Geotermální tepelné čerpadlo vlastníma rukama pro vytápění domu: konstrukce, projektování, vlastní montáž

Organizovat vytápění a ohřev vody v rodinném domě lze různými způsoby, například se napojit na centrální plynárenskou síť nebo převést topné systémy na spotřebu elektřiny. Souhlasíte?

A je možné sestavit geotermální tepelné čerpadlo vlastníma rukama a efektivně využívat teplo země k vytvoření pohodlných životních podmínek. Je to samozřejmě poměrně pracný proces, ale pro ty, kteří se alespoň trochu vyznají v technice, to nebude představovat velký problém.

V našem článku se budeme věnovat principům činnosti a druhům geotermálních zařízení. Řekneme si, jak z dostupných materiálů samostatně zhotovit tepelné čerpadlo. Kromě toho v článku naleznete rady odborníků pro výběr geotepelných jednotek. A umístěná videa odhalí tajemství montáže a principy činnosti geotermálních čerpadel.

Jak funguje tepelný geoagregát?

Algoritmus činnosti geotermálního tepelného čerpadla je založen na přenosu tepla ze zdroje s nízkým potenciálem tepelné energie na teplonosné médium. Země zde hraje roli chladiče v létě a je aktivním zdrojem tepla v zimním období.

Rozdíl teplot půdy pomáhá zvýšit celkovou účinnost systému a přispívá ke snížení skutečných provozních nákladů.

V základu činnosti geotermálního tepelného čerpadla je jev zvaný tepelná setrvačnost. Teplota země v hloubce od 6 metrů a níže se téměř přesně shoduje s průměrnou roční teplotou vzduchu v regionu a během celého kalendářního roku se velmi málo mění.

V praxi do potrubí umístěného v půdě vstupuje aktivní teplonosné médium a ohřívá se zde o několik stupňů. Poté směs přechází do výměníku tepla (nebo výparníku) a přenáší nahromaděnou tepelnou energii do vnitřního okruhu systému.

Princip činnosti geotermálních zařízení je podobný fungování chladicích systémů. Proto se některé druhy tepelných čerpadel v letním období úspěšně používají jako klimatizace a pomocí nich se ochlazuje vzduch v obytných místnostech.

Chladivo pracující ve vnějším okruhu se ohřeje ve výparníku, přemění se na plyn a vstupuje do kompresoru. Tam je stlačeno pod vlivem vysokého tlaku a stává se ještě žhavějším.

Rozžhavený plyn přechází do kondenzačního zařízení a předává tepelnou energii pracovnímu teplonosnému médiu vnitřního systému, které je zodpovědné za vytápění domu. Po dokončení procesu se chladivo zbavené tepla vrací do výchozího bodu v kapalném stavu.

Jaké existují typy geotermálních zařízení?

Geotermální tepelná čerpadla se od sebe liší typem teplonosného média na vnitřním a vnějším okruhu konstrukce. Energie zařízení se získává z půdy, vody (podzemní voda nebo otevřená přírodní vodní plocha) nebo ze vzduchu.

Uvnitř obytné místnosti se tepelný zdroj používá k vytápění místností, ohřevu vody a klimatizaci vzduchu. V závislosti na kombinaci použitých prvků a funkcí se systémy klasifikují na typy: „země-voda“, „voda-voda“ a „vzduch-voda“.

Varianta č. 1. Montáž podle technologie „země-voda“

Čerpadlo „země-voda“ – jedná se o jednu z nejúčinnějších možností alternativního vytápění pro obytné prostory. Princip jeho činnosti spočívá v odběru tepelné energie z půdy pomocí sond nebo kolektorů a jejím předání do domácího vodního topného systému.

Geotermální tepelná čerpadla „země-voda“ – jsou vysoce technologická progresivní zařízení. Vyznačují se výjimečnou spolehlivostí a vykazují vysokou úroveň účinnosti. Nevyžadují neustálý zásah majitelů do provozu, ale potřebují odborný servis.

Technologii pomáhá realizovat speciální zařízení sestávající z geotermálního výměníku tepla umístěného pod hloubkou skutečného promrzání půdy a samotného tepelného čerpadla, které funguje jako chladnička, jen obráceně (obrácený Carnotův cyklus).

