Geotermalna toplotna črpalka z lastnimi rokami za ogrevanje doma: naprava, načrtovanje, samostojna sestava

Ogrevanje in oskrbo s toplo vodo zasebne hiše je mogoče organizirati na različne načine, na primer priključitev na centralno plinsko oskrbo ali prehod ogrevalnih sistemov na porabo električne energije. Se strinjate?

Lahko pa sestavite geotermalno toplotno črpalko z lastnimi rokami in učinkovito uporabite toploto zemlje za ustvarjanje udobnih življenjskih pogojev. Seveda je to precej zahteven proces, a za tiste, ki se vsaj malo spoznavajo na tehniko, ne bo predstavljalo velikega truda.

V našem članku bomo govorili o načelih delovanja in vrstah geotermalnih naprav. Povedali vam bomo, kako iz priročnih materialov samostojno sestaviti toplotno črpalko. Poleg tega boste v članku našli nasvete strokovnjakov o izbiri geoagregatov. In objavljeni videoposnetki bodo razkrili skrivnosti montaže in načela delovanja geotermalnih črpalk.

Kako deluje toplotni geoagregat?

Algoritem delovanja geotermalne toplotne črpalke temelji na prenosu toplote od vira z nizkim potencialom toplotne energije do toplotnega nosilca. Zemlja tu poleti igra vlogo radiatorja in je pozimi aktiven vir toplote.

Razlika v temperaturi tal pomaga povečati splošno učinkovitost sistema in prispeva k znižanju dejanskih obratovalnih stroškov.

V osnovi delovanja geotermalne toplotne črpalke je pojav, kot je toplotna vztrajnost. Temperatura tal na globini od 6 metrov in nižje se skoraj natančno ujema s povprečno letno temperaturo zraka v regiji in se skozi celotno koledarsko leto zelo malo spreminja.

V praksi v cevovod, nameščen v tleh, vstopa delujoči toplotni nosilec in se tam segreje za nekaj stopinj. Nato gre sestava v toplotno izmenjalno enoto (ali uparjalnik) in prenese nakopičeno toplotno energijo na notranji sistemski krog.

Načelo delovanja geotermalnih naprav je podobno delovanju hladilnih sistemov. Prav zato nekatere vrste toplotnih črpalk poleti uspešno uporabljamo kot klimatske naprave in z njihovo pomočjo hladimo zrak v bivalnih prostorih.

Hladilno sredstvo, ki deluje v zunanjem krogu, se segreva v uparjalniku, pretvori v plin in vstopi v kompresor. Tam se stisne pod vplivom visokega tlaka in postane še bolj vroče.

Vroč plin preide v kondenzacijsko napravo in odda toplotno energijo delovnemu toplotnemu nosilcu notranjega sistema, ki skrbi za ogrevanje hiše. Po koncu procesa se hladilno sredstvo, ki je izgubilo toploto, vrne v začetno točko v tekočem stanju.

Kakšne so geotermalne naprave?

Geotermalne toplotne črpalke se med seboj razlikujejo po vrsti toplotnega nosilca v notranjem in zunanjem krogu konstrukcije. Energijo naprave pridobivajo iz tal, vode (podtalnice ali odprtega naravnega vodnega telesa) ali zraka.

V bivalnem prostoru se toplotni vir uporablja za ogrevanje prostorov, segrevanje vode in klimatizacijo zraka. Glede na kombinacijo uporabljenih elementov in funkcij se sistemi razvrščajo v tipe: »tla–voda«, »voda–voda« in »zrak–voda«.

Možnost #1. Sestava po tehnologiji »zemlja-voda«

Črpalka »tla–voda« – ena najučinkovitejših možnosti alternativnega ogrevanja za bivalne prostore. Načelo njenega delovanja temelji na odvzemu toplotne energije iz tal s pomočjo sond ali kolektorjev in njenem prenosu v domači vodni ogrevalni sistem.

Geotermalne toplotne črpalke »tla–voda« – so visokotehnološke napredne naprave. Odlikuje jih izjemna zanesljivost in kažejo visoko stopnjo izkoristka. Ne potrebujejo stalnega posega lastnikov v delovanje, vendar potrebujejo strokovno servisno vzdrževanje.

Tehnologijo pomaga izvajati posebna naprava, sestavljena iz geotermalnega toplotnega izmenjevalnika, nameščenega pod globino dejanskega zmrzovanja tal, in same toplotne črpalke, ki deluje kot hladilnik, le obratno (obratni Carnotov cikel).

Kako naprava deluje?

