В век постоянно дорожающих коммунальных услуг на судьбу сетовать не приходится. Поиск способов экономии — единственное, что остается людям. Помимо привычных отопительных приборов, которым для работы нужен газ, твердое топливо или электричество, в список потенциальных спасителей попадают альтернативные, неисчерпаемые источники тепла. Это насосы — аэротермальные, геотермальные и гидротермальные. В последнее время эти установки вызывают повышенный интерес, однако от покупки такого оборудования владельцев домов отвращает их высокая цена и окупаемость, которую придется ждать годами. К тому же государство не торопится компенсировать расходы на внедрение энергосберегающих решений, как это делается в Европе. По этим причинам многие владельцы недвижимости пытаются собрать устройства самостоятельно. Например, часто хозяева домов интересуются, как можно создать, солнечные установки и геотермальные тепловые насосы своими руками.
Что такое тепловые насосы?
Прежде чем переходить к главной теме, надо познакомиться с этим видом инновационного оборудования, которое, на самом деле, было изобретено уже довольно давно. Идея использования тепла земли принадлежит Уильяму Томсону, лорду Кельвину. Теория была ученым разработана в далеком 1852 году, а реализовал он ее в 1855. Однако широкого применения геотермальные насосы в то время не нашли. Зато в конце прошлого века (в 70-х годах), когда человечество осознало, что ресурсы планеты совсем не безграничны, об этой идее вспомнили. Разработку «старой новой» технологии начали в Европе.
Знакомство с установками
Сначала надо отметить, что точного понятия, определяющего геотермальный насос, добывающий тепловую энергию, не существует. Некоторые утверждают, что называть так можно только оборудование, которые работает глубоко в грунте. Другие полагают, что любой водный источник тоже располагается в земле, поэтому и для него название корректно. Третьи считают, что то, что на планете Земля бесплатно, вполне может иметь приставку «гео-». И последние тоже, кажется, правы. По крайней мере, иногда четких границ между типами геотермального оборудования не проводят.
С обычными насосами такие установки имеют немного общего. Назвали их так потому, что они «сосут» бесплатное тепло — из воздуха, воды или земли. Если рассматривать только геотермальное оборудование, то его можно считать самым эффективным: оно забирает тепловую энергию из самой теплой среды — непосредственно из грунта.
Наверное, не все знают, что на расстоянии всего 7-12 метров от поверхности земли температура практически постоянна, и довольно высока. Она составляет как минимум 10°. Задача геотермальных насосов и состоит в том, чтобы добыть тепло, транспортировать его в дом с минимальными потерями, а потом пустить в дело.
Самое привлекательное в геотермальном оборудовании — получение «дармового» тепла. Тепловой насос тратит 1 кВт электричества, но дает возможность получить от 2 до 6 кВт тепловой энергии. Этот факт легко объясняется тем, то геотермальные насосы не производят тепло, они его попросту переносят.
Установки, особенно самодельные, имеют разную эффективность, которая всецело зависит от компонентов конструкции. Условия эксплуатации также играют не самую последнюю роль. Максимально производительным будет оборудование, которое работает совместно с отопительным контуром, имеющим температуру около 35°.
По этой причине одна из самых популярных областей его использования — теплые водяные полы. Есть геотермальные насосы, нагревающие теплоноситель до 55-60°, но это заводские модели. Однако даже они максимально эффективны при более низких температурах (при тех же 35°).
Принцип работы геотермальных насосов
Тепловая энергия есть в любой среде. Задача тепловых насосов — передача ее от источника с низким потенциалом теплоносителю. Земля дает возможность получить тепло как летом, так и в зимний период. Принцип действия геотермальных установок основан на явлении тепловой инерции. Температура земли на глубине от 6-7 метров или ниже соответствует среднегодовым показателям воздуха в местности. При этом она остается практически неизменной в течение календарного года.
Как работает геотермальное оборудование? В трубопровод, который находится в грунте, поступает теплоноситель. Забирая тепловую энергию, он нагревается на несколько градусов. Затем жидкость следует в теплообменник либо испаритель, где передает тепло контуру обогревательной системы. Принцип работы геотермальных систем очень похож на функционирование холодильного оборудования, поэтому они в летнюю жару могут выполнять другую работу — эффективно охлаждать помещения дома, заменяя кондиционеры.
Хладагент, циркулирующий во внешнем контуре, нагревается в испарителе, затем превращается в газ и двигается в компрессор. Там вещество сжимается благодаря возросшему давлению, температура его еще повышается. Горячий газ следует в конденсатор, затем отдает тепло теплоносителю отопительной системы. Затем хладагент снова трансформируется в жидкость, возвращается в исходную точку. Цикл продолжается.