Jak zařízení funguje

Zařízení „země-voda“, které vytápí obytné prostory pomocí obnovitelného tepla produkovaného půdou, funguje podle následujícího algoritmu:

1. Pracovní kapalina (solný roztok nebo nemrznoucí směs), pohybující se po geotermálním okruhu, přijímá teplotu půdy a prostřednictvím čerpadla je přiváděna do výměníku tepla – výparníku. Tam předá nasbírané teplo chladivu a sama, ochlazená o 2-5 °C, se vrací do výchozího bodu.
2. Chladivo obohacené tepelnou energií se odpařuje a v plynném stavu vstupuje do kompresorového zařízení. Tam se teplota plynu zvyšuje stlačováním a vzniká kondenzát.
3. Tepelná energie se předává teplonosnému médiu v domácím topném systému a chladivo opět přechází do kapalné formy. Jeho tlak klesá po průchodu expanzním ventilem systému a chladivo se vrací zpět do výparníku, aby získalo další dávku energie.

V důsledku tohoto postupu objem tepelné energie odebrané z půdy a předané do topného systému obytného domu více než 4násobně převyšuje množství elektřiny spotřebované k zajištění správného chodu kompresorové jednotky, cirkulačního čerpadla a řídicí jednotky.

Glykolová směs s dobrou viskozitou, voda s alkoholem nebo solný roztok – právě takové nemrznoucí kapaliny se používají v systému „země-voda“. Jsou ekologicky bezpečné, účinně přijímají teplo a dopravují ho k čerpací stanici.

Jako další bonus lze uvést, že systém má možnost pracovat obráceně, tedy na chlazení. Pravda, ztráta účinnosti dosahuje až 20 %, ale to je považováno za ospravedlnitelné vzhledem k vysoké topné schopnosti zařízení.

Možnosti umístění systémů „země-voda“

Pro vytvoření vnějšího okruhu systému „země-voda“ se používají polymerové trubky s vysokou pevností a dobrými provozními vlastnostmi. Ukládají se horizontálně, na dno výkopu, způsobem připomínajícím uspořádání komunikací pro systémy „podlahového topení“.

Tepelné čerpadlo „země-voda“ je spolehlivé, účinné a tiché v provozu, avšak jeho instalace stojí nemalé peníze a zabírá mnoho času (nejméně 1 měsíc na stavební, montážní a seřizovací práce). Tento aspekt je třeba nutně zvážit, než se rozhodnete pro topný systém tohoto typu.

Při instalaci se využívá plocha v rozsahu 25–50 m² na každý jednotlivý kilowatt výkonu montovaného čerpadla. Hloubka výkopu se volí pod hranicí promrzání a přesné rozměry a rozteč pokládky trubek se určují dodatečným výpočtem.

Majitelům velkých pozemků, kteří si pro vytápění domu zvolili geotermální tepelné čerpadlo typu „země-voda“, se doporučuje instalovat horizontální kolektory. Majitelům malých pozemků bude více vyhovovat montáž hlubinných sond, protože ty sahají hluboko do půdy a „nežerou“ užitnou plochu u domu.

Pozemky, na nichž jsou vybudovány komunikace geotermálních systémů „země-voda“, se již nevyužívají pro zemědělské účely. Lze na nich založit pěkný travnatý trávník nebo záhon s kvetoucími letničkami.

Vertikální montáž je mnohem problematičtější a vyžaduje použití profesionální techniky. Na pozemku se pomocí vrtné soupravy provrtá vrt o hloubce 20 až 150 m, do něj se spustí speciální geotermální sonda a připojí se k čerpadlu, které dodává pracovní kapalinu do domácího topného systému.

Vertikální sonda pro geotermální systém „země-voda“ představuje hlavici s připojenými trubkami. Ponořuje se do vrtu o hloubce od 18 m a více. Přesný počet vrtů a sond, hloubka požadovaného ponoření a skutečný průměr potrubí se vypočítávají zvlášť pro každý jednotlivý případ na základě informací získaných z geologického průzkumu provedeného specialisty na místě.

Sondové trubky odcházející z vyvrtaných vrtů vstupují do sběrné šachty. Z ní vedou k tepelnému čerpadlu 2 hlavní linie (přívodní a zpětná), opatřené izolačním krytem. Průměr hlavního potrubí závisí na celkovém objemu systému a místnosti, kterou je třeba vytápět. Někdy parametry dosahují 160 mm.

