Самодельный геотермальный тепловой насос для обогрева дома: устройство, проектировка и сборка

Существует множество способов организовать отопление и горячее водоснабжение загородного дома. Можно подключиться к центральным газовым сетям или перевести систему на электроэнергию. Однако есть и другой вариант.

Можно самостоятельно создать геотермальный тепловой насос и эффективно использовать тепло земли для создания комфортных условий проживания. Это, безусловно, требует значительных усилий, но для людей, которые имеют хоть какое-то представление о технике, это выполнимая задача.

В данном материале мы рассмотрим, как функционируют различные геотермальные установки. Мы поделимся инструкцией по сборке теплового насоса из доступных материалов. Также в статье вы найдете практические советы специалистов по выбору геоагрегатов. Благодаря размещенным видео вы сможете ознакомиться с процессом монтажа и принципами работы этих систем.

Как функционирует геотермальный тепловой насос?

Принцип работы геотермального теплового насоса основывается на переносе тепловой энергии от источника с низким тепловым потенциалом к теплоносителю. В этом контексте земля зимой выступает как источник тепла, а летом – как радиатор.

Контраст температур между поверхностью и глубиной грунта позволяет повысить эффективность работы системы и снизить эксплуатационные затраты.

Основной принцип действия геотермального теплового насоса основан на тепловой инерции. Температура земли на глубине около 6 метров и глубже сохраняет стабильные значения и близка к средней температуре воздуха в регионе на протяжении всего года.

В результате, в трубопроводе, заложенном в земле, теплоноситель получает тепло, поднимаясь на несколько градусов. Затем он попадает в теплообменный узел (или испаритель) и передает накопленное тепло внутренней системе.

Принципы работы геотермальных установок схожи с холодильными системами, что позволяет некоторым типам тепловых насосов использоваться в качестве кондиционеров летом, обеспечивая охлаждение воздуха в помещениях.

Рабочий агент во внешнем контуре нагревается в испарителе, превращается в газ и поступает в компрессор, где под действием высокого давления его температура значительно повышается.

Разогретый газ попадает в конденсатор, где передает свою тепловую энергию внутреннему теплоносителю системы, отвечающему за обогрев. По завершению этого этапа остывший агент возвращается в жидком состоянии в первоначальную точку.

Какие бывают геотермальные установки?

Геотермальные тепловые насосы отличаются по типу теплоносителя как во внутреннем, так и в внешнем контурах установки. Они могут получать энергию из земли, воды (грунтовых вод или открытых водоемов) и воздуха.

Внутри дома тепловая энергия используется для обогрева, нагрева воды и кондиционирования воздуха. Системы классифицируются на типы: «земля-вода», «вода-вода» и «воздух-вода» в зависимости от используемых компонентов и их функций.

Вариант #1. Технология «земля-вода»

Тепловой насос «земля-вода» является одним из наиболее эффективных решений для альтернативного обогрева жилых пространств. Его принцип заключается в извлечении тепла из грунта с помощью зондов или коллекторов и передаче его в нагревательную водяную систему дома.

Геотермальные насосы «земля-вода» представляют собой высокотехнологичные, надежные устройства с отличным коэффициентом полезного действия. Они требуют минимального вмешательства со стороны владельца, однако нуждаются в регулярном профессиональном обслуживании.

Эффективность данной технологии обеспечивается геотермальным теплообменником, который устанавливается ниже границы промерзания грунта, и самим тепловым насосом, работающим по принципу обратного холодильного цикла.

Процесс работы системы

Система «земля-вода», использующая возобновляемое тепло почвы, функционирует по следующему принципу:

1. Рабочая жидкость (антифриз или раствор), проходя через контур, нагревается от температуры грунта и подается насосом в теплообменник (испаритель), где отдает тепло фреону, снижая свою температуру на 2-5°C, и возвращается назад.
2. Нагретый фреон испаряется, переходит в газообразное состояние и попадает в компрессор, где температура газа повышается за счет сжатия, образуя конденсат.
3. Тепловая энергия передается в теплоноситель обогревающей системы, фреон снова становится жидким. После этого, проходя через расширительный клапан, давление сходит на нет и агент возвращается в испаритель для очередного цикла.

В результате данной последовательности, объем тепловой энергии, извлеченной из почвы и переданной в систему отопления, превышает количество электричества, затраченного на работу компрессора и циркуляционного насоса более чем в четыре раза.