Разновидности геотермальных насосов
Это оборудование отличается видами теплоносителя, а также способами получения тепла. Поэтому сначала нужно познакомиться с его видами, так как в любом случае сначала придется решить, какие геотермальные тепловые насосы своими руками собрать логичнее, какие из них самые эффективные, но не очень разорительные.
Как уже отмечалось, все тепловые насосы делятся устройства, которые добывают тепловую энергию из земли, воды или воздуха. Благодаря их работе, есть возможность организовать отопление, горячее водоснабжение и кондиционирование воздуха. Все установки делятся на три вида — «воздух-вода», «вода-вода», «земля-вода».
«Воздух-вода»
Тепловой насос «воздух-вода» использует самый доступный ресурс, поэтому такие установки отличаются относительной простотой сборки. Если говорить о популярности альтернативных установок в Европе, то именно они сейчас вышли на первое место. В конструкциях используются вентиляторы и испарители, которые собирают в один комплекс.
Эффективность такого воздушного оборудования зависит от температуры внешней среды. Достаточную производительность эти установки гарантируют при температуре до -15°. Более низкие показатели ощутимо снижают мощность тепловых насосов «воздух-вода». Однако многих привлекают неоспоримые преимущества таких комплексов. Эти тепловые насосы:
- не требуют для монтажа привлечения специальной техники, необходимой для других видов геотермальных насосов;
- не обещают особых сложностей во время работы, так как не надо бурить скважины, заниматься выемкой земли;
- устанавливаются довольно быстро, причем насосы способны работать даже на крыше;
- не занимают большого пространства, не портят дизайн придомовой территории;
- дают шанс повторно использовать тепловую энергию, покинувшую помещение;
- работают практически бесшумно.
К плюсам систем «воздух-вода» можно отнести простоту эксплуатации и обслуживания. К минусам не слишком большую эффективность в регионах с суровым климатом.
«Вода-вода»
В этом случае используется тепловая энергия воды, температура которой на достаточной глубине остается стабильной в любое время года. Например, температура воды, которая покрыта льдом, составляет 5-7°. Источником могут служить не только естественные открытые водоемы, но и колодцы, скважины, сточные воды, использующиеся в этой роли на промышленных производствах.
Если говорить о самом оптимальном варианте установок «вода-вода», то им является забор тепла из естественного источника. В этом случае расходы сводятся к минимуму, каких-то чрезмерных усилий такие комплексы также не потребуют. Трубопровод с теплоносителем соединяют с отопительной системой, затем опускают на глубину с помощью груза. Однако этот вариант можно рассматривать, если открытый водоем находится близко к дому. В противном случае потери части тепла при его транспортировке неизбежны.
Другой потенциальный способ — использование грунтовых вод — менее привлекателен, так как хозяевам придется делать второй колодец (или скважину) для сброса жидкости, которая проходит через узел теплообмена. Обязательное условие — корректное расположение источников относительно друг друга. Принимающая скважина должна располагаться ниже по течению, расстояние между сооружениями обязано быть как минимум 6 м. Как правило, системы «вода-вода» устанавливают в тех домах, где нет возможности использовать иные теплоносители или подключиться к центральным коммуникациям.
Преимущество у этих систем перед воздушными установками есть: это большая эффективность, но только в качественно утепленных зданиях. В этом случае потери тепла будут минимальны. Поэтому у хозяев есть шанс избежать расходов на покупку мощного насосного оборудования.
«Земля-вода»
Это самый надежный и максимально эффективный вариант альтернативной отопительной системы. В данном случае забор тепловой энергии происходит благодаря зондам или коллекторам, расположенным в грунте. В состав установок «земля-вода» входит геотермальный теплообменник, который размещают ниже уровня промерзания грунта, а также тепловой насос, который можно назвать «холодильником наоборот». Для работы на охлаждение используется обратный цикл Карно.
В роли рабочей жидкости грунтовых геотермальных комплексов вступает соляной раствор либо спирт, разбавленный водой (например, гликолевая смесь). Именно эти установки дают возможность использовать оборудование в качестве системы охлаждения помещений. В этом случае КПД составляет около 80%, однако главной задачей геотермальных установок все же является нагрев воздуха в доме.
Способы размещения внешнего контура
Монтаж может быть горизонтальным или вертикальным. Для сооружения наружной части установки используют качественные полимерные трубы.
