Геотермальная система отопления и кондиционирования

Тема «геотермальных систем» как таковых, а так же тепловых насосов с грунтовым теплообменником, тепловых насосов типа «вода-вода» вызывает множество вопросов у людей рассматривающих варианты их установки и целесообразности применения.

Несмотря на то, что наша страна добывает большое количество углеводородов, газ у нас имеется далеко не во всех населенных пунктах, даже в мегаполисах от района к району ситуация с подключением к сетям газоснабжения разная. Достаточно часто бывают случаи, когда стоимость подключения к сетевому газу (особенно это касается коммерческих объектов), очень высока, в этом случае организация отопления при помощи геотермальной системы выглядит весьма привлекательно. К тому же геотермальная система способна нагреть воду для использования ее в сетях водоснабжения, а так же произвести холод для системы кондиционирования.

ООО «Полный Комфорт» имеет большой опыт проектирования, а так же строительства геотермальных систем с закрытым водяным контуром. Наша компания выполнит проектирование, а так же монтаж геотермальной системы любой сложности. По вопросам персонального расчета вы можете обратиться по телефонам указанным в шапке сайта.

Выгодно ли строить геотермальную систему отопления?

Построив коммерческий объект даже на незначительном удалении (500 - 1 000 м.) от сетей газоснабжения заказчик несет весьма значительные затраты по подключению своего объекта к газовым сетям. Мы не ставим задачей обсудить в данной статье этапы подключения газа, скажем лишь то, что (к примеру) для 2 000 м2., производственных (иных коммерческих площадей) мероприятия по проектированию, согласованию и строительству подводящих газовых сетей (в Краснодарском крае) могут вылиться заказчику в несколько миллионов рублей, а сроки газификации могут затянуться на 1-3 года. 

В таких условиях заказчик может задуматься о строительстве альтернативных систем отопления (кондиционирования, вентиляции) для своего объекта. У заказчика может появиться желание самостоятельно произвести для своего здания тепло и самостоятельно его потребить и тут ему на помощь приходит геотермальное отопление (кондиционирование…). Те самые миллионы, которые заказчик должен вложить в газификацию, он вкладывает в строительство собственной энергетической системы, которая будет способна произвести тепло зимой, холод летом с высочайшими показателями эффективности.

Существуют объекты, к которым в силу тех или иных причин подведение сетей газоснабжения просто невозможно, заправочные станции, зоны отдыха, находящиеся на значительном удалении от населенных пунктов (иные подобные случаи).

Какова эффективность геотермальной системы с грунтовым теплообменником?

Поскольку это «ознакомительная», а не «обучающая» статья, мы не ставим своей целью представить формулы и методы вычисления, помогающие в строительстве геотермальных систем, наша задача ответить на вопросы - выгодно или нет, в каких случаях целесообразно применять и сколько стоит. Так вот:

Коэффициент преобразования энергии (не путать с КПД) у геотермальной системы с грунтовым теплообменником (закрытого типа) составляет ~ 1 к 6 (1 к 7), тут многое зависит от типа почвы, наличия грунтовых вод, глубины закладки теплообменника и т.п… Т.е. (упрощенно) на 1 кВт., затраченной электрической энергии, система способна произвести 6-7 кВт., тепловой (или холодовой) энергии. Для сравнения самый современный тепловой насос тип «воздух-воздух» работает с коэффициентом преобразования энергии 1 к 3 (а геотермальная система ~ 1 к 6 (1 к 7). 

В случае, если вы производите тепло электрическими тэнами (водяной электрический котел) этот коэффициент выглядит так – 1 к 1 (электрический котел 1 кВт. эл. энергии потребил, 1 кВт., тепла выдал). Из таковых цифр следует, что геотермальная система способна отопить ваше здание в 5 раз эффективнее, чем это сделали бы водяные электрические котлы, а кондиционировать в 2,0 - 2,5 раза эффективнее, чем это бы сделали обычные сплит-системы (даже самые современные). 

