Автономный дом: Энергия тепла земли

Серия статей посвященных автономному существованию вашего коттеджа расскажут о возможностях применения возобновляемых и нетрадиционных источников энергии (ВНИЭ), достоинствах и недостатков различных решений, сроках окупаемости и многом другом.

Энергия тепла земли в теории

Если сравнивать принципы работы геотермальной энергетики с другими способами генерирования электрической энергии или тепловой, то следует отметить, что ветроэнергетика, солнечная энергетика и энергия биотоплива занимаются именно генерированием энергии от внешних источников. В случае с геотермальной энергетикой тепло или электрическая энергия не генерируется, а «переносится» в виде тепла из одной системы в другую. В этом ее особенность и уникальность. Зачем затрачиваться на добычу энергоресурсов, их погрузку, траспортировку и последующую разгрузку…? Все что необходимо для создания тепла у нас под носом, а если быть совсем точным, то под ногами. Почва на определенной глубине (обычно от 2ух метров) всегда имеет положительную температуру и чаще всего эта температура выше, чем температура на поверхности. Уверен, что многие не раз наблюдали ранним утром ремонтные работы дороги или водопроводных труб, когда из вырытой ямы поднимается пар. Всего-навсего каких-нибудь пара метров и уже относительно значительный перепад температур. Используя технологические решения, это тепло недр земли можно перенести в дом для отопления пола, стен или … нагрева воды или охлаждения воздуха. Такое технологическое решение назвали тепловым насосом и принцип его работы аналогичен всеми любимому кухонному агрегату – холодильнику.

Как и тепловой насос, холодильник забирает тепло из одной системы (холодильная камера) и переносит его в другую систему (помещение), тем самым нагревая радиаторы на тыльной стороне своего корпуса. Разница лишь в том, что холодильник забирает тепло из камеры и отдает это тепло внешней среде. В случае с тепловым насосом, все наоборот, он забирает тепло из внешней среды и переносит его в помещение (к объекту).

Технология отбора тепла

В землю зарывается контур (внешний контур), он представляет из себя замкнутую систему полиэтиленовых труб по которым циркулирует теплоноситель. Для эффективной работы теплового насоса необходимо, чтобы точка замерзания теплоносителя была ниже нуля, поэтому в качестве теплоносителя в данном случае служит смесь воды и антифриза. Перегоняясь насосом по трубам, теплоноситель нагревается на несколько градусов за  счет тепла грунт. После чего уже нагретым попадает в теплообменник, в данном случае теплообменник является испарителем. По внутреннему контуру циркулирует хладагент с низкой температурой кипения. Температуры теплоносителя вполне хватит, для того чтобы хладагент вскипел и превратился в пар при этом забрав тепло у теплоносителя. После чего газообразный хладагент закачивается компрессором, где он сжимается и его температура повышается. Далее сжатый и нагретый хладагент попадает в конденсатор, где происходит отдача тепла теплоносителю, который циркулирует по контуру отапливаемого объекта. После этого уже остывший хладагент в жидком состоянии возвращается обратно в испаритель где его нагревает теплоноситель из внешнего контура.

Эффективность теплового насоса

Если говорить об эффективности такого альтернативного решения как тепловой насос, следует уяснить его коэффициент полезности. На страницах интернета иногда встречаются статьи, в которых автор утверждает, что тепловой насос имеет КПД больший чем 100%, а именно 300-400%, то есть, по сути, тепловой насос – вечный двигатель. Но, как известно из курса школьной физике это невозможно. Во-первых, потому что тепловой насос не берет энергию ниоткуда, он берет ее из объекта, масса и размеры которого гораздо больше, чем отапливаемый объект. Во-вторых, для целой системы как тепловой насос правильно будет использовать понятие Коэффициента Передачи Тепла (КПТ), а не КПД. Действительно, затратив одно количество электрической энергии из сети на собственные нужды, насос в виде тепла принесет в 3-6 раз больше из внешнего источника (грунт, вода, воздух), но эта энергия взята из объекта, который находится в одной системе с отапливаемым объектом, что не позволяет такое отношение называть КПД.

Несколько фактов о тепловом насосе:
•    В США ежегодно производится около 1 млн. тепловых насосов.
•    В Японии ежегодно производится около 3 млн. тепловых насосов.
•    В Швеции 50% всего отопления обеспечивается тепловыми насосами. 12% всего отопления Стокгольма обеспечивают ТН общей мощностью 320 МВт, которые используют как источник тепла Балтийское море при среднегодовой температурой восемь градусов Цельсия.
•    В 2001 году в Швейцарии в каждом третьем новопостроенном здании устанавливались ТН (данных по другим годам нет). На каждые два квадратные километра территории Швейцарии (включая леса, гори и водоемы) установлен один ТН.
•    В доме Президента США Джорджа Буша в Техасе с 2001 года установлен геотермальный тепловой насос, что позволяет уменьшить расходы на отопление и кондиционирование на 75%.
•    “Королева бурит скважину для отопления дворца” сообщила лондонская газета Таймс 21.08.2005 про планы строительства ТН для отопления Букингемского дворца.
•    Сэр Элтон Джон в ноябре 2003 года установил ТН для отопления собственного особняка (Виндзор, Великобритания).
•    По прогнозам Мирового Энергетического Комитета в 2020 году в мире доля ТН в теплоснабжении составит 75%.