Jak funguje zemní vytápění?

Při výběru možnosti vytápění jednotlivých bytových nebo průmyslových objektů dbají především na dostupnost a cenu paliva na staveništi. Důležité je reprezentovat výši finančních a pracovních investic při instalaci zařízení, provozní náklady a také efektivitu budoucího systému v konkrétních provozních podmínkách.

Geotermální vytápění soukromého domu je obchodníky prezentováno jako univerzální řešení pro všechny případy, což není tak úplně pravda. Článek obsahuje materiál, který pomáhá pochopit, co je developerovi nabízeno a za jakou cenu, a také porovnat tento typ vytápění s jinými metodami.

Výhody a nevýhody geotermálních tepelných čerpadel

S masovým a hlavně dlouhodobým provozem tepelných čerpadel je v Rusku málo zkušeností. Uživatelé se dělí na dva protichůdné tábory: na ty, kteří topný systém chválí (sem by měli být zařazeni i prodejci a montéři) a odpůrce, kteří se setkali s potížemi v provozu nebo bezohlední montéři.

Na základě recenzí lze vyvodit závěry o výhodách a nevýhodách tepelných čerpadel.

Výhody	Omezení
Nízká spotřeba elektřiny, 1-2,5 kW (ve skutečnosti) a až 3,5 kW (ideálně) tepelného výkonu na 7 kW spotřebované elektřiny	Velké finanční investice ve fázi návrhu a instalace
Možnost instalace v libovolném prostoru – v závislosti na regionu jsou použity zemní, vodní nebo vzduchové externí okruhy příjmu tepla	Potřeba dalších zdrojů tepla při teplotách vzduchu pod 25 °C
Reverzibilní – systém funguje pro vytápění v zimě a chlazení v létě	Nebezpečí pro půdní mikroorganismy – půda se ochlazuje, hynou bakterie, klesá úrodnost půdy
Všestrannost – lze použít pro vytápění domácností, ohřev užitkové vody nebo bazénové vody	Systémy jsou účinné pouze tehdy, jsou-li vybaveny “teplou podlahou” – chladicí kapalina se zahřívá až na 50 ° C, to nestačí pro efektivní provoz radiátorů
Životnost – zahraniční zkušenosti hovoří o 30-50 letech provozu před výměnou zařízení	Nízká účinnost s malým rozptylem teplot chladicí kapaliny ve vnějším okruhu a těsnícím médiu (půda, voda)
Minimální náklady na údržbu
Plná automatizace procesů
Ekologická bezpečnost – žádné škodlivé emise
Ke svému fungování potřebuje pouze elektřinu.

Výhody se projevují ve vysoce kvalitním provedení, správném výběru zařízení a dodržování pravidel instalace.

Zařízení a princip fungování geotermálního vytápění

Jak tepelné čerpadlo funguje, můžete názorně vidět na příkladu domácí chladničky nebo split systému. Pokud se dotknete chladiče na zadní straně chladničky, bude horká a zároveň se ochladí stěny mrazničky.

Klimatizace rozmístěné v prostoru fungují v podobném režimu – vnitřní jednotka je chlazena a slouží jako zdroj chladu, venkovní jednotka odvádí teplo do ulice. V reverzním režimu ohřívá split systém vzduch v místnosti.

U tepelného čerpadla určeného k vytápění odebírá vnější jednotka teplo ze vzduchu, půdy nebo vody, pro které jsou vnější obrysy položeny z potrubí. Vodu je možné čerpat ve vodních okruzích, v tomto případě je vstup a výstup umístěn ve vzdálenosti cca 20 metrů. Po přeměnách v centrální jednotce se teplo dostává do domu.

Složení geotermálního topného systému zahrnuje:

1. Přímé tepelné čerpadlo s kompresorem, výparníkem, kondenzátorem a škrticí klapkou.
2. Nízkoteplotní topný okruh.
3. Okruhy prostorového vytápění (voda nebo kapalina) a ohřev vody.