Типы геотермальных систем (некоторые отличия)

Слово «геотермальная» в контексте геотермальных систем многих вводит в заблуждение. Можно логично предположить, что это слово обязывает к наличию на участке горячих геотермальных вод, а в других случаях ее строительство не возможно,- но это не так. На Северном Кавказе, в Краснодарском крае (иных регионах России) есть некоторое количество регионов, в которых залегание горячих грунтовых вод близко к поверхности, в этом случае действительно возможно использование таковой воды для целей отопления, но кондиционирование в данном случае вы не получите. Это один из вариантов который понимается под термином «геотермальная система», но не о нем мы будем говорить далее, так как он (вариант) не подразумевает наличие кондиционирования и не подразумевает использование теплового насоса с теми показателями эффективности, которые мы уже обсудили.

Далее мы будем говорить преимущественно о «геотермальной системе с закрытым грунтовым теплообменником», потому как таковая система имеет значительные преимущества в сравнении с другими типами геотермальных систем. Немного затронем тему открытого контура, но только для того, что бы показать различия и сомнительную целесообразность его (открытого контура) применения.

Тепловой насос в геотермальных системах

Прежде чем продолжить разговор о геотермальных системах как таковых, необходимо поговорить о тепловых насосах, потому как именно тепловой насос (совместно с грунтовым теплообменником) отвечает за те самые коэффициенты преобразования энергии, о которых мы говорили выше. В геотермальных системах используются тепловые насосы типа «вода-вода» и «вода-воздух» и для примера давайте кратко разберем принципиальную схему работы любого теплового насоса.

Обычная сплит-система, являет собой классический пример теплового насоса типа «воздух-воздух». Сегодня достаточно много сплит-систем, которые могут работать в «режиме обогрева». Т.е. в межсезонье (скажем на улице 0 градусов С.), мы можем включить сплит-систему в режим обогрева и она даст нам вполне ощутимое тепло. А если мы включим сплит-систему при температуре наружного воздуха -15 Гр.С., она (сплит-система) уже никакого тепла нам не даст (если конечно это не специальная очень дорогостоящая серия оборудования), почему так происходит? 

Мы не будем здесь и сейчас сыпать цифрами, все-таки хотим, что бы данная статья была наиболее простой для понимания обычного человека (в том числе потенциального заказчика), поэтому опустим математику (благо статей по термодинамике в интернете большое множество). «На пальцах» процесс получения тепла в тепловом насосе (сплит-системе) происходит следующим образом: при работе сплит-системы на отопление, «теплота» находящаяся в наружном воздухе перекачивается к внутреннему блоку сплит-системы и раздается вентилятором в помещение. Какая «теплота» в воздухе, если на улице – 5⁰С. спросите вы? 

Дело в том, что воздух имеет «тепловую энергию», вплоть до уровня «абсолютного нуля» – 273⁰С., но тепловой насос (эффективно) справляется с задачей выделения и перекачки этой тепловой энергии из воздуха, до – 5⁰С. Отдельные комплекты сплит-систем способны перекачивать тепловую энергию из наружного воздуха до – 25⁰С. (но это специальные очень дорогостоящие установки). Физика есть физика и здесь ничего не поделаешь. 

Если вы захотите разобраться в вопросе подробно, цикл отбора тепла из наружного воздуха (работа теплового насоса) описан на просторах интернета достаточно подробно, мы не будем останавливаться детально на таковом процессе.

Так вот,- эффективная работа теплового насоса на тепло, возможна до – 5⁰С. Справедливости ради нужно заметить, что перекачивание теплоты будет тем эффективнее, чем больше этой самой теплоты имеется в наружном воздухе. Мы не раз замечали, что чем ниже температура «за бортом», тем меньше тепла дает сплит-система. Мы (к примеру) получим больше тепла из воздуха при его температуре +10⁰С., чем при - 5⁰С. Это положение нам потребуется далее при разборе тепловых насосов типа «вода-вода» и «вода-воздух», запомним эти данные.