Naprava »tla–voda«, ki ogreva bivalne prostore z obnovljivo toploto, ki jo proizvaja zemlja, deluje po naslednjem algoritmu:

1. Delovna tekočina (slanica ali antifriz), ki se premika po geotermalnem krogu, prevzame temperaturo tal in se s pomočjo črpalke prenese v toplotni izmenjevalnik – uparjalnik. Tam odda zbrano toploto freonu, sama pa, ko postane hladnejša za 2–5 °C, se vrne v začetno točko.
2. Z toplotno energijo obogaten freon izhlapi in v plinastem stanju vstopi v kompresorsko napravo. Tam se temperatura plina poveča zaradi stiskanja in nastane kondenzat.
3. Toplotna energija se prenese toplotnemu nosilcu v domačem ogrevalnem sistemu, freon pa ponovno prevzame tekočo obliko. Njegov tlak pade po prehodu skozi razbremenilni ventil sistema in hladilno sredstvo se vrne nazaj v uparjalnik, da zbere naslednjo količino vira.

Kot rezultat tega postopka količina toplotne energije, odvzete iz zemlje in prenesene v ogrevalni sistem stanovanjske hiše, več kot 4-krat presega količino električne energije, porabljene za zagotovitev pravilnega delovanja kompresorske enote, obtočne črpalke in krmilne enote.

Glikolna mešanica z dobrim indeksom viskoznosti, voda z alkoholom ali slana raztopina – prav take nemrzleče tekočine se uporabljajo v sistemu "zemlja-voda". So okoljsko varne, učinkovito sprejemajo toploto in jo prenašajo do črpalne postaje.

Kot dodatni bonus lahko navedemo tudi to, da ima sistem možnost delovati v obratni smeri, torej za hlajenje. Res je, da izguba učinkovitosti doseže 20 %, vendar se to šteje za upravičeno glede na visoko ogrevalno zmogljivost opreme.

Možnosti namestitve sistemov "zemlja-voda"

Za ustvarjanje zunanjega kroga sistema "zemlja-voda" se uporabljajo polimerne cevi visoke trdnosti z dobrimi obratovalnimi lastnostmi. Nameščajo se vodoravno, položene na dno izkopa na način, ki spominja na ureditev komunikacij za sisteme "talno ogrevanje".

Toplotna črpalka "zemlja-voda" je zanesljiva, učinkovita in tiha pri delovanju, vendar njena namestitev stane precej denarja in vzame veliko časa (vsaj 1 mesec za gradbeno-montažna in nastavitvena dela). To točko je treba vsekakor upoštevati, preden se odločite za ogrevalni sistem tega tipa.

Pri namestitvi se uporablja površina v izračunu 25–50 m² na vsak posamezen kilovat moči vgrajene črpalke. Globina izkopa se izbere pod mejo zmrzovanja, natančne dimenzije in korak polaganja cevi pa se določijo z dodatnim izračunom.

Lastnikom velikih zemljišč, ki so za ogrevanje hiše izbrali geotermalno toplotno črpalko tipa "zemlja-voda", je smiselno namestiti vodoravne kolektorje. Lastnikom majhnih parcel bolj ustreza namestitev globinskih sond, saj segajo daleč v zemljo in ne "požrejo" uporabne površine ob hiši.

Območja, na katerih so urejene komunikacije geotermalnih sistemov "zemlja-voda", se za kmetijske potrebe ne uporabljajo več. Na njih lahko uredite lepo travnato trato ali gredico s cvetočimi enoletnicami.

Vertikalna namestitev je veliko bolj problematična in vključuje uporabo profesionalne opreme. Na parceli s pomočjo vrtalne naprave izvrtajo vrtino globine od 20 do 150 m, vanjo spustijo posebno geotermalno sondo in jo priključijo na črpalko, ki dovaja delovno tekočino v domači ogrevalni sistem.

Vertikalna sonda za geotermalni sistem »tla–voda« predstavlja glavo s priključenimi cevmi. Potopijo jo v vrtino globine 18 m ali več. Natančno število vrtin in sond, zahtevano globino potopitve in dejanski premer cevovoda izračunajo posebej za vsak posamezen primer na podlagi informacij, pridobljenih z geološkimi raziskavami, ki so jih na mestu opravili strokovnjaki.

Sonde cevi, ki izhajajo iz izvrtanih vrtin, vstopajo v zbiralni jašek. Od njega do toplotne črpalke potekata dva glavna voda (dovodni in povratni), opremljena z izolacijsko prevleko. Premer glavnega voda je odvisen od skupne prostornine sistema in prostora, ki ga je treba ogrevati. Včasih parametri dosežejo 160 mm.