Práce vychází z práce Nicolase Leonarda Sadiho Carnota, jednoho z předních vědců, kteří studovali termodynamiku ve fázi formování této vědy. Podrobný algoritmus je následující:

1. Chladivo vnějšího okruhu je čerpáno potrubím. Během pohybu se kapalina zahřívá o několik stupňů teplem země, vody nebo vzduchu.
2. Vnější okruh prochází přes výměník tepla výparníku, kde ohřívá chladivo, např. freon, které se odpařuje. Chladivo navíc vstupuje do výparníku kapilárním otvorem a rychle expanduje, což také přispívá k ohřevu.
3. Kompresor stlačuje zahřáté chladivo a dále zvyšuje teplotu freonu.
4. Horké stlačené chladivo vstupuje do kondenzátoru, kde ochlazením a přeměnou z páry na kapalinu předává teplo nosiči tepla topného systému, který cirkuluje topnými trubkami. Další možností je ohřev vzduchu, který je rozváděn po celém areálu.
5. Dále chladivo opět vstupuje do výparníku, kde je ohříváno novou částí chladiva cirkulujícího ve vnějším okruhu.

Často padá otázka: kde se bere účinnost tepelných čerpadel 300-700%. Je to dáno tím, že chladivo vnějšího okruhu opouští čerpadlo při teplotě -15°C až +7 o C a je ohříváno půdou (vodou, vzduchem) až na 2-8°C, tzn. část energie si „bere“ z vnějších zdrojů. Chladivo v čerpadle se odpařuje nejen díky provozu kompresoru, ale také díky teplu dodávanému zvenčí.

Důležité! Přesné hodnoty teploty chladicí kapaliny vnějšího okruhu se mohou u různých zařízení lišit, ale aby tepelné čerpadlo plnilo své funkce, musí se chladicí kapalina zahřát alespoň o 2-4 stupně. V opačném případě ekonomický efekt chybí nebo se dokonce ukáže jako negativní.

Metody organizace geotermálního vytápění

Geotermální topné systémy jsou klasifikovány podle několika kritérií:

1. Kombinace média uložení vnějšího okruhu a typu chladiva vnitřního okruhu.
2. Způsob ukládání tepelných sond (kontur) do půdy nebo vody – vertikální nebo horizontální.

První parametr udává výrobce hardwaru. Například konvenční dělený systém bude patřit do třídy vzduch-vzduch, bude odebírat teplo z pouličního vzduchu a předávat ho prostorům.

Čerpadlo “půda-voda” odebírá teplo země a ohřívá kapalný nosič tepla topného systému. Parametr „voda-vzduch“ implikuje konstrukční řešení, kdy je vnější okruh umístěn ve vodě (externí nádrž nebo ve studni) a teplo je rozváděno po celém domě proudy ohřátého vzduchu.

Volba jedné nebo druhé metody závisí na provozních podmínkách.

Zdůvodnění výběru třídy výbavy

Jedním z hlavních parametrů, na který lidé při nákupu tepelných čerpadel dbají, je koeficient přeměny tepla COP (koeficient výkonu). Může se rovnat 1 až 7, jinými slovy: 1 kW elektřiny se přemění na 1-7 kW tepelné energie. Je důležité si uvědomit, že skutečný koeficient geotermálních tepelných čerpadel bude nižší, než je uvedeno v pasu, protože provoz bude vyžadovat náklady na elektřinu k čerpání chladicí kapaliny přes vnější okruh, a čím delší je, tím vyšší jsou tyto náklady. bude.

V praxi a podle uživatelských recenzí je třeba počítat s COP rovným 2,5-3,2, pokud si vede záznamy po celou dobu provozu – teplota půdy a vody se postupně mění v závislosti na klimatických podmínkách.

Volba prostředí, odkud bude teplo odebíráno, závisí ve větší míře na klimatických podmínkách regionu a geologických podmínkách staveniště.

Zařízení s vnějším okruhem umístěným ve vodě je vybráno, pokud:

• nádrž je soukromý rybník;
• hloubka vrtu do podzemní vody nepřesahuje 20 metrů (v některých regionech až 45 metrů).

Nejsou-li tyto podmínky splněny, pak je nutná licence na právo užívání podloží. Pokud nebude licence během kontroly regulačními orgány nalezena, bude muset být zařízení zastaveno a bude muset být zaplacena pokuta až několik milionů rublů.

Kromě toho je důležitá vzdálenost od nádrže k domu, pokud je více než 25-30 metrů, pak účinnost prudce klesá – budou vyžadovány dodatečné náklady na čerpání chladicí kapaliny a izolaci potrubí.

