Тепловая энергия земли для обогрева дома
Земля и озера вокруг нас представляют огромный резервуар возобновляемых источников тепловой энергии, запасенной от солнца. Эта геотермальная энергия, по оценкам специалистов, превышает все другие источники энергии, более чем в две тысячи раз.
Основой системы геотермального отопления являются один или несколько источников, расположенных в земле, плюс насос, работающий по принципу кондиционера. В отличие от обычных систем отопления, которые сжигают ископаемое топливо или используют электричество, чтобы создать тепло, тепловые насосы просто перемещают тепло из одного места в другое, только с небольшим преобразованием.
Когда это оправдано?
- Участок не подключен к газу. В таком случае, установка теплового насоса будет эффективнее.
- При сроке окупаемости менее 8 лет. Если есть свободные деньги, то можно вложить в систему и это прослужить своеобразной инвестицией.
- При создании автономных инженерных систем.
- При возможности установки всех компонентов. Стоит учитывать, что для такого вида насоса необходимо будет установка грунтового теплообменника.
Оборудование можно монтировать таким образом, что оно будет функционировать в отопительный период в режиме обогрева помещений, а в летний – в режиме кондиционирования.
Как работает система геотермального отопления?
На глубине ниже 2,5 — 3 метров, температура остается на уровне средней годовой температуры воздуха. Зимой, геотермальная система собирает эту тепловую энергию из земли и концентрирует ее внутри дома или здания, чтобы обеспечить отопление помещений.
Для каждой единицы энергии, используемой тепловым насосом, хорошо продуманная геотермальная система может обеспечить 3,57 единиц тепловой энергии в здании. Все тепловые насосы рассчитаны на отраслевой стандарт, называемый коэффициентом полезного действия, или КС, который, как правило, находится в диапазоне от 3,0 до 4,0. Это означает, КПД такой отопительной системы достигает 300% — 400%.
Как это работает летом?
Летом происходит обратный процесс, и геотермальный тепловой насос перемещает тепловую энергию из здания и сохраняет его обратно в земле. Кроме того, энергия, которая удаляется из помещения, может быть использована для эффективного нагрева бассейна, горячей воды или других инженерных систем, которые требуют тепла.
Грунтовые тепловые насосы могут обеспечить, как отопление, так и кондиционирование с эффективностью недостижимой для другого оборудования отопления или охлаждение.
Способы размещения контуров
Ниже представлены несколько основных типов размещения трубопроводов для формирования геотермальных систем.
- Горизонтальные петли. Используются, если есть соответствующая требованиям поверхность земли. Прокладка труб выполняется в траншеи, длина которых находится в диапазоне от 30 до 40 метров. Специальное буровое оборудование используется для отверстий малого диаметра и длиной от 30 до 120 метров.
- Вертикальные петли. Являются идеальным выбором при ограничении или недостатке открытых поверхностей земли. Применяется оборудования для бурения скважин и закладки трубопроводов.
- Озерные петли. Очень экономичны в установке, когда доступен водоем, поскольку затраты на проведение земляных работ практически исключены. Катушки из труб просто размещаются на дне пруда или озера. Подобные системы петлевые, они используют грунтовые воды в качестве непосредственного источника энергии. В благоприятных условиях, открытая геотермальная система может считаться наиболее экономичным источником.
Для улучшения эффективности там, где большие геотермальные системы не являются жизнеспособными, оправдано существование гибридных котлов. Такие системы включают в себя, как геотермальный цикл, так и стандартное отопительное оборудование.
А те, кто хотели бы использовать возобновляемые источники тепла для обогрева жилья, но при этом нет возможности из-за недостаточной площади земли пробурить скважину или установить горизонтальный коллектор — следует выбирать воздушный тепловой насос NIBE.
К тому же, цена “под ключ” такого типа насосов существенно ниже геотермальных. Они также эффективно работают даже при температуре на улице до -25 °C, обеспечивая дом теплом и горячей водой.