Горизонтальное размещение
Теплообменник из труб укладывают в котлован. Нередко используют тот же вариант монтажа, как и при организации систем «теплый пол». При выборе площади ориентиром является мощность будущего насоса: на каждый киловатт необходимо обеспечить от 25 до 50 м2. Для получения других показателей (точные размеры, расстояние между трубами) требуются дополнительные расчеты.
Главный минус горизонтального расположения геотермального теплового насоса с коллектором — территория большой площади. Да, ее можно использовать для посадки декоративных растений, однако для выращивания сельскохозяйственной продукции она не предназначается.
Вертикальный монтаж
Это конструкции называют зондами. Они максимально эффективны, но организация их относится к самым сложным методам. Для монтажа потребуется участие специальной техники. Не получится обойтись без бурильной установки, потому что предстоит пробурить скважину глубиной от 25 до 150 м. В нее опускают зонд, который подключают к насосу, транспортирующему рабочую жидкость в систему отопления дома.
Если рассматривать эффективность и оптимальные параметры геотермальных установок, то для обогрева дома площадью около 100 м2 потребуется обеспечить примерно 7 кВт/ч. В этом случае глубина монтажа зондов составит порядка 115-120 м. Если сравнивать с горизонтальными коллекторами, то для них потребуется площадь 250 м2.
Несомненно, что сложность работ — недостаток существенный, однако вертикальный монтаж намного эффективнее любой другой геотермальной установки. К достоинствам данного решения относится высочайший КПД и долгая, бесперебойная работа на протяжении длительного времени.
Компромисс
Поскольку не каждый участок позволяет безболезненно забрать у него большой кусок земли, некоторые находчивые хозяева нашла другой выход из трудного положения. Это большая «труба» из труб, которые скручивают в спирали, а затем надежно фиксируют.
Какой из вариантов оптимален?
Однозначного ответа на данный вопрос не существует, потому что решение зависит от нескольких факторов. Все технологии имеют плюсы, но любая из них также не лишена недостатков.
Самый затратный и сложный вариант — создание установки «земля-вода». В этом случае потребуются масштабные земляные работы. Для зонда будет необходима спецтехника, услуги которой тоже придется оплачивать. Горизонтальные коллекторы, наоборот, не так требовательны. Однако им необходима большая площадь, что тоже не всегда устраивает владельцев участков.
Теперь о системах «вода-вода». Соорудить эти геотермальные тепловые насосы своими руками можно «малой кровью», но лишь в том случае, если рядом уже есть естественный водоем. Когда подходящий источник отсутствует, или находится на значительном расстоянии, то будет необходимо сначала создать его, а в этом случае операция также обойдется недешево.
Установки «воздух-вода» лишены существенных недостатков предыдущих типов. Их монтаж относительно прост, он возможен в любом здании, даже в многоквартирных домах. Однако в сильные морозы такие аэротермальные системы не станут спасением, поэтому их обычно рассматривают в качестве дополнения.
Любой из вариантов хорош тем, что обещает со временем окупить себя. И после этого владельцы тепловых насосов будут пользоваться «земными благами» бесплатно. Что предпочесть? Это зависит лишь от готовности вложить в оборудование ту или иную сумму, поэтому каждый хозяин остается «барином».
Геотермальные тепловые насосы своими руками
Понятно, что далеко не каждый вид геотермального оборудования привлекателен, если хозяева всерьез обдумывают возможность попробовать собрать и «обкатать» систему самостоятельно. Вне зависимости от разновидности установок, первым обязательном элементом любой альтернативной «геоотопительной» системы является насос. В любом тепловом оборудовании есть стандартные элементы. К ним относится:
- дроссельный клапан, проходя через который хладагент вновь попадает в испаритель;
- испаритель, который передает перенесенную тепловую энергию теплоносителю;
- компрессорный узел, обязательный компонент любой геотермальной установки;
- конденсатор, охлаждающий фреон, забирающий у него тепло.
Поскольку приобретение установки обойдется в приличную сумму, а правительство не собирается помогать внедрять альтернативные системы, покупка не лучший вариант. Поэтому люди стараются собрать геотермальные тепловые насосы своими руками. Часто в работе помогает то, что отдельные детали можно найти в хозяйстве, а недостающие компоненты проще купить, сэкономив некоторую сумму.