Umístění externího okruhu do země ve vaší oblasti není zakázáno, měli byste však zvolit správný způsob umístění potrubí – horizontální nebo vertikální.

V závislosti na složení půdy lze z jednoho metru vodorovného potrubí odebrat až 50 W tepelného výkonu. To však platí pro hlinité půdy. Pískovce a hlíny mohou dávat od 12 do 25 W/m a pro tepelné čerpadlo o výkonu 10 kW může být potřeba externí horizontální okruh o délce 200 až 700 m. Pro jeho umístění je pozemek 450 m 2 bude potřeba. Umístění trubek do prstenců není efektivní, protože chladicí kapalina ochlazuje půdu kolem sebe a sousední prstence se jednoduše nebudou účinně zahřívat.

Důležité! Během zimy půda postupně promrzá, ochlazuje se a COP od února do března klesá, protože chladicí kapalina je již méně zahřátá.

Podle majitelů pozemků se v místě, kde se nachází horizontální okruh tepelného čerpadla, po několika letech provozu mění půdní struktura, hůře roste zelenina a pozemek je využíván pouze jako trávník. Stromy s výkonným kořenovým systémem, který může zničit potrubí, se na taková místa nevysazují.

Za optimální se považuje vertikální systém vpichů nebo jamek, ve kterém je umístěno několik obrysů, které se rozcházejí v různých směrech. Ve velkých hloubkách je teplota Země stabilnější a málo závisí na klimatu. Pro vývody potrubí je vybavena studna, ve které jsou umístěny kolektory. Studny jsou vrtány pod úhlem k horizontu a uspořádány do kruhu – to snižuje vliv každého obrysu na sebe.

Je možné dělat vše ručně

Teoreticky je možné sestavit geotermální topný systém vlastníma rukama, ale v praxi je to obtížné, ne-li nemožné.

Při horizontálním pokládání obrysu bude vyžadovat velké množství zemních prací. Potrubí se umisťuje minimálně 0,5 metru pod úroveň promrzání půdy, tzn. stačí zkopat zeminu do hloubky 2-2,5 m. Zeminu je třeba někde uložit a umístit po dobu pokládky potrubí.

Vrtání studní o celkové hloubce až 200 m bude vyžadovat speciální drahé vybavení, není možné provést takový objem práce vlastníma rukama. Je vhodné začít samostatně pokládat obrys pouze v případě, že se používají technické prostředky: bagr, sklápěč, buldozer nebo vrtná souprava.

Obchodní případ pro geotermální tepelná čerpadla

Výběr jednoho nebo druhého způsobu vytápění domu závisí na mnoha parametrech:

• technická proveditelnost a náklady na připojení k energetickým sítím (plyn, elektřina);
• náklady na vybavení a instalační práce;
• podmínky provozu instalovaného zařízení;
• provozní náklady na energetické zdroje a údržbu systému po dobu životnosti systému.

V článku porovnáváme náklady na vytápění domu o ploše 200 m 2 za 10 let provozu různými způsoby: hlavní plyn, elektřina, plyn z individuálního zásobníku plynu, tepelné čerpadlo na elektřinu.

Počáteční a provozní náklady

Odhad na výrobu kompletního topného systému organizovaného pomocí tepelného čerpadla zahrnuje cenu:

• čerpadlo požadovaného výkonu;
• potrubí vnějšího okruhu;
• doplňkové vybavení – oběhové čerpadlo, expanzní a skladovací nádrže;
• potrubí pro uspořádání “teplé podlahy” nebo vzduchových kanálů pro distribuci tepla v prostorách;
• uzamykací a ovládací zařízení;
• instalační a uvedení do provozu.

Výkon čerpadla by měl být o 10–15 % vyšší než tepelné ztráty domu stěnami, podlahou, stropem, dveřmi a okny. V průměru se předpokládá, že pro střední pás bude dům o velikosti 200 m 2 vyžadovat instalaci 13 kW čerpadla pro vytápění a dalších 700 W bude vynaloženo na přípravu teplé vody pro sanitární potřeby. Je tedy nutné pořídit tepelné čerpadlo o výkonu 14 kW.

Cena takového zařízení od různých výrobců se pohybuje od 210 000 rublů v základní konfiguraci do 500 000 rublů v prémiové konfiguraci.

