Малая геоэнергетика - теплонасосы

Большая часть населения имеет привычку к традиционным системам обогрева зданий. В котельных или электроцентралях (ТЭЦ) сжигают природный газ, мазут или уголь и по трубопроводам перегоняют полученную тепловую энергию в здания.

Процесс настолько привычен, что основная часть населения с готовностью платит за теплопотери в трубах, которые в среднем составляют от 20 до 50% и принимает как должное выбрасы СО2, задыхаясь в сером смоге.

Доказано, что традиционное производство тепловой энергии поставяет в общий объем выбросов рекордные 40%.

Однако, как и с любой вредной привычкой, с этой также необходимо расстаться, и рассматреть альтернативные способы теплоснабжения.

Расставаться с отжившими свой век технологиями нужно не из любви к научно-техническому прогрессу, а в целях экономии затрат на энергию, достижения автономности от централизованных систем подачи тепла, более гуманного отношения к окружающей среде, а значит, собственному здоровью.

Самой эффективной заменой центрального теплоснабжения признана малая геотермальная энергетика. 

Применение геотермальных насосов в принципе исключает выбросы вредных веществ, массовое применение технологии позволило бы снизить выбросы CO2 на 60%.

Установки, широко использующиеся в Европе и странах Америки, потребляют только 25% энергии электрического тока для производства тепла, остальные 75% - из возобновляемых ресурсом природы.

Геотермальные тепловые системы эксплуатируются за рубежом десятки лет, что дает основания Мировой энергетической комиссии делать прогнозы, что к 2020г. их доля в теплоснабжении в мире  составит 75 %.

В России также наметилась тенденция к переходу на альтернативные геотермальные схемы подачи тепловой энергии в здания.

Согласно экспертным оценкам, с учетом более жестких климатических условий и продолжительного отопительного сезона экономическая эффективность от применения геотермальных тепловых насосов будет намного выше, чем в странах Европы, США и Канаде.

К созданию теплового насоса ученые пришли благодаря развитию холодильной промышленности. В 1852г.  Британский физик Уильям Томсон выдвинул идею «холодильника наоборот», который назвал "умножитель тепла".

Развитие технологий по созданию геотермальных насосов началось в 1973-1978 гг., когда в результате кризиса на Ближнем Востоке энергоносители  стали очень дорогие и крупнейшие потребители нефти, Европа и США начали искать пути экономии энергоресурсов.

Вначале малая геотермальная энергетика была доступна только состоятельной прослойке населения, но год от года ииженеры искали возможности для снижения себестоимости техники.

Сегодня россияне, которые могут себе позволить содержать дачу, или загородный дом, отказываются от дорогого техподключения к газовым сетям и переходят на энергоэффективные геотермальные насосы.     

Геотермальные тепловые насосы, пожалуй, единственная система теплоснабжения, которая может быть рентабельной. На 1 кВт затраченной энергии вырабатывается 3-7 кВт тепловой энергии или 15-25 кВт мощности по охлаждению на выходе (если речь идет о кондиционировании).

Стоимость установки в среднем выше, чем газовый котел или центральная система кондиционирования, однако эксплуатация геотермальных насосов не требует затрат, более чем в 4 раза эффективнее традиционны систем.

Ряд производителей создает насосы,  которые не требуют обслуживания. Устройство насоса само по себе очень простое: одиночный модуль контролирует отопление, охлаждение и нагрев воды.

Система работает устойчиво, колебания температуры и влажности в помещении минимальны благодаря мультизональному климатическому контролю. В насосе минимум подвижных деталей, поэтому система бесшумна и долговечна.

Процесс производства тепла экологически чистый, так как используется возобновляемая энергия земли.

Геотермальные тепловые насосы можно использовать для любых объектов: промышленых зданий, жилых домов, социальных учреждений, гостиниц, офисно-торговых центров, коттеджных городков, дач, квартир, бассейнов, и т.д.

Тепловой геотермальный насос поглощает низкопотенциальную теплоту из окружающей среды с температурой 4-6 С0 и выше. Эта теплота в виде нагретой воды или воздуха  подается в систему теплоснабжения потребителей.

Передача тепла осуществляется хладагентом (фреон). Электроэнергия, потребляемая тепловым насосом, тратится лишь на работу компрессора, который перемещает фреон по системе.

По такому принципу устроены и холодильные машины.

Основными элементами теплового насоса являются соединенные трубопроводом испаритель, компрессор, конденсатор и регулятор потока - дроссель, а также вихревая трубка.

Максимальная тепловая мощность геотермальных насосов может достигать более 106 кВт, средняя тепловая мощность составляет 10 кВт.