Что же такое геотермальный тепловой насос?

Мы разобрали работу теплового насоса на примере сплит-системы тип «воздух-воздух». Что значит «воздух-воздух»? Это значит, что тепловой насос берет тепло из воздуха и передает его воздуху. Выделяет теплоту из наружного воздуха и сообщает эту выделенную теплоту воздуху помещения. Тепло из воздуха выделено и воздуху передано «воздух-воздух». К геотермальной системе (как мы понимаем) такой тип теплового насоса отношения не имеет, мы разобрали его работу для общего понимания физики процесса. Таковые данные нам непременно понадобятся позднее.

Так же, бывают тепловые насосы типа «воздух-вода», этот тип теплового насоса может передавать выделенную теплоту наружного воздуха воде, например греть бойлер (воду в бойлере). Так же не имеет отношения к геотермальной системе.

Бывают тепловые насосы «вода-воздух» и «вода-вода». Т.е. тепловой насос может брать тепло не только из воздуха, но и из воды. Тип «вода-вода» означает, что теплота выделяется из воды и воде сообщается, а это как раз наш случай. В геотермальных системах отопления и кондиционирования используются как раз тепловые насосы типа «вода-вода» и «вода-воздух».

Принцип работы геотермальной системы с грунтовым теплообменником.

Итак, ранее, в случае с тепловым насосом «воздух-воздух» мы отбирали тепло из наружного воздуха и сообщали таковое тепло (теплоту) воздуху помещения. А что если мы станем отбирать тепло из воды,- причем воды постоянной температуры? В Краснодарском крае (не будем брать Мостовской район) температура грунта на глубине 2 метров и ниже постоянная (от + 11⁰С. до + 13⁰С.). Для того, что бы впредь было легче вести пояснения давайте выберем среднюю цифру + 12⁰С. Причем такая температура почти не зависит от температуры наружного воздуха. При том, что на улице может быть - 25⁰С., в земле, на глубине 2 метров и ниже температура все равно останется постоянной или изменится совсем не значительно. Такая же ситуация и с периодом кондиционирования (на улице + 34⁰С.)., а в земле +12⁰С.). 

Для других регионов России, получите данные температуры грунта ниже глубины промерзания дополнительно.

Следует напомнить про работу теплового насоса «воздух-воздух», здесь температура наружного воздуха переменчива, чем она ниже, тем меньше тепла мы можем из воздуха выделить, а вот температура грунта величина постоянная… Если мы закопаем на определенную глубину расчетное количество трубопровода (построим грунтовый теплообменник) то на входе в тепловой насос получим постоянную температуру воды, которая равняется температуре грунта. Далее таковую воду сможет использовать тепловой насос «вода-вода» или «вода-воздух» для выделения (отбора) из нее теплоты или холода в зависимости от цикла работы.

Как мы уже писали ранее, тут есть ряд переменных, таких как грунтовые воды, тип грунта… Так же на температуру воды возвращенную к тепловому насосу влияет температура воды подаваемая в водяной (закрытый контур) а так же, (продолжительность) время работы геотермальной системы. В летний период вы сообщаете земле теплоту (отбирая холод), а в зимний эту теплоту отбираете (реверсивный цикл). По факту температура земли в районе грунтового теплообменника может откланяться от + 12⁰С. на 5 - 7⁰С. в любую сторону (в зависимости от времени года). Это отклонение учитывается при проектировании геотермальной системы и расчете того самого рабочего коэффициента. 

Внутренние инженерные сети

Внутренние инженерные сети не несут собой никаких сложностей в понимании (и/или строительстве), если с теплового пункта геотермальной системы вы получите горячую (или холодную) воду расчетной температуры (скорости и объема), вы (полагаем) легко сможете использовать ее для отопления и/или кондиционирования. Основной «фокус», это получение той самой горячей или холодной воды и на этом мы остановимся подробнее.

В режиме работы системы на тепло («вода-вода»), на выходе из теплового насоса, мы имеем температуру воды  50 – 60⁰С., которую и будем использовать для отопления.

