3 – Показатели эффективности грунтового теплового насоса (закрытая система)
Представленный на рисунках диапазон значений демонстрирует производительность типового ассортимента моделей грунтовых тепловых насосов. Обычно чем выше производительность, тем выше цена оборудования и соответственно стоимость сопутствующих затрат на монтаж, пусконаладку, техническое обслуживание. Чтобы иметь представление о полной стоимости покупки и ввода в эксплуатацию грунтового теплового насоса, нужно составить типовую смету затрат, адаптированную под конкретную модель оборудования. Не стоит забывать о том, что энергопотребление у различных типов грунтовых насосов может значительно отличаться: ведь оно зависит не только от мощности и производительности, но и от технологии энергоэффективности, в соответствии с которой спроектирован тот или иной тип машин.
В отличие от температуры воздуха температура земли остается более-менее постоянной, в результате чего производительность грунтового насоса меняется незначительно в зимний период. Стабильная производительность оборудования дает возможность подобрать модель грунтового насоса под потребности конкретного домохозяйства в отоплении и горячем водоснабжении.
Допустим, в случае с воздушным тепловым насосом будет совершенно нецелесообразным полностью полагаться на него в деле отопления, так как его производительность слишком зависима от погодных условий и, в частности, от уличной температуры. Грунтовый тепловой насос, как уже было сказано, подвержен температурным колебаниям значительно меньше, однако и он не в состоянии в одиночку справляться с отопительной нагрузкой.
Идеальным будет вариант, когда грунтовый насос спроектирован для обеспечения 60-70% от общей тепловой нагрузки (совокупной потребности по отоплению и горячему водоснабжению). В самые холодные зимние дни мощности грунтового насоса может не хватить, так что лучше иметь под рукой резервный источник тепла. Комбинированная работа этих двух нагревательных систем позволит полностью покрыть потребности домохозяйства в ГВС и отоплении. Системы грунтовых насосов переменной мощности c двухступенчатым компрессом способны удовлетворять все потребности в охлаждении и частично в отоплении на малой мощности, и отапливать дом в холодные зимние месяцы – на полной мощности.
На рынке России представлен широкий модельный грунтовых тепловых насосов в диапазоне по мощности от 7 кВт до 35 кВт, многие из которых комплектуются блоком горячего водоснабжения.