Геотермальный теплонасос выполняет сразу три функции: отопление, горячее водоснабжение и охлаждение/ осушение здания.

По принципу работы термонасосы делятся на четыре типа.

Геотермальный тепловой насос типа "грунт - вода" использует геотермальную энергию земли.

Грунтовый коллектор насоса может быть горизонтальным или вертикальным. На глубине температура земли постоянная и не изменятся даже в холодную зиму.

Постоянная температура почвы создают основу для высокой эффективности преобразования низкопотенциального тепла для обогрева и горячего водоснабжения помещений.

Также коллектор может быть опущен в ближайший к дому водоем. Грунтовые насосы используются в моновалентной, бивалентной и моноэлектрической системах.

Водяной тепловой насос типа "вода - вода" в качестве источника тепла использует подземные грунтовые воды.

Их температура постоянна на протяжении всего года и составляет от +7°С до +12°С. Необходимым условием является определенное количество перекачиваемой воды и зависит от мощности теплового насоса. Нужно уделить особое внимание качеству грунтовых вод.

Этот насос может работать также на сбросовых и технологических водах, и пр.

Воздушный тепловой насос типа "воздух - вода" получает тепло из атмосферного воздуха.

"Воздушник" может работать на сбросовом тепле, например, компрессорных станций.

Его применяют как для отопления и горячего водоснабжения, так и для охлаждения помещений в моноэлектрической схеме.

При очень низких температурах используется электродогреватель для покрытия всех потребностей по отоплению здания.

"Воздушник" может быть встроен в уже существующие системы отопления.

Тепловые насосы типа "воздух - воздух", в зависимости от конструкции, используют приточно-вытяжной воздух.

Такие насосы обладают высокопроизводительным радиальным вентилятором, их можно использовать для проветривания помещения и рекуперации тепла, осушки воздуха, поддержания микроклимата в винных погребах.

В отличае от традиционных систем теплоснабжения геотермальные насосы используют небольшое количество механических компонентов, они долговечны и высоко надежны.

Например, насос тепловой производительностью 10 кВт потребляет всего 2,5 кВт электроэнергии и способен обогреть дом площадью 150 - 200 м2.

Подземный трубопровод (состоит из полимерных труб), используемый в геотермальной системе имеет срок службы более 50-ти лет, и сама система непосредственно будет верно служить от 25-ти до 50-ти лет и больше.

Геотермальные тепловые насосы могут использовать в качестве источника энергии грунт, наружный воздух, тепло грунтовых, артезианских и термальных вод, воды рек, озер, морей и других незамерзающих природных водоемов.

Насосы комплектуются системой управления и автоматики, которая поддерживает заданный режим работы теплового насоса.

В некоторых странах, например Великобритании, к геотермальным тепловым насосам относят только тепловые насосы с вертикально установленным  теплообменником, а другие способы называют "землеразмещенными", "грунтовыми" или "солнечными" теплонасосами.

Здесь разница в названиях не меняет сути работы тепловых насосов.

Геотермальные тепловые насосы могут быть вертикальными или горизонтальными в зависимости от глубины скважин.

Если скважина имеет длину 50-150 м, в нее опускают вертикальный коллектор, если глубина небольшая – от 1,2 до 2 м, то под землю закапывают горизонтальный коллектор.

Насосы с горизонтальными коллекторами

Под землей создается теплообменник, расположенный на малой глубине с замкнутым или открытым контуром, присоединенного к тепловому насосу, расположенному внутри отапливаемого помещения. При этом используются температуры пород в интервале 5-14 °С.

Специальной подготовки почвы, засыпок и т.п. не требуется. Для прокладки трубопровода предпочтительнее использовать  участок с влажным грунтом, идеально подходит участок с близкими грунтовыми водами.

Однако сухой грунт не является помехой, требуется только увеличить длину первичного контура. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1м трубопровода 20-30 Вт.

Для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длинной 350-450 м. Таким образом, для укладки данного контура потребуется участок земли площадью около 400 м2 (20м х 20м).

Эти системы используют не только геотемальную энергию, накопленную в горных породах или в воде, но и солнечную.

Насосы с вертикальными коллекторами

В тяжелом грунте или при ограниченности пространства участка применяется   вертикальный коллектор. Наиболее эффективной считается тепловой насос с замкнутым циклом: теплоноситель прокачивается через замкнутый контур, который может быть проложен глубоко в земле или по дну водоема.

При работе этих систем используется возобновляемое тепло солнечного излучения, которое накоплено в земле.