Po približnih izračunih bo za ogrevanje stanovanjske hiše s površino približno 100 m² potrebno približno 7,5 kWh energije. Vertikalne sonde za ustvarjanje ogrevalnega sistema »tla–voda« bo v tem primeru treba spustiti v zemljo na 110–115 metrov ali pa za horizontalne komunikacije zavzeti 250 m² sosednjega zemljišča (+).

Ker je na globini temperatura tal vedno višja in stabilnejša zaradi vpliva zemeljskega jedra, je vertikalni način polaganja ogrevalnega sistema priznan kot najbolj učinkovit. Izkazuje visoko stopnjo izkoristka in zanesljivo deluje več let, brez napak in okvar.

Možnost #2. Značilnosti toplotnih črpalk »voda-voda«

Geotermalni sistem »voda–voda« pri delu uporablja toplotno energijo vodnega vira. To je mogoče, ker na veliki globini temperatura vode, podobno kot temperatura tal, ostaja precej visoka in skozi vse leto ohranja stabilne stalne vrednosti.

Za ureditev sistema »voda–voda« in pridobivanje nizkopotenčne toplotne energije je mogoče uporabiti odprta vodna telesa (jezera, reke), vodnjake, vrtine in celo odpadne vode tehnoloških ciklov industrijskih proizvodenj (povratno vodovodno oskrbo).

Bistvene konstrukcijske razlike med toplotno črpalko »tla–voda« in »voda–voda« ni. Toda najmanj finančnih in delovnih stroškov zahteva sistem, urejen na podlagi odprtega vodnega telesa. Za montažo niso potrebna obsežna vrtalna dela.

Cevni material s toplotnim nosilcem preprosto opremijo z utežjo, potopijo v vodo in prek povezovalnih komunikacij priključijo na domači ogrevalni sistem.

Vendar je takšna možnost mogoča le, če zemljišče neposredno meji na vodo in so vsi komunikacijski deli sistema pod nadzorom lastnikov. Če do odprtega vodnega telesa ni dostopa, uporabijo potencial podtalnice.

Res pa je, da to zahteva obsežna zemeljska dela in gradnjo zapletenih konstrukcij, na primer dodatnega vodnjaka, namenjenega odvajanju vode, ki prehaja skozi toplotni izmenjevalnik.

Pri namestitvi toplotne črpalke »voda-voda« se uredita ne ena, ampak dve vrtini. Skozi eno se črpa delovna voda in po prehodu skozi toplotni izmenjevalnik se preusmeri v drugo, ki je nameščena v smeri podzemnih tokov. Pri postavitvi je treba upoštevati, da mora biti sprejemna vrtina od dajalne oddaljena vsaj 6 metrov in mora biti zagotovo nižje v toku.

Običajno se naprave tipa »voda-voda« nameščajo tam, kjer ni mogoče priključiti centralnih komunalnih napeljav ali uporabiti drugih vrst toplotnih nosilcev.

Strokovnjaki trdijo, da je alternativno ogrevanje tega tipa izjemno učinkovito v sodobnih stavbah, ki imajo minimalne toplotne izgube.

Pri izdelavi in polaganju geotermalnih ogrevalnih sistemov »voda-voda« z lastnimi rokami je zelo pomembno uporabljati materiale z visoko stopnjo odpornosti proti koroziji, zmrzovanju in drugim agresivnim vplivom okolja. Tako bo oprema delovala dolgo in lastniku ne bo povzročala nobenih težav.

Če je hiša dobro izolirana, zaščitena pred prepihom, vlago in vdorom mrzlega zraka ali zgrajena z uporabo sodobnih toplotnoizolacijskih tehnologij, se strošek ogrevalnega sistema bistveno zmanjša zaradi možnosti nakupa črpalne opreme precej manjše moči.

Možnost #3. Vzpostavitev sistemov »zrak-voda«

Toplotna črpalka »zrak-voda« za delovanje uporablja najbolj dostopen, neomejen in obnovljiv naravni energetski vir – zrak. Oprema deluje s pomočjo ventilatorjev in uparjalnikov, združenih v enoten kompleks.

Največjo učinkovitost dosega pri temperaturah do -15 °C. Pri bolj agresivnih vrednostih izgubi precejšen del moči.

Toplotna črpalka »zrak-voda« je precej cenejša od modelov »voda-voda« in »zemlja-voda«. Modul je primeren za regije z relativno toplimi zimami. V hladnih severnih območjih, kjer so zmrzali nižje od -20…25 °C, namestitev zračne opreme velja za neupravičeno.