Отопление дома теплом земли, тепловая энергия земли
Надо признать, что среднестатистический обыватель мало задумывался об истощении земных недр, загрязнении атмосферы и окружающей среды в целом от сжигания углеводородов. И только сейчас люди всерьез стали обращать внимание на экологически чистые и возобновляемые источники энергии, поскольку стоимость углеводородного топлива стала неуклонно расти. Один из способов использования таких неиссякаемых источников — отопление дома теплом земли. Информацию о том, как оно действует и каким образом претворяется в жизнь, вы найдете в этой статье.
Как это работает?
Общеизвестный факт, что температура грунта на глубине около 1.5 м и более постоянна в течение всего года. Ее значение лежит в диапазоне плюс 5—7 °С, причем температура постепенно повышается с ростом глубины.
Благодаря такому явлению люди хранят продукты и овощи с огорода в подвалах.
Получается, что температура там всегда положительна и грех не использовать это тепло из земли для обогрева жилья.
Больше всего человека привлекает тот факт, что тепловая энергия грунта – бесплатная. Но вот извлечь ее и направить в дом обойдется в кругленькую сумму, о чем мы поговорим далее.
Перемещать в помещения такое слабенькое тепло, как +7 °С абсолютно бессмысленно. Задача стоит не так: нам нужна именно энергия, а не температура. И в этом может помочь обычный кондиционер, только перевернутый наоборот. Ведь что он делает? Летом берет энергию изнутри здания и перемещает его наружу, а зимой – в обратном направлении. Это происходит благодаря теплообменным процессам внутри холодильной машины (цикл Карно).
Если вкратце и простыми словами, то внутри кондиционера циркулирует между двумя теплообменниками жидкость – хладоноситель. В первом она испаряется, отбирая теплоту от воздуха помещения, а во втором – конденсируется, отдавая ее в окружающую среду.
Переходу хладагента из одного агрегатного состояния в другое способствуют 2 главных агрегата – компрессор и расширительный клапан.
Таким же образом выделяется тепловая энергия земли. По контуру из труб, помещенному вглубь грунта, движется теплоноситель, нагретый до температуры +7 °С. В первом теплообменнике он встречается с рабочим телом – фреоном, заставляя его испариться. Во втором фреон конденсируется, передавая полученную тепловую энергию системе отопления.
В результате такого перемещения земля охлаждается на 2—3 °С, а вот дом прогревается на 20—40 °С. Не стоит обращать внимание на несоответствие температур, ведь в земляном контуре тоже циркулирует в 10 раз больше жидкости, чем в отопительном. Энергозатраты – мизерные, расходуется электричество для работы компрессора, насоса и автоматики. В целом соотношение затрат энергии к добытой из земли – примерно 1 : 5—1 : 7.
Установка, обеспечивающая использование энергии земли для отопления, имеет свое название – геотермальный тепловой насос.
Виды установок для отбора тепла земли
Внутреннее устройство теплового насоса, кратко описанное выше, остается неизменным в любом случае. А вот конструкция наружного контура, что извлекает энергию из грунта, бывает 2 типов:
- горизонтальный: в котлован расчетного размера и глубиной 1.5—2 м укладывается полимерная труба с определенным шагом;
- вертикальный: трубы контура опускаются в глубокие скважины. Их количество также определяется расчетом.
Рыть котлован удобно на этапе строительства частного дома, это делается как раз в том месте, где планируется возводить здание. Также горизонтальный контур можно устроить в том случае, если имеется достаточно большой участок земли у дома. Когда такого участка нет и места совсем мало, энергия земли отбирается геотермальными зондами из глубоких скважин. Их придется сделать несколько в разных местах.
Концы труб от одного или нескольких наружных контуров прокладываются к дому под землей и входят в подвальную часть здания, где и присоединяются собственно к тепловому насосу.
Теплоносителем, протекающим в подземных змеевиках, обычно служит вода либо незамерзающая жидкость, в зависимости от региона строительства.
По эффективности получения энергии земли вертикальные контуры превосходят горизонтальные, так как часто проходят сквозь водоносные горизонты, а это улучшает отбор теплоты. Держат они первенство и по стоимости монтажа, особенно если бурение скважин происходит в затрудненных условиях.
Плюсы и минусы
Добытая из грунта тепловая энергия, как мы уже выяснили, практически ничего не стоит и это главный плюс. Но есть и другие:
- источник тепла – возобновляемый, проще говоря – неиссякаемый;
- экологичность и безопасность тепловой установки не имеют себе равных;
- хороший выход энергии при малых затратах;
- не требуется никаких разрешений на монтаж или подключение;
- высокая степень автоматизации, а значит, и комфорта;
- нечастое обслуживание;
- низкая степень пожарной опасности.