Podle přibližných výpočtů bude pro vytápění obytného domu o ploše asi 100 m2 potřeba přibližně 7,5 kWh energie. Vertikální sondy pro vytvoření topného systému „země-voda“ bude v tomto případě nutné spustit do země do hloubky 110–115 metrů, nebo zabrat 250 m2 přilehlého pozemku pro horizontální komunikace (+).

Díky tomu, že v hloubce je teplota půdy vždy vyšší a stabilnější díky vlivu zemského jádra, je vertikální způsob pokládky topného systému považován za maximálně účinný. Vykazuje vysokou úroveň účinnosti a spolehlivě funguje po mnoho let, aniž by docházelo k poruchám a závadám.

Varianta č. 2. Zvláštnosti tepelných čerpadel „voda-voda“

Geotermální systém „voda-voda“ využívá při práci tepelnou energii vodního zdroje. Je to možné proto, že ve velké hloubce zůstává teplota vody stejně jako půdy poměrně vysoká a celoročně si udržuje stabilní konstantní hodnoty.

Pro zařízení systému „voda-voda“ a získávání nízkopotenciální tepelné energie lze využít otevřené vodní plochy (jezera, řeky), studny, vrty a dokonce i odpadní vody technologických cyklů průmyslových výrob (zpětný typ vodovodu).

Zásadní konstrukční rozdíl mezi tepelným čerpadlem „země-voda“ a „voda-voda“ není. Nejméně finančních a pracovních nákladů však vyžaduje komplex vybudovaný na bázi otevřené vodní plochy. Pro montáž nejsou potřeba rozsáhlé vrtné práce.

Trubkový materiál s nosičem tepla se jednoduše vybaví zátěží, ponoří do vody a pomocí spojovacích komunikací připojí k domácímu topnému systému.

Tato varianta je však možná pouze v případě, že pozemek těsně přiléhá k vodě a všechny komunikační části systému jsou pod kontrolou majitelů. Pokud není přístup k otevřené vodní ploše, využívá se potenciál podzemní vody.

Pravda, to s sebou nese náročné zemní práce a stavbu složitých konstrukcí, například dodatečné studny určené k vypouštění vody procházející výměníkem tepla.

Při instalaci tepelného čerpadla «voda-voda» se zřizují ne jeden, ale dva vrty. Jedním se odebírá pracovní voda a po průchodu výměníkem tepla je přesměrována do druhého vrtu, který je umístěn ve směru proudění podzemní vody. Při umístění je třeba zohlednit, že přijímací vrt musí být od odvodního vzdálen nejméně 6 metrů a musí být nutně po proudu.

Obvykle se zařízení typu «voda-voda» instalují tam, kde není možné připojit centrální komunikace nebo použít jiné druhy teplonosných médií.

Odborníci tvrdí, že alternativní vytápění tohoto typu je mimořádně účinné v moderních stavbách s minimálními tepelnými ztrátami.

Při vlastnoruční výrobě a pokládce geotermálních systémů vytápění «voda-voda» je velmi důležité používat materiály s vysokou odolností proti korozi, zamrzání a dalším agresivním vlivům okolního prostředí. Pak bude zařízení dlouho sloužit a majiteli nezpůsobí žádné potíže.

Pokud je dům dobře zateplen, chráněn před průvanem, vlhkostí a pronikáním mrazivého vzduchu nebo je postaven s použitím moderních tepelně izolačních technologií, náklady na topný systém se výrazně snižují díky možnosti pořídit čerpadlové zařízení s mnohem nižším výkonem.

Varianta č. 3. Uspořádání systémů „vzduch-voda“

Tepelné čerpadlo «vzduch-voda» využívá k práci nejdostupnější, neomezený a obnovitelný přírodní energetický zdroj – vzduch. Zařízení funguje pomocí ventilátorů a výparníků spojených do jednoho celku.

Největší účinnost vykazuje při teplotě do -15 °C. Při agresivnějších hodnotách ztrácí podstatnou část výkonu.

Tepelné čerpadlo «vzduch-voda» stojí výrazně méně než modely «voda-voda» a «země-voda». Modul je vhodný pro oblasti s relativně teplými zimami. V chladných severních oblastech, kde mrazy přesahují -20 až -25 °C, se instalace vzduchového zařízení považuje za neúčelnou.