Délka kolektorových trubek bude záviset na struktuře půdy:

• suchý písek vydává 10 W / m délky trubky o průměru 25 mm;
• suchá hlína – 20 W / m;
• mokrá hlína – 25 W / m;
• jíl s vysokým obsahem podzemní vody – až 35 W / m.

Délka okruhu tedy bude od 400 do 1 m.

Vertikální okruhy jsou z hlediska přenosu tepla výhodnější:

• sedimentární horniny vydávají 20 W/m;
• kamenitá půda a vlhké sedimentární horniny s podzemní vodou – 50 W / m;
• podzemní voda – až 70 W / m.

Na základě indikátorů bude celková hloubka vrtů od 200 do 700 m, což je 2krát méně než u horizontálního umístění. V půdě s dobrým odvodem tepla pro dům 200 m 2 jsou vyvrtány 3 studny o délce 75 metrů.

Pro zajištění potřebného výkonu musí oběhové čerpadlo zajistit čerpání chladicí kapaliny okruhem v objemu 5 m 3 / hod.

V primárním okruhu stanice tepelného čerpadla je instalována expanzní nádoba, jejíž kapacita by měla činit 10 % objemu teplonosného média. Lze jej zjistit výpočtem vnitřního objemu potrubí. Například 1 m trubky o vnitřním průměru 32 mm obsahuje 0,8 litru kapaliny.

Ve vratné větvi okruhu je instalována akumulační nádrž o objemu 10-20 litrů na 1 kW výkonu čerpadla, tzn. v našem případě bude čerpadlo o výkonu 14 kW vyžadovat kapacitu 140-280 litrů. Potřeba nádrže je způsobena tím, že čerpadlo bez akumulační nádrže bude pracovat nepřetržitě – snižuje se tím životnost.

Jak vlastně vybrat nejlevnější radiátory topení na trhu

Náklady na vybavení domu tepelným čerpadlem můžete zjistit bez zohlednění vnitřní elektroinstalace pomocí kalkulaček prezentovaných na webových stránkách výrobců zařízení a instalačních organizací. Ceny se v různých regionech liší. Systémy na klíč (s náklady na práci a vybavení) jsou připraveny k výrobě specializovanými organizacemi za ceny od 670 1,5 rublů v regionech do XNUMX milionu rublů v Moskevské oblasti.

Přesná data o životnosti systémů v Rusku zatím neexistují, zahraniční zkušenosti však ukazují, že průměrně tepelná čerpadla země-voda vydrží do výměny asi 50 let.

Porovnání nákladů na vytápění pro různé nosiče energie

Průměrné údaje o nákladech na vybavení domu a nákladech na vytápění domu o ploše 200 m 2 systémy s různými nosiči energie jsou uvedeny v tabulce níže.

Tepelné čerpadlo “země-voda”	hlavní plyn	elektřina	Držák plynu
Náklady na vybavení a instalaci, tisíce rublů	570-1 500	200-300 (s připojením)	20-60	180-250
Život	Do 50	Až 50 s výměnou kotle po 10 letech	7-10	30
Odpisy, tisíce rublů v roce	15-30	5-8	4-6	8-10
Provozní náklady za rok, tisíce rublů	20-40 *	30-40	100-200 *	50
Celkové náklady během topné sezóny, s přihlédnutím k odpisům, tisíc rublů.	40-70	45-55	110–210 *	60-70

* — sazba za elektřinu byla stanovena v průměru na 2,52 kWh ve venkovských oblastech a 4,8 v městských oblastech.

V tabulce jsou uvedeny maximální náklady na vytápění. V reálné praxi jsou náklady o něco nižší, protože k dlouhodobému tání dochází během topného období, kdy zařízení pracuje na 40-50% výkonu.

Geotermální tepelná čerpadla si u nás získávají stále větší oblibu. Při rozhodování o vybavení domu právě tímto systémem nelze slepě věřit slibům prodejců. Tento typ zařízení má nevýhody a výpočet a instalace by měly být svěřeny známým společnostem, které prostudovaly maximální počet recenzí o jejich práci.