Есть еще одно важное достоинство геотермальной системы.
Поскольку температура грунта на глубине остается неизменной круглогодично, то летом насос перестает быть тепловым, а становится охлаждающим. Установка переключается в летний режим, хладагент движется в другую сторону, а теплообменники функционально меняются местами. Если частный дом оборудован агрегатами воздушного отопления – фанкойлами, то система подает к ним холодную воду, от которой охлаждается воздух в помещениях.
Недостаток у гелиосистем только один, но настолько существенный, что зачастую перечеркивает все достоинства. Как нетрудно догадаться, это стоимость оборудования и монтажных работ. Всякий поймет, что рытье котлованов и бурение скважин влетит в копеечку, такую работу своими руками не сделаешь. Трубы длиной около километра, сама установка, автоматика, — все это обойдется в кругленькую сумму. Вот почему использование тепла земли до сих пор доступно очень немногим людям.
Заключение
Геотермальные тепловые насосы | Министерство энергетики
Энергосбережение
Изображение
Геотермальные тепловые насосы (GHP), иногда называемые GeoExchange, геотермальные, геотермальные или водяные тепловые насосы, используются с конца 1940-х годов.
Хотя во многих частях страны наблюдаются сезонные экстремальные температуры — от палящего зноя летом до минусовых холодов зимой — в нескольких футах от поверхности земли температура земли остается относительно постоянной. В зависимости от широты температура земли колеблется от 45°F (7°C) до 75°F (21°C). Подобно пещере, эта температура земли теплее воздуха над ней зимой и холоднее воздуха летом. GHP использует эти более благоприятные температуры, чтобы стать высокоэффективным за счет обмена теплом с землей через наземный теплообменник.
Как и любой другой тепловой насос, геотермальные и водяные тепловые насосы могут обогревать, охлаждать и, если они оборудованы, снабжать дом горячей водой. Некоторые модели геотермальных систем доступны с двухскоростными компрессорами и регулируемыми вентиляторами для большего комфорта и экономии энергии. По сравнению с воздушными тепловыми насосами они тише, служат дольше, требуют минимального обслуживания и не зависят от температуры наружного воздуха.
Тепловой насос с двумя источниками тепла сочетает в себе воздушный тепловой насос и геотермальный тепловой насос. Эти приборы сочетают в себе лучшее из обеих систем. Тепловые насосы с двойным источником имеют более высокие рейтинги эффективности, чем агрегаты с воздушным источником, но не так эффективны, как геотермальные агрегаты. Основное преимущество систем с двумя источниками заключается в том, что их установка стоит намного дешевле, чем одиночная геотермальная установка, и работают почти так же хорошо.
Несмотря на то, что стоимость установки геотермальной системы может в несколько раз превышать стоимость установки воздушной системы с той же мощностью нагрева и охлаждения, дополнительные затраты могут окупиться за счет экономии энергии через 5–10 лет, в зависимости от стоимости энергия и доступные стимулы в вашем районе. Срок службы системы оценивается в 24 года для внутренних компонентов и более 50 лет для контура заземления. Ежегодно в США устанавливается около 50 000 геотермальных тепловых насосов.
URL видео
Посмотрите, как геотермальные тепловые насосы нагревают и охлаждают здания, концентрируя природное тепло, содержащееся в земле — чистом, надежном и возобновляемом источнике энергии.
Министерство энергетики США
Существует четыре основных типа систем заземления. Три из них — горизонтальная, вертикальная и пруд/озеро — представляют собой замкнутые системы. Четвертый тип системы — вариант с открытым контуром. Несколько факторов, таких как климат, почвенные условия, доступная земля и местные затраты на установку, определяют, какой из них лучше всего подходит для участка. Все эти подходы могут быть использованы для жилых и коммерческих зданий.
Замкнутые системы
В большинстве геотермальных тепловых насосов с замкнутым контуром раствор антифриза циркулирует по замкнутому контуру, обычно изготавливаемому из пластиковых труб высокой плотности, который закопан в землю или погружен в воду. Теплообменник передает тепло между хладагентом в тепловом насосе и раствором антифриза в замкнутом контуре.