Agregát je mimořádně výhodný tím, že nevyžaduje od majitelů rodinného domu speciální techniku pro montáž a provádění složitých instalačních prací.

Není třeba výkopů, vrtání studní a dalších pracovně náročných opatření. Snadno se montuje a nezabírá mnoho místa. Může správně fungovat, i když je umístěn na střeše obytné místnosti.

Geotermální čerpadlo „vzduch-voda“ lze nainstalovat na pozemku přímo u obytných budov. Funguje tiše a má moderní atraktivní vzhled, který nekazí celkový design území.

Mezi hlavní výhody zařízení patří prakticky tichý provoz a možnost opětovného využití tepla, které uniklo z vytápěné místnosti ve formě odpadního vzduchu, vody, plynu, kouře atd.

Údržbu systému provádějí majitelé sami:

• čistí lopatky ventilátoru a ochranné mřížky na výparníku od prachu, drobných nečistot a listí;
• mažou kompresor speciálním prostředkem uvedeným v návodu výrobce;
• mění olej v silových uzlech (ventilátor, kompresor) s určitou periodicitou;
• kontrolují neporušenost napájecího kabelu a měděného potrubí, kterým cirkuluje chladivo v systému.

Kromě těchto úkonů výrobci čerpadel důrazně doporučují zákazníkům kontrolovat stav tepelných čidel, která odrážejí fungování řídicí jednotky.

Je třeba je otřít, opatrně odstranit prach a mastné skvrny z povrchu. To prodlouží „život“ systém vzduch-vzduch a zjednoduší a zpříjemní proces provozu.

Jak vyrobit agregát vlastníma rukama?

Bez ohledu na to, která varianta zdroje (země, voda nebo vzduch) je zvolena pro vytápění, pro správné fungování systému bude potřeba čerpadlo.

Toto zařízení se skládá z následujících prvků:

• kompresorový uzel (meziprvek komplexu);
• výparník, který předává nízkopotenciální energii teplonosnému médiu;
• škrtící ventil, kterým se chladivo vrací zpět do výparníku;
• kondenzátor, kde chladivo odevzdává tepelnou energii a ochlazuje se na původní teplotu.

Lze zakoupit celý systém od výrobce, ale to vyjde na pěknou sumu. Pokud nemáte po ruce volné peníze, vyplatí se vyrobit tepelné čerpadlo vlastníma rukama z dostupných dílů a v případě potřeby dokoupit chybějící součástky.

Při plánování instalace geotermálního topného systému v rodinném domě je třeba nejprve dbát na snížení úrovně tepelných ztrát. K tomu je třeba stěny izolovat speciálním materiálem, dveře a okenní rámy opatřit pěnovými těsněními a podlahu a strop chránit polystyrenovými panely. Pak teplo vyrobené čerpadlem zůstane v maximální míře uvnitř místnosti.

Jakmile je rozhodnuto o vlastnoruční výrobě tepelného čerpadla, je nutné zkontrolovat stav stávající elektroinstalace a elektroměru v domě.

Pokud jsou tyto prvky opotřebené a staré, je nutné zkontrolovat všechny oblasti, odhalit možné závady a odstranit je ještě před zahájením prací. Systém pak bude po spuštění bezchybně fungovat a nebude majitele obtěžovat zkraty, vznícením kabeláže a vyhazováním pojistek.

Způsob č. 1. Montáž z lednice

Pro sestavení tepelného čerpadla svépomocí se ze staré ledničky odstraní spirála umístěná vzadu. Tento díl se použije jako kondenzátor a umístí se do vysoce odolné nádoby, která odolá agresivním teplotám. Na něj se připevní správně fungující kompresor a jako výparník se použije jednoduchý plastový sud.

Pokud se pro vytvoření čerpadla používá velmi stará lednička, je lepší v ní vyměnit freon za nový. Samostatně to není možné, proto bude nutné pozvat odborníka se speciálním vybavením. Ten rychle vymění pracovní kapalinu a systém začne pracovat v požadovaném režimu.

Připravené prvky se vzájemně propojí a poté se vytvořené zařízení pomocí polymerových trubek připojí k topnému systému a zahájí se provoz zařízení.

Podrobný návod k sestavení tepelného čerpadla z ledničky je popsán v tomto článku.