Fráze „geotermální energie“ ve většině lidí vyvolává asociace s Islandem, gejzíry a sopkami, někdo si vzpomene na průmyslově rozvinutá ložiska termálních vod na Kamčatce v Dagestánu na území Stavropol. Geotermální energie však není jen průmyslové měřítko, ale také geotermální vytápění soukromého sektoru. Například ve skandinávských zemích je tepelnými čerpadly vytápěno asi 1,5 milionu domů a podobné projekty se realizují i ​​v Rusku. Rozumíme tomu, jak technologie vytápění podzemním teplem funguje, v jakých formách je realizována a jak je efektivní.

Geotermální vytápění: jak to funguje

První domy vytápěné teplem Země začaly vznikat před 50 lety; dnes je lze nalézt po celém světě, od Kanady po Nový Zéland.

Provoz zařízení využívajícího tepelnou energii podloží je založen na využití inverzního Carnotova cyklu, který popisuje kruhové procesy výměny tepla. Takový termodynamický systém funguje díky rozdílu teplot jeho součástí; Princip je již dlouho úspěšně implementován v chladničkách a klimatizacích.

Chcete-li spustit geotermální vytápění doma, musíte zorganizovat systém, který bude shromažďovat teplo z půdy (nebo vody) a přenášet jej do okruhu vytápění domu. Podzemní teplo se vyrábí kdekoli na světě a geotermální vytápění se úspěšně realizuje v Rusku, například v Moskevské oblasti. Zajímavé je, že okruh funguje tak, že v létě funguje jako klimatizace a v zimě jako zdroj vytápění.

V hloubce šesti metrů začíná zóna, kde teplota zůstává stabilní po celý rok. Zůstává na úrovni průměrné roční teploty atmosféry v dané oblasti; v mírných oblastech je + 15 ° C, pod roste. Pro sběr podzemní tepelné energie se používá okruh (výměník tepla). Jedná se o potrubí, které je namontováno pod zemí nebo pod vodou. K organizaci vytápění ze země se používají následující metody:

• ve vertikální studni. Možnost vhodná pro malé plochy. V blízkosti domu jsou vrtány dva geotermální vrty, každý 80-90 m, v každém je umístěna geotermální sonda. Tepelné čerpadlo zvedá ohřátou vodu, ta prochází výměníkem tepla a odevzdává teplo do vnitřního okruhu domu. Vertikální okruh se vyznačuje nejvyšší energetickou účinností a životností.
• S horizontálním kolektorovým zařízením. Metoda je vhodná pro velké plochy. Pro získání správně fungujícího kolektoru jsou pomocí bagru připraveny rýhy o hloubce 2-2,5 m, kde jsou položeny HDPE (polyetylenové) trubky. Plocha místa, ze kterého bude odebíráno teplo, je úměrná ploše bydlení.

• Na dně rybníka. Vodorovný kolektor (sondy horizontálního typu) se instaluje na dno, pokud má nádrž dostatečné rozměry (plochu a hloubku) a je umístěna blízko domu. Metoda také vykazuje dobrou energetickou účinnost.
• Použití nemrznoucí směsi. V dostatečné hloubce (75 m a více) se ponoří nádoba naplněná nemrznoucí kapalinou. Ohřátá kapalina je zvedána tepelným čerpadlem a dodává energii do výměníku tepla a poté se vrací do podzemí pro další cyklus.

Výhody a nevýhody technologie

Geotermální vytápění domu, jehož princip nezahrnuje spalování paliva, je z pohledu moderních představ o ekologické bezpečnosti ideální. Geotermální topný systém poskytuje svým majitelům následující výhody:

• Bezpečnost ve všech oblastech: absence škodlivých emisí, což je důležité pro zdraví majitelů, jejich mazlíčků, pro životní prostředí a také požární bezpečnost.
• S nedostatkem paliva odpadá potřeba jeho nákupu (sklizně), dodávky a skladování.

• Ekonomický přínos. Síly přírody pracují zdarma. Utrácíte pouze za nákup a instalaci systému a během provozu – za elektřinu pro tepelné čerpadlo. Přitom v regulovaném systému připadá na každý 1 kW vynaložený na provoz čerpadla asi 3,5-4 kW vytěžené ze země.
• Kompaktní rozměry. Velikost hlavního okruhu je skryta pod zemí (voda), v domě bude potřeba nainstalovat pouze čerpadlo a není k tomu potřeba samostatná kotelna.
• Dostupnost. Zařízení lze instalovat kdekoli. Jedinou podmínkou pro zahájení prací je přítomnost elektřiny v domě.
• Multifunkčnost. Když je zima, systém funguje na vytápění, když je teplo, funguje na chlazení.
• Dlouhá životnost. Technologicky správná instalace zaručí dlouhodobý provoz. Geotermální okruh je spolehlivě chráněn zemí a životnost tepelných čerpadel je 25-30 let.

