Геотермальний тепловий насос: джерело, SCOP, охолодження

Геотермальні теплові насоси

Геотермальний тепловий насос бере тепло не з повітря, а з землі: з ґрунту, свердловини або водойми, де температура впродовж року майже не змінюється. Саме стала температура джерела робить такі машини найощадливішими у своєму класі — і додає влітку режим, якого повітряні моделі не мають зовсім. Нижче розібрано, звідки береться це тепло, скільки місця потрібно контуру, що показує сезонний коефіцієнт SCOP і з чого складаються роботи на об’єкті.

Україна — країна з помірно континентальним кліматом, тому питання опалення виникає ще на етапі проєктування будь-якої будівлі. Джерелом теплової енергії можуть бути природний газ, інші вуглеводні, деревина та продукти її переробки, електроенергія. Вартість природного газу неухильно зростає, тому використовувати його економічно недоцільно. Ціна електроенергії теж висока — але існує обладнання, здатне перетворювати її на тепло з високою ефективністю й суттєво знижувати витрати. Ідеться про геотермальні теплові насоси.

Опалення геотермальним тепловим насосом винайшли у Швеції в другій половині минулого століття, а перше серійне обладнання зійшло з конвеєра на початку 70-х років. Сьогодні його можна купити і в Україні — завдяки компанії Noviterm. Крім постачання, фахівці компанії виконують розрахунок і проєктування системи опалення на основі геотермального теплового насоса.

Геотермальний тепловий насос — переваги використання

Геотермальне обладнання збирає тепло з ґрунту або води, пропускаючи теплоносій крізь їхні шари за постійної циркуляції в тепловому насосі. Такі теплонасоси забезпечують:

обігрів приміщень узимку;
кондиціювання (охолодження) повітря спекотного літа.

Коефіцієнт корисної дії такого обладнання значно перевищує одиницю, тому воно дозволяє заощаджувати до 80% електроенергії. Витративши всього 1 кВт електрики, ви отримаєте близько 6 кВт тепла. Одночасно з опаленням можна нагрівати воду для побутових потреб: залежно від застосованої технології температура води в баку бойлера сягає 60 або 80 градусів Цельсія.

Щоб кондиціювати приміщення, знадобиться додатковий блок активного чи пасивного холоду, а також холодна стеля та/або стіни в приміщенні або система фанкойлів. Електроенергія при цьому витрачається лише на циркуляцію теплоносія в контурі — тому такий спосіб кондиціювання можна вважати найефективнішим.

Моделі геотермальних теплових насосів з інверторним компресором дозволяють плавно регулювати теплову потужність відповідно до поточних потреб і погодних умов. Контролер, що навчається, може самостійно знижувати температуру нагріву гарячої води, коли в будинку нікого немає, — і це заощаджує електроенергію додатково.

Звідки береться тепло: ґрунт, свердловина, водойма

Зовнішній контур теплового насоса називають колектором. Це замкнена система поліетиленових труб, закладених у середовище, з якого знімають тепло, — у ґрунт, у свердловину або у водойму. Усередині циркулює розсіл, незамерзаюча суміш на основі спирту чи гліколю: проходячи трубами, він нагрівається на кілька градусів і віддає зібрану енергію фреоновому контуру у випарнику. Далі роботу виконує компресор, а джерело залишається тим самим цілий рік.

Ґрунт

Горизонтальний колектор укладають петлями приблизно на півтора метра. Він знімає не тепло надр, а сонячну енергію, яку верхній шар землі накопичив за літо. Півтора метра — компроміс: вище проходить зона промерзання, глибше вже слабо доходять літнє тепло й дощова вода, і ґрунт не встигає відновити віддану за зиму енергію до наступного сезону.

Свердловина

Вертикальні зонди опускають нижче зони промерзання, де сезонні коливання практично зникають. Сумарну довжину зондів рахують під тепловтрати будинку й геологію ділянки, а вже потім ділять на кількість стволів. Для системи тепловий насос земля-вода кілька петель з’єднують паралельно в спільний колектор, і обладнання сприймає їх як єдиний контур.