Один тип системы с замкнутым контуром, называемый прямым обменом, не использует теплообменник, а вместо этого перекачивает хладагент по медным трубам, закопанным в землю в горизонтальной или вертикальной конфигурации. Для систем прямого обмена требуется более крупный компрессор, и они лучше всего работают на влажных почвах (иногда требуется дополнительное орошение, чтобы почва оставалась влажной), но вам следует избегать установки в почвах, вызывающих коррозию медных трубок. Поскольку в этих системах хладагент циркулирует по земле, местные экологические нормы могут запрещать их использование в некоторых местах.
Горизонтальный
Этот тип установки, как правило, наиболее экономичен для жилых помещений, особенно для нового строительства, где имеется достаточно земли. Для этого требуются траншеи глубиной не менее четырех футов. В наиболее распространенных схемах используются либо две трубы, одна из которых закопана на глубине шести футов, а другая — четыре фута, либо две трубы, расположенные бок о бок на высоте пяти футов в земле в траншее шириной два фута. Метод скручивания трубы Slinky™ позволяет разместить больше трубы в более короткой траншеи, что снижает затраты на установку и делает возможным горизонтальную установку в местах, недоступных при обычном горизонтальном применении.
Вертикальный
В больших коммерческих зданиях и школах часто используются вертикальные системы, потому что площадь земли, необходимая для горизонтальных петель, была бы непомерно высокой. Вертикальные петли также используются там, где почва слишком мелкая для рытья траншей, и они сводят к минимуму нарушение существующего ландшафта.
Пруд/озеро
Если на участке есть достаточный водоем, это может быть самый дешевый вариант. Подводящая труба проходит под землей от здания к воде и скручивается в кольца на глубине не менее восьми футов под поверхностью, чтобы предотвратить замерзание. Змеевики следует размещать только в источнике воды, соответствующем минимальным требованиям к объему, глубине и качеству.
Разомкнутая система
Этот тип системы использует колодезную или поверхностную воду в качестве теплоносителя, который циркулирует непосредственно через систему GHP.
Пройдя через систему, вода возвращается в землю через колодец, подпиточный колодец или поверхностный сброс. Очевидно, что этот вариант практичен только там, где имеется достаточное количество относительно чистой воды и соблюдаются все местные нормы и правила, касающиеся сброса подземных вод.
Гибридные системы
Гибридные системы, использующие несколько различных геотермальных ресурсов или сочетание геотермального ресурса с наружным воздухом (например, градирни), являются еще одним технологическим вариантом. Гибридные подходы особенно эффективны, когда потребности в охлаждении значительно превышают потребности в обогреве. Если позволяет местная геология, еще одним вариантом является «колодец стоячей колонны». В этом варианте разомкнутой системы бурят одну или несколько глубоких вертикальных скважин. Вода забирается снизу стоячей колонны и возвращается наверх. В периоды пикового нагрева и охлаждения система может сбрасывать часть возвратной воды, а не закачивать всю ее обратно, что приводит к притоку воды в колонну из окружающего водоносного горизонта.
Цикл выпуска охлаждает колонку во время отвода тепла, нагревает ее во время отбора тепла и уменьшает требуемую глубину отверстия.
- Узнать больше
- Ссылки
Геотермальные тепловые насосы
Выбор и установка геотермальных тепловых насосов Узнать больше
Системы тепловых насосов Узнать больше
Воздушные тепловые насосы Узнать больше
Бесканальные мини-сплит-тепловые насосы Узнать больше
Газоабсорбционный тепловой насос Узнать больше
Эксплуатация и техническое обслуживание теплового насоса Узнать больше
Программируемые термостаты Узнать больше
- Геотермальные тепловые насосы ENERGY STAR
Что такое геотермальная энергия и как с ее помощью обогреть/охладить дом?
Что такое геотермальная энергия и как с ее помощью обогреть/охладить дом?
Геотермальная
Опубликовано: Джо Парсонс
Если вы слышали о геотермальной энергии, вы, возможно, думаете, что она используется исключительно в местах, которые обнажают элементы земного ядра, такие как горячий источник или гейзер.