В системе «земля-вода» применяются незамерзающие жидкости с хорошими вязкостными характеристиками, такие как смеси гликоля, спирта или соляные растворы. Они безопасны для экологии и эффективно передают и транспортируют тепло к насосу.

Дополнительно, такая система может работать в обратном режиме и использоваться для охлаждения, хотя эффективность этого процесса может снизиться на 20%. Тем не менее, это считается приемлемым, поскольку оборудование обеспечивают высокую производительность тепла.

Размещение систем «земля-вода»

Для наружного контура можно использовать прочные полимерные трубы, которые укладываются горизонтально на дне котлована, подобно системам «теплый пол».

Тепловой насос «земля-вода» отличается надежностью и тихой работой, но его установка требует значительных затрат времени и средств (процесс длится не менее одного месяца). Поэтому это следует учитывать перед принятием решения о выборе данного типа отопительной системы.

При установке необходимо учитывать площадь 25-50 м² на каждый киловатт мощности насоса. Котлован должен располагаться ниже уровня промерзания, а размеры и шаг укладки труб рассчитываются индивидуально.

Тем, у кого есть большие земельные участки и кто решил установить геотермальный тепловой насос «земля-вода», стоит рассмотреть горизонтальные коллекторы, в то время как владельцам маленьких участков подходят глубинные зонды, которые не занимают полезную площадь рядом с домом.

Участки с установленными коммуникациями геотермальной системы «земля-вода» не могут быть использованы для сельского хозяйства. Но на них можно разбить малые архитектурные формы, такие как газоны или цветники.

Вертикальное размещение требует больше усилий и профессиональной техники. Здесь нужно бурить скважины глубиной от 20 до 150 м, устанавливать геотермальные зонды и подключать их к системе отопления.

Вертикальный зонд системы «земля-вода» представляет собой головку с трубами, опускаемую в скважину глубже 18 м. Точное количество зондов и их глубина рассчитываются индивидуально на основе данных геологического исследования.

Трубопроводы от буровых скважин соединяются в коллекторный колодец, откуда идут две магистральные линии к тепловому насосу, одна из которых подает ресурс, а другая — возвращает. Диаметр магистрали зависит от общего объема системы и помещения и может достигать 160 мм.

По предварительным расчетам, для обогрева дома площадью около 100 м² необходимо около 7.5 кВт/ч. В таком случае вертикальные зонды следует установить на глубину 110-115 метров либо использовать горизонтальные коммуникации на площади 250 м².

Вертикальный способ укладки системы считается наиболее эффективным, поскольку на глубине температура грунта остается стабильной благодаря теплу Земли. Он показывает высокий уровень эффективной мощности и обеспечивает надежную работу на протяжении многих лет без сбоев.

Вариант #2. Характеристики теплообменников «вода-вода»

Геотермальная система «вода-вода» utilizes тепловую энергию, извлекаемую из водных ресурсов. Это возможно благодаря тому, что на большой глубине температура воды сохраняется высокой и стабильно держится на протяжении всего года.

Для создания системы «вода-вода» и получения низкопотенциальной тепловой энергии могут использоваться открытые водоемы (озера, реки), колодцы, скважины и даже сточные воды из промышленных процессов.

Структурно система «вода-вода» не отличается от системы «земля-вода», однако установка на основе открытого водоема требует меньших финансовых и трудовых затрат, так как не предполагает буровых работ.

Теплообменный трубопровод наполняется теплоносителем, после чего его загружают и опускают в водоем, подсоединяя к системе отопления дома через специальные соединительные элементы.

Однако такая процедура будет возможна только в том случае, если участок земли непосредственно соприкасается с водоемом, и все составляющие системы находятся в ведении собственника. Если доступ к открытому водному источнику ограничен, стоит рассмотреть вариант с использованием подземных вод.

Тем не менее, это требует значительных земельных работ и создания сложных конструкций, например, дополнительных колодцев для сброса воды, проходящей через теплообменник.

При настройке системы теплового насоса типа «вода-вода» внедряются две скважины. Одна из них используется для забора эксплуатационной воды, которая проходит через теплообменник и затем возвращается во вторую скважину, находящуюся ниже по течению грунтовых вод. Важно установить вторую скважину на расстоянии не менее 6 метров от первой, чтобы обеспечить соблюдение всех технологических процессов.