Způsob č. 2. Tepelné čerpadlo z klimatizace

Aby se vyrobilo tepelné čerpadlo, klimatizace se upraví a provede se přeplánování některých hlavních součástí. Nejprve se vymění vnější a vnitřní jednotka.

Výparník, který se stará o přenos nízkopotenciálního tepla, se dodatečně neinstaluje, protože je již ve vnitřní jednotce zařízení, a kondenzátor přenášející tepelnou energii je ve vnější jednotce. Jako nosič tepla je vhodný jak vzduch, tak voda.

Pokud tato možnost montáže není vhodná, kondenzátor se instaluje do samostatné nádrže určené pro správný přenos tepla mezi topným zdrojem a nosičem tepla.

Samotný systém je vybaven čtyřcestným ventilem. Pro tuto práci je obvykle přizván odborník s profesionálními dovednostmi a zkušenostmi s prováděním takových úkonů.

Moderní split systémy jsou při nízkých teplotách málo účinné, proto odborníci nedoporučují jejich použití pro vlastní výrobu tepelných čerpadel.

Ve třetí variantě se klimatizace zcela rozebere na jednotlivé díly a poté se z nich sestaví čerpadlo podle tradičního běžného schématu: výparník, kompresor, kondenzátor. Hotové zařízení se připojí k zařízení vytápějícímu dům a začne se používat.

Na webu je série článků o výrobě tepelných čerpadel svépomocí, doporučujeme se s nimi seznámit:

1. Jak vyrobit tepelné čerpadlo pro vytápění domu svépomocí: princip fungování a schémata montáže
2. Jak vyrobit tepelné čerpadlo vzduch-voda: schémata zařízení a samostatná montáž

Rady pro výběr systému

Montáž zařízení typu země-voda je dražší než všechny ostatní varianty, protože vyžaduje hlubinné zemní práce při vertikálním umístění zařízení nebo velkou volnou plochu pozemku při horizontálním pokládání komunikací.

Tyto parametry omezují používání systému a výrazně snižují jeho atraktivitu.

Instalace čerpadla «voda-voda» má také určitá omezení. Pokud je poblíž dostupná vodní plocha, lze systém do ní umístit. Nedostatek otevřených vodních zdrojů si vyžádá vrtání studní a odvodňovacích šachet, což také není levné.

Čerpadlo «vzduch-voda» nepředstavuje problémy s instalací a může správně fungovat i v bytových domech, ale při tuhých zimách s nízkými teplotami jeho účinnost klesá a pro její podporu je zapotřebí paralelní zdroj energie.

Nicméně, vybudování geotermálního vytápění se nakonec vrátí své náklady a začne produkovat bezplatný zdroj, což umožňuje majitelům žít v maximálně pohodlných, příjemných a komfortních podmínkách, aniž by přitom utráceli velké částky za komunální služby.

Závěry a užitečné video k tématu

Ve videu je názorně ukázáno, jak je ve velkém domě z plynosilikátových bloků vybudován topný systém založený na geotermálním tepelném zařízení «vzduch-voda». Jsou odhaleny některé zajímavé nuance ohledně montáže zařízení a jsou uvedeny reálné číselné údaje o měsíčních komunálních platbách.

Jak funguje zařízení «země-voda». Podrobný popis od specialisty na instalaci geotermálních tepelných kotlů, doporučení a užitečné rady pro domácí kutily od profesionála ve svém oboru.

Svými dojmy z tepelného geotermálního čerpadla se dělí skutečný uživatel zařízení.

Profesionální zámečník vypráví, jak si doma vyrobit tepelné čerpadlo na základě výkonného kompresoru a trubkových výměníkových dílů. Podrobný návod krok za krokem.

Geotermální čerpadlo pro vytápění soukromého rodinného domu – úspěšný způsob vytváření komfortních životních podmínek i tam, kde nejsou k dispozici centralizované komunikační systémy a běžnější zdroje energie.

Výběr systému závisí na geografické poloze nemovitosti a finančních možnostech majitelů.

Máte zkušenosti s výrobou geotermálního tepelného čerpadla? Podělte se prosím o informace s našimi čtenáři, nabídněte vlastní variantu sestavení. Komentáře a fotografie svých výrobků můžete přidávat do formuláře níže.