Agregat je izjemno priročen, ker od lastnikov zasebne hiše ne zahteva specialne mehanizacije za montažo in izvedbo zahtevnih namestitvenih del.

Ne potrebuje izkopa zemlje, vrtanja vrtin in drugih napornih opravil. Enostavno se montira in ne zavzame veliko prostora. Lahko pravilno deluje, nameščen na strehi bivalnega objekta.

Geotermalno črpalko zrak–voda lahko namestite na parcelo neposredno v bližini stanovanjskih objektov. Deluje tiho in ima sodoben privlačen videz, ki ne kvari celotnega dizajna območja.

Med glavne prednosti opreme spadata praktično tiha delovanje in možnost ponovne uporabe toplote, ki je iz ogrevanega prostora odšla v obliki odpadnega zraka, vode, plina, dima itd.

Vzdrževanje sistema lastniki izvajajo sami:

• čistijo ventilatorne lopatice in zaščitne rešetke na izparilni napravi pred prahom, drobnimi smetmi in listi;
• mažejo kompresor s posebno sestavo, ki jo proizvajalec navaja v navodilih;
• menjajo olje v pogonskih sklopih (ventilator, kompresor) z določeno periodičnostjo;
• preverjajo celovitost napajalnega kabla in bakrenega cevovoda, po katerem hladilno sredstvo kroži v sistemu.

Poleg teh dejanj proizvajalci črpalne opreme strankam močno priporočajo, naj nadzorujejo stanje toplotnih senzorjev, ki odražajo delovanje krmilne enote.

Treba jih je obrisati, skrbno odstraniti prah in oljne madeže s površine. To bo podaljšalo »življenje« sistema zrak–zrak in naredilo postopek uporabe enostavnejši in udobnejši.

Kako narediti agregat z lastnimi rokami?

Ne glede na to, katera različica vira (zemlja, voda ali zrak) je izbrana za ogrevanje, bo za pravilno delovanje sistema potrebna črpalka.

To napravo sestavljajo naslednji elementi:

• kompresorski sklop (vmesni element kompleksa);
• izparilnik, ki prenaša nizkoptencialno energijo toplotnemu nosilcu;
• dušilni ventil, skozi katerega hladilno sredstvo najde pot nazaj v izparilnik;
• kondenzator, kjer freon preda toplotno energijo in se ohladi na začetno temperaturo.

Lahko kupite celovit sistem pri proizvajalcu, vendar bo to stalo precejšnjo vsoto. Če nimate prostega denarja pri roki, je vredno narediti toplotno črpalko sami iz razpoložljivih delov in po potrebi dokupiti manjkajoče rezervne dele.

Pri načrtovanju namestitve geotermalnega ogrevalnega sistema v zasebni hiši je treba najprej poskrbeti za zmanjšanje toplotnih izgub. Za to je treba stene izolirati s posebnim materialom, vrata in okenske okvire opremiti s penastimi tesnili, tla in strop pa zaščititi s stiropor ploščami. Tako bo toplota, ki jo črpalka sprosti, v največji možni meri ostala v prostoru.

Ko je odločitev o lastnoročni izdelavi toplotne črpalke sprejeta, je treba obvezno preveriti stanje električne napeljave in električnega števca v hiši.

Če so ti elementi obrabljeni in stari, je treba pregledati vse odseke, odkriti morebitne napake in jih odpraviti še pred začetkom del. Potem bo sistem takoj po zagonu brezhibno deloval in ne bo motil lastnikov s kratkimi stiki, vžigom napeljave in izbijanjem varovalk.

Način #1. Sestava iz hladilnika

Za sestavljanje toplotne črpalke z lastnimi rokami s starega hladilnika odstranimo zadaj nameščeno spiralo. Ta del uporabimo kot kondenzator in ga namestimo v visoko trpežno posodo, odporno na agresivne temperature. Nanj pritrdimo pravilno delujoč kompresor, kot uparjalnik pa uporabimo preprost plastični sod.

Če za izdelavo črpalke uporabite zelo star hladilnik, je bolje, da v njem zamenjate freon z novim. Tega sami ne morete storiti, zato boste morali povabiti mojstra s posebno opremo. Hitro bo zamenjal delovno tekočino in sistem bo začel delovati v želenem načinu.

Pripravljene elemente povežemo med seboj, nato pa izdelano enoto preko polimernih cevi priključimo na ogrevalni sistem in začnemo z uporabo opreme.

Natančna navodila za sestavljanje toplotne črpalke iz hladilnika so opisana v tem članku.