Как правило, системы «вода-вода» устанавливаются в тех местах, где нет возможности подключиться к центральным коммуникациям и применять другие виды теплоносителей.

По мнению специалистов, альтернативные системы отопления этого типа очень эффективны в современных зданиях с низкими теплопотерями.

При самостоятельном производстве и установке геотермальных отопительных систем «вода-вода» крайне важно использовать материалы, обладающие высокой устойчивостью к коррозии, замерзанию и другим неблагоприятным воздействиям внешней среды. Это обеспечит долговечность оборудования и избавит владельца от лишних хлопот.

Если дом хорошо утеплён, защищён от сквозняков и сырости, или построен с использованием современных теплоизоляционных технологий, стоимость отопительной системы существенно снижается, так как появляется возможность установить насосное оборудование меньшей мощности.

Вариант №3. Установка систем «воздух-вода»

Тепловой насос типа «воздух-вода» использует самый доступный и возобновляемый природный ресурс – воздух. Работает устройство на основе вентиляторов и испарителей, объединённых в единый комплекс.

Максимальная эффективность достигается при температуре до -15°C. С понижением температуры производительность значительно снижается.

Тепловой насос «воздух-вода» значительно дешевле модель «вода-вода» или «земля-вода». Он отлично подойдёт для регионов с мягкими зимами, в то время как в холодных северных областях, где температура опускается ниже -20…-25°C, его установка нецелесообразна.

Такой агрегат удобен тем, что не требует от владельцев частных домов наличия специализированной техники для установки и выполнения сложных монтажных работ.

Не требуется копка земли, бурение скважин или другие трудоёмкие процедуры. Установка относится к категории легких и компактных решений, что позволяет размещать её, например, на крыше здания.

Геотермальный насос «воздух-вода» можно установить прямо рядом с жилыми сооружениями. Он работает тихо и имеет современный, привлекательный внешний вид, не нарушающий общий ландшафт участка.

К основным преимуществам этого оборудования можно отнести почти бесшумную работу и возможность повторного использования тепла, выделяющегося из отапливаемого помещения в виде отработанного воздуха, воды, газа, дыма и т.д.

Владельцы самостоятельно обслуживают систему, включая:

• очистку вентиляторных лопастей и защитных решеток испарителя от пыли, мусора и листвы;
• смазку компрессора специальным составом согласно инструкции;
• замену масла в силовых агрегатах (вентилятор, компрессор) с установленной периодичностью;
• проверку целостности силового кабеля и медных трубок, через которые циркулирует хладагент.

Кроме того, изготовители насосного оборудования советуют пользователям следить за состоянием тепловых датчиков, отображающих работу блока управления.

Их необходимо протирать, аккуратно удаляя пыль и жирные пятна, что продлит срок службы системы «воздух-воздух» и сделает использование более простым и комфортным.

Как самостоятельно сделать агрегат?

Независимо от выбранного источника энергии (земля, вода или воздух) для нормальной работы системы потребуется насос.

Данное устройство включает в себя следующие компоненты:

• компрессорный узел (промежуточный элемент системы);
• испаритель, передающий низкопотенциальную энергию теплоносителю;
• дроссельный клапан, который направляет хладагент обратно к испарителю;
• конденсатор, в котором фреон укладывает тепловую энергию и охлаждается до своей начальной температуры.

Можно приобрести готовую систему у производителя, однако это может обойтись довольно дорого. В случае нехватки средств можно изготовить тепловой насос своими руками из имеющихся деталей и, в случае необходимости, докупить недостающие элементы.

Планируя установку геотермального отопления в частном доме, в первую очередь следует позаботиться о снижении теплопотерь. Для этого важно утеплить стены специальным материалом, установить поролоновые прокладки на двери и оконные рамы, защитить пол и потолок пенопластовыми панелями. Это поможет сохранить максимальное количество тепла, вырабатываемого насосом, внутри помещения.

Если решено изготовить тепловой насос самостоятельно, необходимо убедиться в хорошем состоянии электрической проводки и электросчетчика в доме.

При наличии изношенных компонентов стоит проверить все участки, выявить и устранить возможные неисправности до начала любых работ. Это обеспечит бесперебойную работу системы, избежав коротких замыканий, возгораний проводки и выбивания пробок сразу после запуска.