Но дело в том, что где бы вы ни оказались на нашей планете, под вашими ногами всегда будет около пятидесятиградусной температуры, и зимой, и летом.
Именно здесь геотермальные системы отопления и охлаждения играют жизненно важную роль в возобновляемых источниках энергии, используя постоянную температуру земли. Согласно epa.gov, «геотермальная технология использует тепло земли. Всего в нескольких футах от поверхности земля поддерживает почти постоянную температуру, в отличие от летних и зимних экстремальных температур окружающего воздуха над землей».
Во многих случаях, используя петлевую трубу, геотермальные системы могут мобилизовать температуру земли для циркуляции тепла и охлаждения в любом доме. Он невероятно эффективен и требует гораздо меньшего использования ископаемого топлива. При поиске возобновляемых способов обогрева и охлаждения дома трудно превзойти геотермальные тепловые насосы.
Как работают геотермальные тепловые насосы?
Техническая сторона геотермальной энергии и способы ее использования могут показаться сложными, но не так уж и незнакомы.
В наших домах есть приборы, в которых уже используются некоторые фундаментальные технологии, необходимые для работы этих устройств. Например, основной цикл охлаждения, который мы видим в каждом оконном кондиционере, каждом холодильнике, даже для охлаждения наших автомобилей, может использовать воду для создания комфортной атмосферы.
В типичном применении с принудительной подачей воздуха воздух продувается через змеевики горячего газа, нагревающего дом, затем хладагент охлаждается воздухом и снова превращается в жидкость, после чего процесс повторяется. Это же оборудование можно использовать для охлаждения дома летом, просто перекачивая хладагент в обратном направлении.
Отличие от работы геотермальной системы отопления и охлаждения заключается просто во взаимодействии с землей и ее постоянной температуре. Специалисты по геотермальной технологии ClimateMaster описывают ее как перемещение или «выкачку» тепла из земли или в землю, чтобы сделать дом комфортным.
Поскольку ключевым компонентом любого геотермального теплового насоса является контакт с землей, ему нужна точка соединения с землей.
Геотермальные скважины могут быть установлены вертикально или горизонтально в соответствии с имеющейся площадью земли. Петли вставляются в скважины и заполняются термораствором, чтобы обеспечить надлежащий контакт с землей, что приводит к оптимальной теплопередаче.
National Geographic поясняет: «Трубы, образующие контур заземления, обычно изготавливаются из полиэтилена и могут быть зарыты в землю горизонтально или вертикально, в зависимости от особенностей местности. Если водоносный горизонт доступен, инженеры могут предпочесть спроектировать систему «открытого цикла», в которой скважина бурится в подземные воды. Вода закачивается, проходит через теплообменник, а затем возвращается в тот же водоносный горизонт посредством «обратной закачки»».
В геотермальной системе этот цикл повторяется до тех пор, пока в вашем доме не будет достигнута желаемая температура. Преимущества буквального откачивания тепла из дома или в дом из самой земли заключаются не только в том, что это экологично, но и в том, что оно окупается меньшими затратами как на отопление, так и на охлаждение.
Подходят ли вам геотермальные тепловые насосы?
Многие домовладельцы и предприятия поставили энергоэффективность и сокращение своего углеродного следа на первое место в списке своих приоритетов. Возобновляемая энергия — это, безусловно, то, что могут дать геотермальные тепловые насосы. Если вы домовладелец, взвешивающий последствия воздействия современной жизни на экосистему, геотермальная энергия более чем заслуживает внимания. Его преимущества также не являются односторонними.
Геотермальные системы в среднем на 400% более эффективны по сравнению с традиционными газовыми или масляными печами, эффективность которых составляет 75-98%. В целом около 70% энергии, используемой геотермальными тепловыми насосами, поступает из возобновляемых источников. По данным comfort-pro.com, экономия энергии за счет геотермальных систем охлаждения — это, безусловно, причина номер один для рассмотрения этого типа технологии. Геотермальный тепловой насос ClimateMaster снижает затраты на энергию в среднем на 30-70%, поэтому домовладельцы обычно могут окупить инвестиции в геотермальную установку за счет экономии энергии через пять-семь лет.