В режиме работы системы на тепло («вода-воздух»), на выходе из теплового насоса, мы имеем температуру воздуха  45 – 55⁰С., который (воздух) так же можем  использовать для отопления.

Все зависит от того, какой тепловой насос у вас установлен и как при этом спроектированы и построены внутренние инженерные сети.

Грунтовый теплообменник – открытый и закрытый контур

Почему мы делаем акцент именно на «закрытый» контур? Что же такое «грунтовый теплообменник «закрытого» и «открытого» типа?

В данном случае, мы будем бурить расчетное количество скважин, на глубину примерно 50 м. (далее не целесообразно), в эти скважины мы разместим петли трубопроводов, один край таковой петли соединим с подающим контуром, другой с обратным контуром и приведем в тепловой пункт на распределительный коллектор. Здесь важно понять следующее,- мы ниоткуда не качаем воду (теплоноситель) и никуда ее не сбрасываем, а перекачиваем при помощи насоса по «закрытому контуру» и выигрываем как минимум в трех случаях, а именно: 

- Мы не зависимы от наличия грунтовых вод (в случае с теплообменником «открытого» типа, ушедшая из водоносного горизонта вода станет причиной остановки всей геотермальной системы).

- Мы не несем «весомых» электрических затрат на поднятие воды из водоносного горизонта (который в случае с открытым контуром съедает ту самую эффективность, о которой мы говорили выше). Для того, что бы поднять воду с глубины 50 м., вам потребуются достаточно мощные насосы, которые будут потреблять большое кол-во эл. энергии. В случае с «закрытым» контуром, нам не требуется поднимать воду, потому как в нашей «петле», нисходящий столб воды толкает столб воды восходящий (физика 8 класс.). Все что нам нужно сделать, это обеспечить циркуляцию этой самой воды… 

- Мы не обременены необходимостью очистки поднимаемой на поверхность воды. В случае с открытым водяным контуром, необходимо таковую воду очищать, для чего потребуется оборудование и оно достаточно дорогостоящее. Так же, в случае с открытым водяным контуром нам необходимо бороться с жесткостью воды, иногда ставить установки по «обезжелезиванию». В случае с грунтовым теплообменником, мы наполняем теплообменник чистой водой один раз и далее не имеем необходимости ее очищать. 

Принимая во внимание выше перечисленные причины, использование геотермального контура «открытого типа» видится сомнительным предприятием, именно поэтому мы четко расставляем акценты, говоря о видах теплообменников. 

Коммерческая часть (сколько стоит?)

Далее приведена ориентировочная стоимость строительства геотермальной системы с грунтовым теплообменником для здания коммерческого или бытового назначения площадью 500 м2. Данные цены нельзя транслировать пропорционально площади, так например стоимость геотермальной системы (за м2.) для площади в 2 000 м2. будет ниже.

Сводная таблица:

Наименование оборудования (материалов) Ед. изм Кол-во. Цена за ед., Руб. Сумма, Руб.
  Организация теплового пункта  
1 Тепловой насос "вода-вода" 44 кВт. (тепло/холод) шт. 1 825 000 825 000
2 Оборудование теплового пункта компл. 1 195 000 195 000
  Насосное оборудование, распределительный коллектор, запорная, регулирующая и измерительная арматура
3 Работы по организации теплового пункта 120 000
  Организация грунтового теплообменника (вертикального)  
4 Грунтовый теплообменник компл. 1 120 000 120 000
  Трубопровод, комплектующие, соединительная арматура
5 Работы по строительству теплообменника (так же - бурение скважин) 840 000
  Внутренние инженерные системы  
6 Внутренние инженерные системы (тепло-холод) компл. 1 680 000 680 000
  Фанкойлы, трубопровод, насосы, соединительная, балансировочная и запорная арматура, дополнительные комплектующие
7 Работы по строительству внутренних инжененрных систем 180 000
Итого, Руб.: 2 960 000