Недра Земли таят в себе колоссальные запасы тепловой энергии. Иногда она выходит на поверхность в виде вулканов и гейзеров, и мы можем получить представление о ее громадном потенциале. Зачем же тогда тратить ископаемое топливо, одновременно сокращая его и без того оскудевшие запасы и загрязняя атмосферу продуктами сгорания? Почему бы не использовать энергию, бурлящую у нас в буквальном смысле слова под ногами? Температура земной поверхности крайне неоднородна и складывается из комбинации нагрева за счет солнечного излучения и собственной температуры грунта, нагреваемого из глубины планеты. По мере продвижения вглубь температура земной коры перестает зависеть от сезонных колебаний и географической широты и увеличивается по линейному закону приблизительно на 3 °С каждые 100 м.

Внешний контур

В настоящий момент известны три схемы извлечения энергии, содержащейся в грунте и земной коре. Первая предусматривает отбор тепла из грунтовых вод, которые имеют хороший потенциал ввиду их круглогодичной постоянной температуры около 8-10 °С.

Для отъема этого тепла необходимо пробурить две скважины: добывающую (всасывающую) и нагнетающую (принимающую). Вода из первой скважины подается насосом из расчета 0,25 м3/ч на 1 кВт тепловой мощности в испаритель теплового насоса, после чего сбрасывается во вторую скважину. Глубина скважин обычно не превышает 15-20 м. Скважины располагают на расстоянии примерно 15 м друг от друга, строго учитывая направление течения подземных вод: добывающая должна располагаться выше по течению.

В некоторых районах нашей планеты геотермальная температура поднимается быстрее. Такие места обычно находятся в зонах повышенной сейсмической и вулканической активности, где сталкиваются или разрываются тектонические плиты. Здесь целесообразно применять второй способ, заключается в бурении скважин в твердой нагретой породе. Ее температура настолько высока, что закачанная в нее вода испаряется. Паром можно вращать турбину для выработки электроэнергии либо по классической схеме отбирать тепло посредством теплообменника.

На глубине температура земной коры перестает зависеть от сезонных колебаний и географической широты и увеличивается по линейному закону приблизительно на 3 °С каждые 100 м

Третий вариант заключается в прокладке под землей трубопровода с циркулирующим в нем теплоносителем с низкой температурой кипения, который нагревается, испаряется и поступает назад в тепловой насос. Этот способ приобрел в нашей стране наибольшую популярность ввиду отсутствия в достаточном количестве местностей с повышенной геотермальной активностью (как, например, в Исландии) и сложностью с получением разрешения на бурение слишком глубоких скважин.

Трубу под землей можно прокладывать различными способами. Самыми распространенными являются геотермальный зонд, грунтовый коллектор, энергетическая корзина и энергетическая свая.

 

Геотермальный зонд

Для отбора тепла бурятся скважины, глубина и количество которых зависят от технических расчетов, основанных на структуре грунта в конкретной местности и от мощности отопительной установки. После чего скважина заполняется бетонирующим составом, обеспечивающим герметичное и долговременное сопряжение зонда с окружающими породами и гарантирует хорошую теплопередачу. Сам геотермальный зонд представляет собой заполненную рассолом полиэтиленовую трубу диаметром 25-40 мм с U-образной петлей в основании, реже используется коаксиальная конструкция (труба в трубе). Остывший теплоноситель заходит в скважину, нагревается и поднимается в испаритель внутреннего контура теплонасоса. Глубина скважины может достигать 150 м, но в некоторых регионах (например, Московская область) целесообразно бурение нескольких более мелких скважин (обычно до 30 м), на которые не требуется получение «Лицензии на право пользования недрами и разрешение на бурение скважины». Рассолом называют хладагент, кипящий при низких температурах.

Энергетическая свая

Энергетическая свая — это, по сути, тот же самый геотермальный зонд, только бетон, залитый в скважину, не просто исполняет роль фиксатора трубы, но и является частью фундамента здания. Укладка трубы может быть проведена с помощью заранее изготовленных фундаментных свай или непосредственно на строительной площадке, где контуры труб размещаются в конструкциях свай, которые впоследствии заливаются бетоном. Использование энергетических свай позволяет рационально использовать площадь здания, поскольку фактически получается конструкция «2 в 1».

Грунтовый коллектор

Грунтовый коллектор представляет собой длинную трубу, горизонтально уложенную под слоем грунта чуть ниже глубины промерзания или даже на глубине промерзания (от 1 до 2 м). Схема раскладки петли — змейка, спираль, лесенка и др. — определяется теплопроводностью грунта и геометрией участка. Шаг укладки выбирается в зависимости от условий, но обычно не должен быть менее 0,6 м. Площадку, на которой уложена труба, можно использовать только под газон или однолетние цветы, кусты и деревья на ней сажать нельзя: они могут повредить трубу. Кроме того, желательно, чтобы площадка была хорошо освещена солнцем — это позволит значительно увеличить производительность коллектора. В среднем теплосъем с 1 м2 поверхности грунта составляет от 10 до 35 Вт. Площадь коллектора во многом зависит от того, насколько грунт насыщен водоносными слоями: чем больше в почве воды, тем эффективнее работает установка. Длину трубы в одной петле стремятся ограничить (не более 600 м), иначе заметно увеличивается расход энергии на циркуляционном насосе. Если нужна большая мощность, петель делают несколько. В грунтовом коллекторе, как и в зонде, циркулирует рассол.

Энергетическая корзина

Данная разновидность укладки трубы является своеобразным гибридом зонда и коллектора. Труба укладывается по спирали, с каждым витком постепенно заглубляясь в грунт. Это решение позволяет, с одной стороны, отказаться от бурения скважины, в некоторых местностях нецелесообразного или невозможного, а с другой стороны, использовать геотермальную энергию более глубоких слоев.

