Краткая история тепловых насосов
Энергетические кризисы 1973 и 1978 гг. дали толчок к развитию теплонасосных систем. В начале своего развития, геотермальные системы устанавливали только в дорогих домах. Но сегодня благодаря использованию современных технологий, геотермальные насосы стали доступны многим людям. Они устанавливаются в новых зданиях или заменяют устаревшее оборудование с сохранением или незначительной модификацией существующей системы отопления. В 1980-м году в Америке работало около 3 млн. тепловых насосов, в Японии – более 0,5 млн., в Европе – 0,15 млн. А уже в 1993 г. общее количество тепловых насосов в странах западной Европы составило свыше 12 млн. На сегодняшний день в США ежегодно изготавливается около 1 млн. геотермальных тепловых насосов. При строительстве новых зданий там используют только геотермальные тепловые насосы. В Швеции около 70% тепла обеспечивают тепловые насосы. В стокгольме 12% городского отопления происходит за счет геотермальных тепловых насосов общей мощностью 320 МВт. Эти насосы используют Балтийское море как источник тепла.

В Германии дают дотацию от государства на установку тепловых насосов в размере 200 евро за каждый кВт мощности тепловой установки.

В Финляндии, Швеции и Норвегии около 30% всего тепла производится тепловыми насосами. Как прогнозируют эксперты, к 2020 г. доля геотермальных тепловых насосов в теплоснабжении может вырасти до 75%.

В последнее время начали активно устанавливать геотермальные насосы в странах Прибалтики и в России. Геотермальные системы отопления безопасны и безвредны для экологии. Это подтверждается более чем 30-летним опытом использования геотермальных систем во многих странах, которые серьезно заботятся об окружающей среде.

Тепло Земли с точки зрения теплофизики
Внутренняя температура приповерхностного слоя Земли составляет около 10°С и не зависит от сезона: зимой она выше, а летом — ниже температуры воздуха. Естественно такая температура слишком низкая для того, чтобы ее можно было использовать. Но благодаря развитию теплофизики и технологии рефрижераторных установок появились способы превратить эту «низкокачественную» тепловую энергию в «высококачественную», которую можно использовать в тепловых системах.

Грунт является неиссякаемым источником тепловой энергии с точки зрения теплофизики. Получить это тепло грунта (или геотермальное тепло) можно с помощью тепловых насосов. Тепловой насос позволяет принимать тепло от низкотемпературного источника, преобразовывать в высокотемпературное и передавать его в теплоноситель различных систем отопления или нагрева.

Относительно простая геотермальная система отопления может преобразовать и направить в здание 3,5-4,5 кВт (или около 80 Мкал/сут.) тепловой энергии, затрачивая при этом на работу установки всего 1кВт электрической мощности. Летом эта же система может охлаждать помещения. Даже при экстремальных температурах окружающей среды геотермальные системы способны сохранить работоспособность и эффективность. При «отборе» тепла Земли используется ее верхний слой, который находится на глубине до 100 метров от поверхности. С точки зрения теплообмена этот слой грунта находится под воздействием лучистой энергии Солнца, радиогенного тепла из глубинных слоев Земли, конвективного теплообмена с атмосферным воздухом и теплопереноса за счет различных массообменных процессов, таких как дождь, таяние снега, грунтовая вода и т.д.

В различных справочниках приводятся классификации грунтов в зависимости от их теплопроводности, но чтобы точно определить теплопроводность грунтов нужно проводить экспериментальные исследования теплопроводности в месте предполагаемой установки оборудования. Также следует помнить, что теплопроводность грунта может изменяться в течение года. Она зависит от влажности, агрегатного состояния влаги в грунте и температуры. На глубине более 8 м температура земли практически постоянна в течение года (изменения составляют только 1/20 изменений на поверхности). Существует также такое понятие как температура грунта, которую обычно определяют по температуре грунтовых вод. В нашей стране эта температура приблизительно колеблется в пределах 8-10 °С.

Для Центральной Европы количество радиогенного тепла составляет около 0,05-0,12 Вт/м2. Есть два основных способа отбора геотермального тепла — с помощью открытых и закрытых контуров. При открытом контуре используют теплоту грунтовых вод, для чего производится доставка этих вод на поверхность, использование их теплоты и возврат в пласт.

При закрытом контуре используют теплоту грунта с помощью промежуточных теплообменников и теплоносителей. Системы с закрытыми контурами по типу теплообменников разделяют на горизонтальные и вертикальные. Оборудование закрытых контуров с вертикальными теплообменниками дороже, чем с горизонтальными теплообменниками. Но при этом закрытые контуры с горизонтальными теплообменниками занимают большие площади, что в некоторых случаях может быть очень важным условием.

В траншеях трубы обычно укладывают двумя способами: прямые и свитые в спираль трубы. Хотя иногда используют и другие способы, например, для улучшения теплообмена в некоторых случаях трубопроводы сверху прикрывают медными пластинками.

Выбор системы отопления производится еще на этапе проектирования и зависит от условий конкретного проекта. Теплообмен в грунтах является довольно сложным процессом, поэтому производители тепловых насосов решают этот вопрос по-разному.

В некоторых случаях рекомендуют использовать при расчетах усредненные значения теплообмена, а иногда производители могут предоставить конкретные значения для выпускаемых ими теплообменников, которые были получены после изучения и исследования грунтов.

Среди множества тепловых насосов, которые в качестве источника тепла используют тепло поверхностного слоя Земли, выделяются тепловые насосы EarthLinked с подземным теплообменником DIRECT AXXESS производства американской компании ECR Technologies Inc.

Основной особенностью этих насосов является U-образный трубопровод-испаритель с хладагентом, который используется для доступа к стабильной земной температуре. Хладагент подается прямо к источнику земного тепла, что обеспечивает высокую эффективность геотермальной системы отопления. В предварительно пробуренные скважины ниже глубины промерзания устанавливается испаритель (горизонтально или вертикально). Для этого, скважины диаметром 40-60 бурят вертикально или диагонально до глубины 15 или 30 м. Выбирая мощность теплового насоса, первым делом нужно определить теплопотери здания по методике, которая была разработана ECR Technologies Inc. или с помощью нашего приложения к СНиП 2.04.05-91 «Отопление, вентиляция, кондиционирование» с изменениями № 1,№2, которые были введены Госстроем Украины в 1996 и 1999 годах.

Также следует помнить, что установку теплового насоса нужно рассматривать как комплексное решение задачи по энергосбережению. Это значит, что кроме установки энергосберегающей геотермальной системы отопления необходимо также снижать тепловые потери здания до уровня, при котором для отопления здания будет достаточно 50 Вт/м2. Только в таком случае проект может считаться энергосберегающим. Во многих странах, где разработаны специальные программы по энергосбережению, такие проекты с установкой геотермальной системы отопления финансово поддерживаются государством.