Земля греет дом

Из школьного курса физики известно, что передача тепла идёт от нагретых тел к более холодным. Но технические ухищрения сделали возможным перенос тепла в обратном направлении. Таким принципом работы и обладает тепловой насос, что позволяет обогревать от земли целые дома. Тепловой насос - термодинамический агрегат, с помощью которого тепло от источника с низкой температурой (от низкопотенциального источника) передаётся потребителю с более высокой температурой. При этом для поддержания процесса теплопередачи затрачивается некоторая механическая энергия. Источниками низкопотенциальной энергии могут быть наружный воздух, земное (грунтовое) тепло, тепло водоёмов и подземных вод.

С помощью тепловых насосов легко осуществляется рекуперация тепла из удаляемого вентиляционного воздуха, канализационных стоков, промышленных сбросов и от технологических процессов выделяющих тепло, что существенно сберегает тепловую энергию. Следовательно, тепловые насосы можно использовать не только для отопления и горячего водоснабжения, но и в интегрированной системе - для регенерации тепла из бытовых стоков и вентиляции.

Схема компоновки системы геотермального отопления
Познакомимся с устройством теплового насоса (ТН), извлекающего тепло из среды с невысокой положительной температурой и отдающего его в систему отопления жилища и на подогрев воды. Четыре основных узла конструкции ТН соединены герметичными трубопроводами, в которых циркулирует рабочая жидкость (вещество) с очень низкой температурой кипения при нормальном атмосферном давлении. При циркуляции рабочее вещество (его аналог в холодильнике называют хладагентом), находясь в испарителе, при низком давлении закипает и, испаряясь, поглощает низкопотенциальное тепло, принесённое из окружающей среды внешним контуром. Затем при затрате механической энергии (в нашем случае - путём сжатия в компрессоре) давление рабочего вещества, находящегося в газообразном состоянии, принудительно повышают, в результате чего оно разогревается до высокой температуры.

В конденсаторе (который служит теплообменником) теплота этого сжатого горячего теплоносителя нагревает воду в тепловом аккумуляторе, которую используют для системы отопления и горячего водоразбора. Отдав тепло, рабочее вещество компрессорного контура конденсируется и переходит из газообразного в жидкое состояние. Конденсат рабочего вещества, проходя через дроссельный клапан малого сечения, попадает в объём испарителя с меньшим давлением и вскипает при имеющейся в нём температуре. При этом температура ещё понижается, да так сильно, что в испарителе рабочее вещество опять может поглощать тепло окружающей среды, приносимое первичным контуром из земли или других источников -воды, воздуха, устройств регенерации тепла бытовых или промышленных сбросов. Таким образом реализуется непрерывный круговой процесс переноса теплоты с низкого температурного уровня на высокий.

Для этого требуются энергетические затраты, но они в несколько раз меньше получаемой энергии и, кроме того, расходуются с пользой вместе с привнесённым теплом. Для оценки эффективности ТН служит коэффициент преобразования, равный отношению отдаваемой насосом энергии к энергии, потребляемой компрессором для функционирования всей установки. В современных теплонасосных системах этот коэффициент имеет значение 3 и более. Не углубляясь в тонкости термодинамических процессов, необходимо отметить, что существует зависимость коэффициента преобразования от разности температур во входном и выходном контурах ТН. Чем меньше перепад этих температур, тем выше экономия расходуемой компрессором электроэнергии. Вот почему выгоднее обогревать дом тёплыми полами с температурой +35°С, чем стандартными радиаторами, нагретыми до +90°С.

Окружающая нас среда буквально насыщена теплом. Если температуру на поверхности Земли сравнить с температурой в космическом пространстве, то станет понятно, насколько тепло на нашей планете. Причём это тепло в обозримом будущем остаётся неисчерпаемым. Солнце нагревает земную поверхность, но и недра также отдают тепло верхним слоям грунта. Благодаря этому температура в грунте на глубине 5-5,5м и более практически постоянна. В средней полосе России она составляет +8°С. Низкопотенциальное тепло грунта - надёжный, постоянно пополняемый кладезь энергии. Исследования показали, что при максимальном отборе тепла скважиной ТН температура вокруг неё понижается на величину, которой можно пренебречь, так как она быстро восстанавливается и годами остаётся на одном уровне.

Использование тепла подземных вод
Подробнее остановимся на грунтовых ТН. Их можно разделить на несколько различающихся систем. Прежде всего это насосы с открытым циклом, когда вода, имеющая положительную температуру, забирается непосредственно из водоносного горизонта и после охлаждения при отборе тепла возвращается обратно. Более распространены системы с закрытым циклом, при котором теплоноситель прокачивается через замкнутый трубопроводный контур, который размещён в грунте.