Водойма

Якщо поруч із будинком є водойма, контур укладають у неї. Земляних робіт при цьому мінімум, а вода на глибині залишається помітно стабільнішою за зимове повітря.

Стабільність — головне, за що цінують глибину. Верхні шари землі працюють як акумулятор сонячної енергії: літнє тепло повільно просочується вниз, а нижче зони промерзання сезонні стрибки температури вже не відчутні. На робочій глибині зонд щоразу зустрічає ті самі +8…+12 °C — і в січні, і в липні. Повітря ж найхолодніше саме тоді, коли будинок потребує тепла найбільше, тому повітряним машинам доводиться працювати в найгіршій для себе точці саме в мороз.

Вертикальні зонди проти горизонтального колектора

Обидві схеми дають те саме — стабільне низькотемпературне джерело. Різниця в тому, чим за нього платити: вільною площею ділянки чи бурінням.

Горизонтальний колектор потребує землі: робоче правило — площа контуру у 2–3 рази більша за опалювану площу будинку, тобто дві-три сотки на кожні 100 м². Вилку задає ґрунт: волога щільна земля проводить тепло охоче, і контур виходить компактнішим, а сухий пісок віддає неохоче, тому труб доводиться закладати відчутно більше. З наявних соток одразу віднімають усе зайняте — пляму будинку й гаража, септик, траси водопроводу та кабелів, сад. Над контуром добре почувається газон і клумби з неглибоким корінням, а дерева, тераси на фундаменті й суцільний бетон виключені: під ними земля не поповнює запас тепла.

Вертикальні зонди займають на подвір’ї лічені квадратні метри й не чіпають ландшафт, але вимагають бурової установки та зручного заїзду для неї. Тому вибір зазвичай виглядає так: є вільна ділянка й можливість земляних робіт — рахують колектор; двір тісний або ландшафт уже готовий — бурять свердловини.

Джерело тепла, температура взимку й потрібне місце

Джерело тепла	Температура взимку	Потрібне місце
Вертикальні зонди у свердловині	+8…+12 °C, стабільно цілий рік	Кілька квадратних метрів плюс заїзд для бурової
Горизонтальний колектор у ґрунті	Вище нуля, але із сезонним коливанням	2–3 сотки вільної землі на кожні 100 м² будинку
Водойма поруч із будинком	Стабільніша за повітря, залежить від глибини	Сама водойма, земляних робіт мінімум
Зовнішнє повітря	Падає разом із погодою, робота до −25 °C	Майданчик під зовнішній блок біля стіни

SCOP: чому геотермальні теплові насоси найефективніші

Сезонний коефіцієнт SCOP визначають за європейською методикою EN 14825: він показує, скільки кіловат-годин тепла машина віддає за опалювальний сезон на кожну спожиту кіловат-годину електрики. На відміну від миттєвого COP, виміряного в одній лабораторній точці, SCOP уже враховує часткове навантаження, цикли відтавання й режим очікування — тобто реальну зиму з морозами та відлигами.

Саме тут стала температура джерела дає перевагу. У ґрунтових машин сезонна цифра тримається поруч із максимальною: тепловий насос Thermia Atlas показує SCOP до 6,15, компактна Calibra — 5,96. Повітряні моделі залежать від погоди, тож їхній SCOP лежить у межах 3–5, причому та сама машина в Карпатах і на півдні країни дасть різні сезонні цифри. Прикинути споживання нескладно: річну потребу будинку в теплі ділять на SCOP обраної моделі — вийде прогноз витрати електрики за сезон.

