Одним из ключевых элементов геотермального теплового насоса является грунтовый теплообменник. Именно благодаря этому элементу тепловой насос получает низкопотенциальное тепло. Правильно спроектированный и установленный грунтовый теплообменник залог эффективной и надежной работы  грунтового теплового насоса.

грунтовые теплообменники

Существует множество конструкций теплообменников для получения теплоты из грунта и грунтовых вод. Всех их можно классифицировать по трем основным типам:

  • Горизонтальные теплообменники (коллекторы);
  • Вертикальные теплообменники, так называемые «зонды»;
  • И теплообменники типа «корзина» и «спираль».

Горизонтальный теплообменник геотермального теплового насоса

Монтаж горизонтального теплообменника наиболее прост и не требует значительных денежных затрат. Недостатком является большая занимаемая площадь, на которой не должно быть впоследствии строений и деревьев.

Раскладка такого теплообменника осуществляется на глубине ниже уровня промерзания грунта, обычно от 1 до 3 м в зависимости от географической местности и типа грунта.

 

Верхние слои почвы накапливают солнечное тепло и, по сути, являются аккумуляторами солнечной энергии. Поэтому температура верхних слоев грунта не равномерна в течение года и имеет сезонные колебания, что в свою очередь влияет на эффективность теплового насоса в период срока эксплуатации. К примеру на глубине 2 м температура почвы колеблется от 7 °С до 13 °С в течении года.

температура грунта

Температура грунта в зависимости от глубины

Съем тепла с каждого метра грунтового коллектора зависит от множества факторов. Таких как: глубина укладки, тип и влажность грунта, затенение площадки под теплообменник и т.д. В среднем значение составляет 20 Вт/м. Для более подробных расчетов следует обратиться к специалистам для детального геологического анализа почвы.

Шаг укладки труб не должен быть меньше 0,7 м для эффективной работы коллектора. Рекомендуется использовать контур общей длинной не более 150 м из-за большого гидравлического сопротивления. При применении нескольких контуров необходимо стараться, что бы каждый из них  был примерно одинаковой длинны.

Пример расчета горизонтального теплообменника

Для примера рассчитаем площадь, занимаемую горизонтальным коллектором.  Допустим, что для дома необходим тепловой насос мощностью 10 кВт.

Снимаемая мощность контуров грунтового теплообменника теплового насоса вычисляется относительно мощности и СОР выбранного теплового насоса по формуле:

Ре = Pн * (1 – 1/СОР), кВт

Где Рн – номинальная мощность теплового насоса, СОР – коэффициент преобразования. Расчет применяют для одного из режимов согласно стандарту EN 14511 (обычно принимают точку В0/W35, где 0 °С – температура теплоносителя на входе в испаритель, 35 °С – температуры подачи в систему отопления). В качестве образца возьмем тепловой насос Nibe F1145-10 с параметрами при В0/W35: мощность – 9,95 кВт и СОР  — 5,03.

Ре = 9,95 * (1 -1/5,03) = 7,97 кВт;

Необходимая длинна горизонтального теплообменника теплового насоса, равна отношению необходимой мощности к снимаемой мощности одного метра трубы:

L = Pe/q, м

Где q  — принимаем 20 Вт/м (среднее значение для горизонтальных коллекторов).

L = 7,97/0,02 = 398,5 м

Для нашего теплового насоса будет оптимально 4 грунтовых контура по 100 м каждый. Что бы узнать какую площадь будет занимать такой коллектор необходимо это число умножить на величину шага укладки труб (принимаем шаг равный 0,7 м) S = 400 * 0,7  = 280 м².

Вертикальный грунтовый теплообменник — «Зонд»

Температура грунта глубже 20 метров стабильна на протяжении всего года и равна 8-10 °С, она поддерживается благодаря геотермальной энергии недр Земли. Для получения этой энергии используют вертикальные грунтовые теплообменники называемые «Зондами», которые погружают в скважины глубиной 20-300 м и диаметром 120-200 мм. Обычно используют пластиковую трубу диаметром от 32 мм. В скважину помещают одну или две петли зонда и пространство между грунтом и трубой заполняют бентонитом или другим раствором с высокой теплопроводимостью.

Теплосъем с вертикального теплообменника выше, чем у горизонтального и принимается в среднем 50 Вт/м. Однако реальное значение может сильно отличатся, и зависит от влажности породы и наличия грунтовых вод.

Вод породы

Теплосъем, Вт/м

Сухие осадочные породы

20

Сухой песок, гравий

25

Влажный песок

35-40

Каменистая почва, насыщенная водой, влажная глина

40-50

Известняк

50-60

Гранит

60-80

Грунтовые воды

80-100

Тепло недр земли хоть и является возобновляемым источником энергии, все же тепловая регенерация (возобновление) происходит не так быстро, как мы расходуем теплоту грунта. Поэтому все данные приведены с учетом 1800 часов работы теплового насоса в год. Согласно исследованиям в первые 2-3 года температура грунта вокруг теплообменников резко снижается, однако с каждым годом понижение температуры уменьшается. Все это приводит к снижению эффективности теплового насоса. Если же использовать тепловой насос больше 1800 часов в году, то существует риск значительного снижения температуры вокруг скважины или даже промерзания некоторых участков. Это может привести к проседанию некоторых слоев грунта и разрушению труб теплообменника или к более опасным последствия для микроклимата грунта и строений вблизи скважины. Для лучшей регенерации почвы рекомендуется в летний период подавать дополнительное тепло в теплообменник, например от солнечных коллекторов или использовать тепловой насос для охлаждения, тем самым подогревая зонд.

Расчет длинны вертикального грунтового теплообменника производится аналогично с горизонтальным коллекторам. Для ранее выбранного теплового насоса:

L = Pe/q = 7,97/0,05 = 159,4 м

Это может быть как одна 160 м скважина, так и три скважины по 55 м. При использовании нескольких зондов необходимо бурить скважины на максимально возможном отдалении друг от друга (не менее 6 м). Для более эффективной работы рекомендуется бурить меньшее количество скважин.

Другие грунтовые теплообменники геотермальных тепловых насосов

Отдельно были классифицированы теплообменники типа «Корзина» и «Спираль».

Они объединяют в себе свойства горизонтальных теплообменников и способ установки, напоминающий вертикальные теплообменники. Такие теплообменники укладываются на глубину до 5 м. Существуют так же некоторые другие модификации грунтовых теплообменников геотермальных тепловых насосов.