Способ №1. Сборка из холодильника

Для изготовления теплового насоса из старого холодильника потребуется снять змеевик, находящийся сзади. Этот компонент будет использоваться в качестве конденсатора и помещаться в прочную ёмкость, устойчевую к высоким температурам. На неё устанавливается исправный компрессор, а в роли испарителя используется обычная пластиковая бочка.

Если холодильник очень старый, лучше заменить в нём хладагент на новый. Сделать это самостоятельно не получится, поэтому вам потребуется вызвать специалиста с необходимым оборудованием. Он оперативно произведёт замену, и система начнет функционировать как нужно.

Соедините все подготовленные элементы между собой, после чего готовый агрегат через полимерные трубы подключите к отопительной системе и начните эксплуатацию оборудования.

Подробная инструкция по сборке теплового насоса из холодильника представлена в этой статье.

Способ №2. Тепловой насос из кондиционера

Чтобы создать тепловой насос, кондиционер необходимо модифицировать, переставив наружный и внутренний блоки.

Дополнительно испаритель не устанавливают, так как он уже входит в состав внутреннего блока, а конденсатор располагается во внешнем. Как теплоноситель можно использовать воздух или воду.

Если такой вариант монтажа окажется неудобен, конденсатор можно установить в отдельный резервуар, предназначенный для оптимального теплообмена между активным ресурсом и теплоносителем.

Для этой системы стоит использовать четырехходовой клапан. Обычно на такую работу приглашают специалиста с соответствующим опытом и навыками.

Современные сплит-системы неэффективны при низких температурах, поэтому опытные профессионалы не рекомендуют их для самостоятельной сборки тепловых насосов.

В третьем варианте кондиционер разбирают на составные элементы, а затем из них создают насос по обычной схеме: испаритель, компрессор, конденсатор. Готовый прибор соединяют с отопительным оборудованием и начинают его использование.

На сайте также есть серия статей о самостоятельном изготовлении тепловых насосов, рекомендуем ознакомиться:

1. Как создать тепловой насос для отопления своего дома своими руками: принцип функционирования и схемы сборки
2. Как сделать тепловой насос «воздух-вода»: схемы конструкции и самостоятельная сборка

Советы по выбору системы

Установка оборудования типа «земля-вода» является наиболее затратной по сравнению с другими вариантами, так как требует глубинных земляных работ при вертикальном размещении или значительной площади для горизонтальной прокладки коммуникаций.

Эти аспекты значительно ограничивают возможности использования системы и снижают ее привлекательность.

Монтаж насоса «вода-вода» также сопряжён с некоторыми ограничениями. Если имеется доступный водоем, можно установить систему в нём. В противном случае, для бурения скважин и создания колодцев потребуются немалые средства.

Установка «воздух-вода» не вызывает сложностей и подходит даже для многоквартирных зданий, однако, в условиях суровых зим с низкими температурами её эффективность снижается, и для её поддержания потребуется альтернативный источник энергии.

Тем не менее, создание геотермального отопления в конечном итоге покрывает все затраты и начинает генерировать бесплатный ресурс, делая жизнь владельцев максимально комфортной и приятной, при этом значительно экономя на эксплуатационных расходах.

Заключительные мысли и полезное видео по теме

В представленном видео демонстрируется, как в просторном доме, построенном из газосиликатных блоков, организована система отопления с использованием геотермального оборудования «воздух-вода». Обсуждаются интересные детали установки и приводятся реальные данные о monthly коммунальных расходах.

Работа системы «земля-вода» объясняется профессионалом, занимающимся установкой геотермальных тепловых котлов, который предоставляет рекомендации и ценные советы для домашних умельцев.

Пользователь делится своими ощущениями о работе теплового геотермального насоса.

Опытный слесарь объясняет, как самостоятельно создать тепловой насос, используя мощный компрессор и трубчатые теплообменные элементы. Представлена пошаговая инструкция по этому процессу.

Геотермальный насос для отопления загородного дома – отличный вариант для создания комфортных условий жизни, особенно в местах, где нет доступа к централизованным коммунальным сетям и традиционным источникам энергии.

Выбор отопительной системы определяется местоположением объекта недвижимости и финансовыми возможностями его владельцев.

Если у вас есть опыт сборки геотермального теплового насоса, пожалуйста, поделитесь своими знаниями с нашими читателями. Вы можете предложить свой вариант сборки и оставить комментарии с фотографиями сделанных вами устройств в форме ниже.