Відновлювальні джерела енергії: теплові насоси «ґрунт-вода»

В. Шокало

Одним із найбільш екологічних та найефективніших видів опалення є використання енергії землі, що міститься у ґрунті та воді. Оскільки температура ґрунту на певній глибині відносно постійна протягом усього року та має позитивне значення, теплові насоси (ТН) типу «грунт-вода» працюють зі сталими високими показниками ефективності. За опалювальний сезон ґрунтові ТН можуть заощадити до 80% у порівнянні із традиційною системою опалення з газовим котлом, що є вигідною інвестицією на майбутнє

Можна використовувати два джерела теплової енергії з-під землі: тепло із шарів під поверхнею та глибинне тепло.

Грунтові зонди

Використовують глибинне тепло землі. Вони вводяться вертикально у ґрунт на глибину до 150 метрів. Довжина труб та відстані між ними залежать від характеристик ґрунту та від потужності відбору тепла, тобто від кількості енергії, необхідної для опалення будинку. Як теплоносій часто використовуються спеціальні розсоли.

Переваги:

• надійність;
• незначна площа, що займає свердловина зонда;
• висока річна ефективність теплового насоса.

Недоліки:

• відносно високі інвестиційні витрати.

Грунтові колектори

Використовують тепло безпосередньо з-під поверхневих шарів. Вони укладаються горизонтально у ґрунт нижче рівня промерзання, який для умов України розташований приблизно на глибині 1,2 м. Колектори зазвичай мають нижчу вартість монтажу у порівнянні з ґрунтовими зондами, але потребують значного вільного місця.

Переваги:

• низькі інвестиційні витрати;
• висока річна ефективність теплового насоса.

Недоліки:

• велике значення має точний розрахунок;
• інтенсивний понаднормовий відбір тепла може викликати перемерзання ґрунту навколо колекторного поля;
• є проблема виникнення «повітряних мішків» під час неправильного прокладання труб;
• потреба у великій площі для розташування підземного колектора;
• неможливість розміщення будівель і висадження дерев на місці розташування колекторного поля.

Відведення тепла ґрунту здійснюється через пластмасові труби, що укладаються паралельно поверхні землі зазвичай декількома контурами на великій площі. Довжина одного контуру не повинна перевищувати 100 м, інакше буде потрібний насос великої потужності. Окремі контури підключаються до гребінки, яка для видалення повітря з трубопроводу розташовується в його найвищій точці.

Використання грунтових вод

Також використовуються як джерело тепла. Теплоносій (вода) прокачується через геотермічну колодязну установку, і після відбору тепла вода повертається у водоносні шари ґрунту. Така технологія також дозволяє отримати високий коефіцієнт ефективності теплового насоса.

Переваги:

• високий коефіцієнт перетворення енергії;
• незначна площа.

Недоліки:

• підвищені витрати на технічне обслуговування відкритої системи;
• необхідність аналізу води;
• потребує спеціального дозволу.

Використання ґрунтових вод із свердловини і повернення їх у водоносний горизонт є доволі ефективним методом. Практично постійна позитивна температура води протягом року дозволяє досягти високого коефіцієнта перетворення енергії. При цьому велику увагу слід приділяти допоміжній енергії, особливо споживанню електричної енергії насосом. У невеликих установках або при заборі води з дуже великих глибин розрахована енергетична вигода часто сходить нанівець через підвищене енергоспоживання насосом, що негативно відбивається на річній ефективності та рентабельності. При використанні ґрунтових вод як джерела тепла потрібно мати на увазі, що коли мова йде про відкриту систему, то на її функціонування значний вплив мають якість і кількість води, глибина залягання підземних вод тощо.

Особливості проектування теплових насосів «грунт-вода»

При проектуванні ТН потрібно особливу увагу звертати на режим експлуатації теплового насоса. Підбір потужності «із запасом» призведе не лише до високих інвестиційних витрат, але й до небажаного режиму роботи ТН з постійним циклічним ввімкненням/вимкненням, що у подальшому може скоротити загальний термін експлуатації обладнання.

Відео. Як працює тепловий насос

Моноенергетичний режим передбачає покриття за допомогою теплового насоса до 80% річного навантаження на опалення, 20% – покриття пікових навантажень, відбуватиметься за допомогою додаткового електричного нагрівального елемента. Для побутової лінійки він зазвичай вже вмонтований у ТН.

Бівалентно-паралельний режим передбачає використання як додаткового джерела тепла окремого газового або електричного котла, який також розрахований для покриття лише пікових навантажень.

Для зменшення частоти ввімкнення/вимкнення теплового насоса рекомендується під’єднувати його до буферної ємності, в якому буде накопичуватись тепло, що використовуватиметься системою опалення. Об’єм буферного бака розраховується із співвідношення 10-15 л об’єму буферного бака на 1 кВт потужності теплового насоса.

У комбінації з баком-водонагрівачем теплові насоси ;«грунт-вода» працюють не лише на опалення, але й для приготування гарячої води. Для невеликої сім’ї на 2-3 людини є моделі теплових насосів (наприклад, теплові насоси Bosch Compress 6000 LWM) з уже вбудованим баком-водонагрівачем з об’ємом 180 л. При значно більшій потребі у гарячій воді можна звернутись до технічного рішення на базі, наприклад, Тепловий насос Bosch Compress 6000 LW та окремого бака-водонагрівача об’ємом від 300 до 500 л. Обов’язковою умовою при підборі бака-водонагрівача до ТН є збільшена площа поверхні теплообмінника (зазвичай втричі), порівняно з теплообмінниками баків для підключення до традиційних джерел енергії. Саме тому існують окремі типи баків, розрахованих на нагрів гарячої води саме від теплових насосів.

Особливо перспективними наразі стають схеми спільного використання грунтових теплових насосів разом із сонячними тепловими панелями (геліоколекторами). Це дозволяє підвищити частку використання відновлюваної енергії з навколишнього природного середовища в загальному енергоспоживанні. Крім того існують моделі ТН, що надають можливість використовувати ТН з водяним теплоносієм для охолодження помешкання влітку, тобто в реверсному режимі.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 8 724