Геотермальный насос – берем энергию у земли

123rf.com / Panotthorn Phuhual

Когда говорят о независимости от энергоносителей, то обычно имеют в виду переход на солнечные батареи и ветрогенераторы. Однако для отопления коттеджа или частного дома можно использовать еще одну установку – более сложную и оригинальную, но не менее производительную. Речь идет о геотермальном тепловом насосе, способном работать за счет перепада температур в глубине грунта и на его поверхности.

Как работает геотермальный насос?

В упрощенном виде принцип работы геотермального насоса такой же, как у кондиционера или холодильника. Отличие состоит в том, что он забирает тепло из внешней среды и направляет его в отапливаемое помещение.

Внешний контур теплового насоса отбирает тепло у окружающей среды. При этом насос не обязательно должен располагаться в земле. Его можно установить и под водой, и просто на открытом воздухе. Правда, максимальная эффективность все же достигается при установке геотермального контура в почву, ниже уровня промерзания земли.

Теплоносителем, то есть переносчиком тепла по контуру, обычно выступает фреон, но можно использовать воду или рассол. Жидкость-теплоноситель нагревается, накапливая тепло из внешней среды, а после этого она поступает в испаритель, или теплообменник.  

В испарителе находится хладагент, который довольно быстро закипает. Он испаряется, а получившийся газ попадает в компрессионную установку. В компрессоре газ сжимается, его температура увеличивается и он попадает в конденсатор. Последний соединен с внутренним контуром установки, который обеспечивает теплообмен. Газ разогревает теплоноситель, циркулирующий во внутреннем контуре, и направляет его в отопительную систему. После охлаждения газ конденсируется и жидкость вновь возвращается в испаритель.  

Виды тепловых насосов

Самой простой градацией является деление геотермальных установок в зависимости от источника, из которого они получают тепло. Их всего три: грунт, вода и воздух. Попутно выделяют две системы отопления, к которым подключается насос – водяную и воздушную. Таким образом, можно выделить пять основных типов геотермальных насосов:

• "грунт-вода" (внешний контур, погруженный грунт в сочетании с водяной системой отопления);
• "воздух-вода" (внешний контур забирает тепло из окружающего воздуха в сочетании с водяной системой отопления);
• "воздух-воздух" (внешний контур забирает тепло из окружающего воздуха в сочетании с воздушной системой отопления);
• "вода-вода" (внешний контур погружен в воду или использует водяную скважину в сочетании с водной системой отопления);
• "вода-воздух" (внешний контур погружен в воду, а для отопления используется воздушная система).

Самыми неэффективными, особенно в широтах умеренного пояса, являются воздушные насосы – те, которые извлекают тепло из окружающего воздуха. Успешно они работают только в жарких и засушливых регионах, но там и отрицательные температуры большая редкость.

Самыми лучшими для умеренных зон, долговечными и простыми в обслуживании являются насосы "грунт-вода". Они не зависят от температуры окружающей среды, поскольку берут необходимое тепло из недр почвы.

Достоинства и недостатки тепловых насосов

Геотермальные установки имеют ряд преимуществ, особенно по сравнению с традиционными "зелеными" источниками энергии:

• геотермальный насос служит и отопительной системой, и котлом для подогрева воды, и даже способен частично снабжать себя электроэнергией;
• ему не нужна постоянная инсоляция (солнечный свет) или ветер. Достаточно, чтобы просто было тепло;
• эффективность работы геотермальных установок не зависит от времени суток или поры года;
• если морозы не слишком сильные, тепловой насос постоянно находится в области положительных температур и стабильно работает;

Недостатки в основном сводятся к дороговизне, необходимости отвести для насоса определенную площадь участка и некоторых сложностей с монтажом. Однако простой геотермальный насос можно соорудить самостоятельно.

Что нужно для сборки теплового насоса?

Для сборки теплового насоса понадобится ряд деталей, которые придется приобрести:

• испаритель – можно использовать пластиковую бутыль или емкость любой формы. Литраж подбирается в зависимости от объема и типа насоса;
• компрессор – для насоса подойдет установка от холодильника или кондиционера. Желательно брать версию помощнее;
• медный змеевик – медные трубки найти довольно просто, главное выбрать правильный шаг при намотке змеевика;
• конденсатор – без этой детали никак не обойтись – нужна емкость из нержавеющей стали (толщиной не менее 1 мм).

Как собрать тепловой насос самому?

Сборка теплового насоса потребует от вас навыков сварщика, монтажника и электрика. Возможно, вам придется прибегнуть к помощи специалистов или даже приобрести готовый вариант, мы же опишем общий алгоритм установки геотермального насоса.

• Для начала проверьте счетчик – 20-амперного однофазного счетчика явно не хватит. Нужен минимум 40-45-амперный.
• Можно собрать геотермальный насос из двух однофазных компрессоров с мощностью охлаждения 25 000-26 000  БТЕ (Британских тепловых единиц) для каждого. Общая тепловая мощность в этом случае составляет около 18 кВт при потреблении электричества не более 4,5 кВт/ч. Такой вариант хорош для постепенного подключения отопления.
• После этого приобретите компрессор от сплит-системы мощностью, скажем, 25 500  БТЕ, что составляет 7,5 кВт "по холоду" и 9,5 "по теплу". Компрессор прикрепите к стене при помощи кронштейнов.

• Затем вам нужно раздобыть бак из нержавейки на 120 л. Разрежьте его на две части, а внутрь вставьте медный змеевик фреоновода. После этого заварите бак. Получится около 2 кв.м. площади теплообмена.
• Используйте медную трубу диаметром 12,7 мм (по внешней стороне). Фреоновод входит в конденсатор сверху, а выходит снизу. Концы выведите наружу при помощи сантехнических переходов.

• Погрузите теплообменник в земляную шахту или грунтовые воды.
• Для монтажа испарителя нужна пластиковая емкость (объемом 120-130 л), около 25 метров трубы и терморегулирующий вентиль (ТРВ). После приварите трубку линии выравнивания к вентилю. Затем запаяйте всю установку с последующей тщательной герметизацией всех узлов.
• После этого ее нужно вакуумировать, то есть избавиться от остатков воздуха и наполнить фреоном. Затем подождите пару дней и проверьте уровень давления. Если оно осталось прежним, значит, утечек нет. На места соединений нанесите мыльную пену, по пузырькам можно будет определить, пропускают ли они воздух.

• Для автоматизации необходимо однофазное пусковое реле с пусковым током до 40 А. Датчики позволят контролировать температуру воды "на входе" и "на выходе".
• Остается сделать пробный запуск и проверить работоспособность системы.

Установка простого геотермального насоса позволит снизить часть расходов на отопление и обзавестись собственной автономной установкой. При этом тепло из недр самой земли постоянно будет поступать в ваш дом.