Пасивне охолодження влітку

Улітку розсіл у ґрунтовому контурі залишається холоднішим за вуличне повітря, і цього достатньо, щоб охолоджувати будинок. Напрямок змінюється, але холодильний цикл не вмикається: розсіл заходить у додатковий теплообмінник, а той віддає прохолоду воді системи — контурам теплої підлоги, фанкойлам або стельовим панелям. Компресор при цьому мовчить, працює лише циркуляційний насос — близько 0,2 кВт.

Холод тут не виробляється, а переноситься: тепло з кімнат іде в породу навколо свердловини й заразом відновлює температуру ґрунту до початку опалювального сезону. Обмеження одне — поверхня підлоги чи стельової панелі не повинна опускатися нижче точки роси, інакше на ній виступить волога, тому контролер стежить за вологістю й обмежує температуру подачі. Повітряні машини так не вміють у принципі: вони охолоджують реверсом холодильного циклу, тобто завжди з компресором. Обидва режими та межі їхнього застосування розібрані окремо — кондиціонування тепловим насосом.

Що входить у роботи й від чого залежить кошторис

Послідовність робіт не змінюється від об’єкта до об’єкта:

розрахунок тепловтрат будинку й підбір потужності обладнання;
оцінка ділянки та геології, проєктування зовнішнього контуру;
земляні роботи під колектор або буріння свердловин, опресування контуру до засипання;
монтаж у котельні, обв’язка, підключення до електрощита;
пусконалагодження: крива опалення, пріоритет гарячої води, літній режим.

Кошторис формує не одна позиція, а весь ланцюжок рішень. Найбільше важать тепловтрати будинку — утеплення стін, площа засклення, висота стель. Далі йде спосіб розподілу тепла: тепла підлога дозволяє низьку температуру подачі й найвигідніший для насоса режим, старі радіатори вимагають гарячішої води. Третій чинник — саме джерело: земляні роботи чи буріння, а також ґрунт, бо вологий суглинок віддає тепло краще за сухий пісок. Окремими рядками йдуть гаряча вода й охолодження, і закладати їх варто одразу, а не через рік.

У котельні до самого насоса додається обв’язка: циркуляційні насоси, розширювальні баки, буферна ємність і бак гарячої води. Тепло воді передає змійовик збільшеної площі — насос подає теплоносій із нижчою температурою, ніж котел, тому поверхня теплообміну має бути більшою. Частину задачі знімає вбудована ємність: в Atlas це бак із пошаровим нагрівом TWS, у якому першими прогріваються верхні шари, тож душ доступний ще до нагріву всього об’єму. Буферні ємності Thermia виготовлені з травленої нержавіючої сталі, і жертовного анода конструкція не передбачає — перевіряти й міняти нема чого. Точну картину дає лише розрахунок за проєктом: план поверхів, конструкції стін, бажана температура в кімнатах, тип опалення та план ділянки.

Геотермальне опалення під ключ від Новітерм

Компанія Noviterm, заснована 2007 року, однією з перших в Україні почала проєктувати енергоефективні системи опалення на основі геотермальних теплових насосів шведської компанії Thermia. Сьогодні фахівці компанії пропонують клієнтам повний пакет послуг зі створення ефективної та економної системи опалення:

розрахунок і проєктування;
допомога у виборі та купівлі обладнання;
авторизований монтаж на об’єкті.

Комплексний підхід дає найкращий результат. Прямі постачання геотермальних теплових насосів від шведського виробника Thermia йдуть без посередників — обладнання приходить зі Швеції із заводською гарантією, а не з сірого імпорту. На все обладнання діє п’ятирічна гарантія. Заощаджуйте власні кошти на опаленні, кондиціюванні приміщень і підігріві гарячої води разом із компанією Noviterm.

Практична частина розібрана окремо: контур із кластерним бурінням — коли ділянка мала, і монтаж геотермального теплового насоса — як проходить встановлення крок за кроком.

Геотермальні теплові насоси в Україні постачає та встановлює «Новітерм»: розрахунок контуру, буріння свердловин, монтаж і пусконалагодження — в одних руках.