Majitelé, kteří nedůvěřují geotermálnímu vytápění soukromého domu, uvádějí následující argumenty:

• Na přípravu systému k provozu musíte vynaložit značné náklady: nákup čerpadla, další materiály, instalace vnějších a vnitřních okruhů. Zařízení bude stát 8-10krát více než podobná plynová zařízení.
• Geotermální systém není autonomní. Aby to fungovalo, na každé 4 kW tepelné energie bude potřeba spotřebovat 1 kW elektřiny.
• Úroveň přenosu tepla je nižší než u tradičních technologií. Například okruh, který jde do hloubky 20-30 m, vydává pouze 40 W tepla na lineární metr.
• Dlouhá doba návratnosti. V průměru přesahuje 10-15 let, přičemž průměrný plynový kotel (do 12 kW) bude splácet asi 5 let.

Jak nainstalovat geotermální vytápění

Instalace geotermálního topného systému zahrnuje tři fáze:

• Na místě probíhají vrtné a montážní práce.
• Zařízení a tepelné čerpadlo jsou zakoupeny a dodány.

• Vnější a vnitřní obrysy jsou namontovány. Jsou připojeny přes tepelné čerpadlo, poté se provede uvedení do provozu.

Horizontální, vertikální a podvodní okruhy mají své vlastní instalační vlastnosti: Horizontální trubkový výměník tepla je položen pod zámrznou hloubkou. Pokud je podzemní voda vysoká, je organizován pískový polštář, jsou přijata opatření k vyrovnání zvedání, deformace a vytlačování obrysu.

Délka horizontálního výměníku je určena výpočtem: 40 m potrubí na 1 kW tepelné energie. Takový systém může vyžadovat pevnou plochu (až 2,5 akrů) a budete muset přijít na to, jak jej použít později, protože nemůžete stavět budovy s podzemním základem nebo sázet stromy nad výměníkem tepla.

Vertikální podzemní okruh je téměř o třetinu účinnější než horizontální protějšek. Hloubka vrtu se vypočítá z poměru 10-30 m potrubí na 1 kW (v závislosti na vlastnostech hornin). Pokud se ukáže, že hloubka je příliš velká a není ekonomicky proveditelná, lze vytvořit několik malých vrtů, které dají dohromady požadovaný výkon.

Je možné uspořádat podvodní okruh za předpokladu, že nádrž je umístěna maximálně sto metrů od domu a v zimě nezamrzne. Chcete-li získat 1 kW tepelné energie, budete muset položit 35 m potrubí. I když se budete muset postarat o kotevní balast, abyste zabránili plavání a ochraně na ledové hraně, podvodní okruh bude z hlediska nákladů nejlevnější.

Současné systémy jsou nastaveny tak, aby poskytovaly ohřev na 50 °C, protože speciální výpočty ukázaly, že tato možnost je nejúčinnější. Důsledkem omezení je použití v domech s vytápěním ze země především ne obvyklými radiátory, ale podlahového vytápění nebo vzduchového (parního) vytápění.

Popis videa

O návratnosti tepelného čerpadla v následujícím videu:

Nejdůležitější znaky

Geotermální vytápění je perspektivní, ale podceňovaný systém pro soukromé domy. Může být organizován třemi způsoby: ve vertikální studni, ve formě horizontálního podzemního kolektoru nebo pod vodou.

Podzemní vytápění je cenově výhodné; Maximálního efektu instalace lze dosáhnout použitím podlahového vytápění. Systém funguje celoročně: v zimě vytápí prostory a v létě snižuje teplotu vzduchu, čímž odpadá potřeba klimatizace. Mnoho majitelů venkovských domů nespěchá, aby si vybrali technologii šetrnou k životnímu prostředí kvůli vysokým nákladům na nákup a instalaci zařízení.