К примеру, если на обогрев помещения требуется около 10-12 кВт тепловой энергии, а участок земли, который возможно выделить для установки насоса не превышает 6-7 м2, придется пробурить два зонда на глубину в 100 м.

Геотермальный тепловая система может включать  в себя электронагреватель, иногда маломощный жидкотопливный котел в качестве дополнительного источника тепла на случай пиковых холодов в зимний период. 

Котел или обогреватель могут компенсировать 10-30% мощности отопления в зависимости от марки геотермального насоса и его собственной мощности.

При этом, за год тепловой насос произведет 92-98% тепла, а вспомогательный источник 2-8% тепла необходимого зданию в год.

Общая эффективность системы при этом несколько снижается. Электронагреватель также используют из соображений резервирования надежности: в случае поломки теплонасоса.

Установка геотермальных тепловых насосов не нарушает целостность интерьера и концепцию фасада здания, так как нет внутреннего и внешнего блока, и занимает минимум пространства.

Основным преимуществом систем геотермальных тепловых насосов перед другими способами отопления является бережное отношение к окружающей среде, полная пожарная безопасность в связи с отсутствием процесса горения, удобство в использовании, малогабаритность и дешевая эксплуатация.

Большая часть геотермальных тепловых насосов в мире установлена в жилых домах.

Также они используются в школах, детских учреждениях, церквях, производственных и общественных зданиях.

Чем больше объем отапливаемого здания и мощность системы теплового насоса, тем больше можно получить бесплатной энергии недр земли.

Для установки теплового насоса необходимы высокие первоначальные затраты: стоимость насоса и монтажа системы составляет $300-1200 на 1 кВт необходимой мощности отопления.

Системы отопления на основе геотермального теплового насоса окупаются в течение четырех-пяти отопительных сезонов.

За это время можно затратить на сжигаемое топливо столько денег, сколько стоил этот насос, но он и дальше будет давать почти бесплатное тепло еще 25-50 лет.

В будущем период окупаемости будет только уменьшаться, поскольку цены на газ будут постоянно расти опережающими темпами по сравнению с ценами на электроэнергию.

Срок окупаемости снижается в условиях резко континентального климата, где системы зимой используются для отопления, а летом - для охлаждения зданий.

В таблице приведены затраты (в тыс. долл. США) по установке систем отопления для нового дома на одну семью (Kevin Rafferty).

Сравнение котельной на нефтепродуктах и геотермальной скважинной установки

Наименование затрат

Как видно из таблицы, стартовые затраты на геотермальную установку для теплоснабжения дома на 25% выше, чем на котельную, но в дальнейшем не потребуется топлива и эта разница окупится не более чем за 3-4 года.

Частные компании продолжают совершенствовать технологии, чтобы  сделать геотермальные системы более надежными, компактными и общедоступными.

В 2008г. немецкая Vaillant разработала новый метод бурения вертикальных скважин для размещения трубопровода тепловых насосов.

Бурение выполняется с помощью бурового долота с водонапорной системой.

По сравнению с традиционным методом бурения скважин, этот метод является более выгодным как по времени, так и по стоимости.

Причем, трубы теплообменника можно закладывать уже в процессе  бурения.

Бурильная машина лучше приспособлена для работ на небольших участках. Она имеет шарнирный механизм, который позволяет создавать скважины под наклоном.

Эта технология, разработанная в геотермальном центре университета в Боксуме (Германия), предусматривает рабочее давление воды до 1000 бар и расход воды до 26 л в минуту.

Геотермальные тепловые системы применяют во многих странах, включая Швецию, Германию, США, Канаду, и Россию.

Thermia (Швеция),

Viessmann, (Германия)

Vaillant (Германия),

Kermi (Германия),

Oventrop (Германия),

De Dietrich (Франция),

Reflex (Германия),

Grundfos (Дания),

Isoterm (Россия),

Зиосаб (Россия),

Кимрский завод трубопроводного оборудования (Россия),

Buderus (Германия),

Danfoss (Германия),

Viega (Германия),

Zehnder (Германия),

Ferroli (Италия),

Hermann (Италия),

Giersch (Германия),

Global (Италия) 

NIBE (производят геотемальное оборудование, Швеция) и др.

www.esco-ecosys.narod.ru/2002_1/2002_1.pdf -

http://remontinfo.ru/article.php?bc_tovar_id=111

teplonasos.com/climatru.html

http://www.geoteplo.com.ua/

www.uts-msk.ru/?id=10

www.prolin.com.ua/download/FOLDER_GHP2009.pdf

www.rse.ucoz.ru/sb2006.pdf

ru.wikipedia.org/.../Тепловой_насос

baltfriends.ru/node/67

Копирайтер: Прохорова Оксана