 

Внутренний контур

Принцип действия подавляющего большинства тепловых насосов основан на цикле Карно — круговом (циклическом) процессе превращения теплоты в работу (или работы в теплоту) путем расширения/сжатия и нагрева/охлаждения газообразного хладагента.

В основе процесса лежит способность газов нагреваться при сжатии и отдавать тепло (охлаждаться) при расширении. Верно и обратное: газы склонны расширяться при нагреве и сжиматься при охлаждении. Цикл состоит из последовательно чередующихся двух адиабатных и двух изотермических процессов (рис. 1). Адиабатный процесс представляет собой расширение либо сжатие газообразного рабочего тела (хладагента) без теплообмена с окружающей средой. При этом температура самого газа, соответственно, уменьшается или увеличивается. Несмотря на невозможность изготовления стопроцентно эффективной теплоизоляции для полного исключения теплопередачи, адиабатный процесс все равно может происходить, если расширять или сжимать газ так быстро, что теплообмен не будет успевать происходить.

Трубу под землей можно прокладывать различными способами; самыми распространенными являются геотермальный зонд, грунтовый коллектор, энергетическая корзина и энергетическая свая

Во время изотермического процесса происходит передача тепла от нагретого рабочего тела более холодному теплоносителю отопительного/водонагревательного контура с одновременным охлаждением газа.

Либо, соответственно, тепло окружающей среды, в нашем случае, земли нагревает остывший до жидкого состояния хладагент, в результате чего последний закипает. Таким образом, тепловой насос может использоваться как для отопления и нагрева санитарной воды, так и для кондиционирования помещений, в зависимости от направления движения рабочего тела.

Конструкция теплового насоса, работающего по принципу цикла Карно, представлена схематично на рис. 2. Нагретый теплоноситель (рассол) внешнего контура поступает в испарительный теплообменник, где передает тепло жидкому рабочему телу и превращает его в пар. Парообразный хладагент втягивается в компрессор в результате постоянно создаваемого там разряжения. Там хладагент сжимается, вследствие чего его температура еще больше увеличивается. Максимальная температура и давление подбираются с учетом критических параметров используемого хладагента. Все собранное в результате описанных этапов тепло передается в конденсаторе теплоносителю контура отопления, а отдавшее тепло рабочее тело вновь возвращается в жидкую форму. В расширительной камере в результате резкого увеличения объема давление и температура хладагента становится еще ниже. Теперь хладагент с низким давлением и температурой вновь готов принимать тепло от внешнего контура.

В тепловых насосах используются современные хладагенты: монокомпонентный газ R407c и азеотропная смесь (50 % дифторметана и 50 % пентафторэтана) R410a. Ни один из компонентов не содержит хлора, поэтому они безопасны для озонового слоя

Для того, чтобы тепловой насос мог работать в реверсивном режиме, то есть кондиционировать помещение, в него встраивают четырехходовой клапан, который поворачивает хладагент в обратном направлении.

Подробнее об устройстве отдельных компонентов теплового насоса см. [1].

Производители

В данном обзоре представлены производители наиболее популярных геотермальных тепловых насосов, поставляемых на российский рынок. Нетрудно заметить, что абсолютное большинство этих фирм расположены в Германии (Buderus, Heliotherm, Rehau, Stiebel Eltron, Vaillant, Viessmann, Wolf). Это связано с уже долгое время существующими в этой стране жесткими законами касательно энергосбережения, вынуждающими население и предприятия использовать альтернативные источники энергии по максимуму. Единственный представитель другой европейской страны — Nibe (Швеция).

В тепловых насосах используются современные хладагенты: монокомпонентный газ R407c и азеотропная смесь (50 % дифторметана и 50 % пентафторэтана) R410a. Ни один из компонентов не содержит хлора, поэтому они безопасны для озонового слоя (озоноразрушающий потенциал равен нулю). Эти фреоны приходит на смену R22, который разрушает озоновый слой, и его производство ограничено Монреальским и Токийским протоколами, направленными на защиту окружающей среды и уменьшение загрязнения.

Представленные теплонасосы обладают совершенно различной теплопроизводитльностью, которая может достигать 80 кВт (Heliotherm). Коэффициент мощности (количество произведенной энергии, деленное на количество потребляемой) колеблется в районе 4,4-5,2. Максимальная температура контура отопления у большинства тепловых насосов составляет 60-65 °C. Отдельные модели снабжаются дополнительными электроТЭНами, позволяющими произвести быстрый догрев в случае необходимости. Это Logatherm WPS ...K от Buderus, Fighter 1145 и 1245 от Nibe, целый ряд моделей (WPC ...S, а также WPC ... cool, WPF ...E, WPF ... cool, WPF ...S, WPF ... basic) от Stiebel Eltron, все разновидности серии geoTHERM от Vaillant, Vitocal 200-G и Vitocal 300-G от Viessmann, оба варианта BWS от Wolf. Максимальная мощность электрического ТЭНа колеблется от 2 до 9 кВт.

Ряд теплонасосов оборудован емкостями от 163 до 200 л для приготовления санитарной воды ГВС (Logatherm WPS ...K от Buderus, Fighter 1245 от Nibe, все модели WPC от Stiebel Eltron, geoTHERM plus от Vaillant, Vitocal 222-G от Viessmann, BWS ...Z от Wolf.

Nibe и Stiebel Eltron позволяют соединять свои модели в каскад до девяти (Fighter 1345) или до шести (WPF ...M(S), WPF ...G, WPF ...HT) приборов.