Način #2. Toplotna črpalka iz klimatske naprave

Da bi naredili toplotno črpalko, klimatsko napravo predelamo in preuredimo nekatere glavne komponente. Najprej zunanjo in notranjo enoto zamenjamo.

Uparjalnika, ki je odgovoren za prenos nizkotemperaturne toplote, ne dodajamo posebej, saj je prisoten v notranji enoti naprave, kondenzator, ki prenaša toplotno energijo, pa je v zunanji enoti. Kot toplotni nosilec sta primerna tako zrak kot voda.

Če ta možnost namestitve ni primerna, kondenzator namestimo v ločen rezervoar, namenjen pravilni izmenjavi toplote med ogrevalnim virom in toplotnim nosilcem.

Sam sistem opremimo s štiripotnim ventilom. Za to delo običajno povabimo strokovnjaka, ki ima strokovna znanja in izkušnje pri izvajanju tovrstnih del.

Sodobni split sistemi so pri nizkih temperaturah neučinkoviti, zato strokovnjaki ne priporočajo njihove uporabe za lastnoročno izdelavo toplotnih črpalk.

V tretji možnosti klimatsko napravo popolnoma razstavimo na sestavne dele, nato pa iz njih sestavimo črpalko po tradicionalni splošno sprejeti shemi: uparjalnik, kompresor, kondenzator. Končano napravo priključimo na opremo za ogrevanje hiše in začnemo z uporabo.

Na spletni strani je serija člankov o izdelavi toplotnih črpalk z lastnimi rokami, priporočamo, da si jih ogledate:

1. Kako izdelati toplotno črpalko za ogrevanje hiše z lastnimi rokami: princip delovanja in sheme montaže
2. Kako izdelati toplotno črpalko zrak-voda: sheme naprave in samostojna montaža

Nasveti za izbiro sistema

Namestitev opreme tipa 'zemlja-voda' je dražja od vseh drugih možnosti, ker zahteva globoka zemeljska dela pri vertikalni postavitvi opreme ali veliko prosto površino parcele pri horizontalni postavitvi komunikacij.

Ti parametri omejujejo uporabo sistema in bistveno zmanjšujejo njegovo privlačnost.

Namestitev črpalke »voda-voda« ima prav tako nekaj omejitev. Če je v bližini dostopen vodni vir, lahko sistem postavite vanj. Odsotnost odprtih voda bo zahtevala vrtanje vrtin in odvodnih jaškov, kar prav tako ni poceni.

Črpalka »zrak-voda« ne predstavlja težav pri namestitvi in lahko pravilno deluje tudi v večstanovanjskih stavbah, vendar pri hudih zimah z nizkimi temperaturami njena učinkovitost pade, za njeno podporo pa je potreben vzporedni vir energije.

Vendar pa ureditev geotermalnega ogrevanja sčasoma povrne svoje stroške in začne proizvajati brezplačen vir, kar lastnikom omogoča življenje v najbolj udobnih, prijetnih in komfortnih pogojih, pri tem pa ne porabijo velikih sredstev za komunalne storitve.

Zaključki in koristen video na to temo

V videu je nazorno prikazano, kako je v veliki hiši iz gazosilikatnega bloka urejen ogrevalni sistem na osnovi geotermalne toplotne opreme »zrak-voda«. Razkritih je nekaj zanimivih podrobnosti glede montaže opreme in podane so realne številke komunalnih stroškov za mesec.

Kako deluje oprema »zemlja-voda«. Podroben opis strokovnjaka za namestitev geotermalnih toplotnih kotlov, priporočila in koristni nasveti za domače mojstre od profesionalca v svoji panogi.

Svoje vtise o toplotni geotermalni črpalki deli dejanski uporabnik opreme.

Profesionalni monter pripoveduje, kako v domačih pogojih izdelati toplotno črpalko na osnovi močnega kompresorja in cevastih toplotnih izmenjevalnih delov. Podrobna navodila v korakih.

Geotermalna črpalka za ogrevanje zasebnega doma je uspešen način za ustvarjanje udobnih življenjskih pogojev tudi tam, kjer niso na voljo centralizirani komunikacijski sistemi in bolj običajni viri energije.

Izbira sistema je odvisna od teritorialne lege nepremičnine in finančnih možnosti lastnikov.

Imate izkušnje z izdelavo geotermalne toplotne črpalke? Prosimo, delite informacije z našimi bralci, predlagajte svojo varianto sestave. Komentarje in fotografije svojih izdelkov lahko pustite v spodnjem obrazcu.