Однако до сборки системы нужно выполнить один этап, который гарантирует ее максимальную эффективность. Это качественное утепление здания. Только в этом случае перенесенное тепло останется в помещениях. После завершения теплоизоляционных работ переходят к проверке электрического счетчика и состояния проводки. Все элементы, которые вызывают подозрения, лучше сразу заменить, неисправности требуют незамедлительного ремонта. В противном случае можно сразу готовиться к последствиям — к «выбиванию пробок», коротким замыканиям или возгоранию проводки.
Использование холодильника
Нередко хозяева находят применение самым «универсальным» агрегатам — многие собирают геотермальные тепловые насосы своими руками из холодильников, аппаратов старых, но еще работающих. В этом случае главной мишенью становится радиатор, расположенный в задней части корпуса прибора. Если холодильник «сильно пожилой», то перед работой рекомендуется заменить в нем фреон новым хладагентом.
Радиатор используют в роли конденсатора, который закрепляют в надежном корпусе, сделанном из максимально прочного материала, не боящегося высоких температур. К нему крепят исправный компрессор, взятый из агрегата. В ином случае лучше купить новый прибор, имеющий мощность свыше 7 кВт. На роль испарителя выбирают обычную пластиковую бочку. Еще один обязательный узел — терморегулирующий клапан. Идеально, когда все детали можно взять из одного устройства. Элементы соединяют, затем подключают к системе отопления, и приступают к тестированию простейшей установки.
Инструменты, материалы
Пример необходимого набора:
- емкость из нержавеющей стали (120 л, толщина стенок — 2,5 мм);
- пластиковый бак (50 л);
- полимерные трубы (металлопластик);
- 3 медные трубы, имеющие разный диаметр;
- L-образные кронштейны (оптимальная длина — 30 см).
Набор инструментов стандартен. Для резки, соединения труб и частей конструкций обычно используют болгарку и сварочный аппарат.
Монтаж узлов и подключение
Первым делом изготавливают змеевик для будущего конденсатора. Для этого берут медную трубку со стенками, толщина которых не менее 1 мм. Ее наматывают на газовый либо кислородный баллон, следя за тем, чтобы между витками было одинаковое расстояние. Фиксируют созданный элемент перфорированными металлическими полосами либо алюминиевым перфорированным уголком, который используют при шпаклевке углов.
Сначала с помощью кронштейнов к стене крепят компрессор. Затем начинают изготавливать конденсатор. Металлический бак разрезают пополам, в одной его части монтируют змеевик, изготовленный из медной трубы, потом резервуар сваривают. После этого в нем делают резьбу на отверстиях. На пластиковый бак, который будет работать испарителем, также крепят змеевик. Его монтируют на стене кронштейнами. После сборки основных узлов конструкцию собирают. После завершения операции в систему закачивают фреон.
Подключение зависит от вида выбранной установки. Коллектор, предназначенный для комплекса «земля-вода», всегда устанавливают ниже точки промерзания грунта. Для систем «воздух-вода» заборное устройство располагают либо около дома, либо на крыше. Для установок типа «вода-вода» коллектор собирают из пластиковых труб и опускают на дно водоема. Как правило, ближе к центру.
Нередко хозяева предпочитают комбинированное отопление, где альтернативная установка играет роль дополнения. В таком случае геотермальный тепловой насос подключают параллельно с электрокотлом. Этот тандем позволяет получить оптимальную температуру даже в сильные морозы, но одновременно снизить энергопотребление.
Кондиционер в помощь
В этом случае работа несколько упрощается, поскольку превращение оборудования в геотермальные тепловые насосы своими руками означает модификацию или работу с основными узлами. Способов превращения техники климат-контроля в тепловой насос существует три.
- Первый вариант прост. Внешний и внутренний модули просто меняют местами. В этом случае установка испарителя и конденсатора не требуется, так как эти компоненты уже имеются в блоках. В роли теплоносителя в системе можно использовать как воздух, так и воду.
- Если предыдущий метод не устраивает, то для конденсатора организуют отдельный резервуар, который позволит обеспечить более эффективный обмен между теплоносителями. В этом случае придется пригласить мастера для монтажа четырехходового клапана, который в геотермальной установке обязателен.
- Третий вариант максимально сложен. Такая работа подразумевает полную разборку сплит-системы и последующее выстраивание схемы «испаритель-компрессор-конденсатор». После этой трансформации готовую установку соединяют с отопительной системой.
Геотермальные тепловые насосы своими руками — единственный разумный вариант, который позволит получить представление о работе системы, о ее эффективности. Плюс способа — значительное снижение расходов, причем как на сборку конструкции, так и на отопление.
О том, как можно сделать геотермальные тепловые насосы своими руками, расскажет следующее видео:
