Геотермальное отопление дома: принцип работы, преимущества, выполнение монтажа

Содержание

Существует много различных вариантов обогрева жилища. Внимание людей закономерно сосредоточено на поисках таких способов, которые потребляют меньше всего энергии. Ожесточенные споры вызывает такой прогрессивный способ получения тепла, как использование подземных источников.

Как устроено?

Принцип работы геотермального отопления подразумевает использование тепловых насосов. Они действуют по классическому циклу Карно, беря глубоко внизу холодный теплоноситель и получая взамен нагретый до 50 градусов поток жидкости внутри отопительной системы. Аппаратура работает с коэффициентом полезного действия от 350 до 450% (это не противоречит фундаментальным физическим законам, почему – будет сказано позже). Стандартный тепловой насос обогревает дом или иное здание за счет тепла земли на протяжении 100 тысяч часов (именно таков средний промежуток между профилактическими капитальными ремонтами).

Нагрев до 50 градусов выбран неслучайно. Именно такой показатель по результатам специальных расчетов и при изучении практически реализованных систем был признан наиболее эффективным. Поэтому земляное отопление, использующее поток энергии из недр, в основном дополняется не радиаторами, а теплым полом или воздушным контуром. В среднем, на 1000 Вт энергии, приводящей в работу насос, удается поднять наверх примерно 3500 Вт тепловой энергии. На фоне безудержного роста стоимости теплоносителя в магистральной сети и иных способов отопления это очень приятный показатель.

Геотермическое отопление образовано тремя контурами:

грунтовым коллектором;
тепловым насосом;
собственно, греющим комплексом дома.

Коллектором называется подборка труб, которые дополнили насосом для рециркуляции. Теплоноситель во внешнем контуре имеет температуру от 3 до 7 градусов. И даже такой незначительный внешне разброс позволяет системе эффективно решать поставленные задачи. Для передачи тепла используют либо этиленгликоль в чистом виде, либо его смесь с водой. Полностью водные контуры подземного обогрева встречаются редко.

Причина проста – та вода, которая встречается в достаточно разогретом слое почвы, быстро разъедает оборудование. И даже такую жидкость можно найти далеко не в любом произвольно взятом месте. Выбор конкретного теплоносителя определяется конструктивными решениями инженеров. Насос подбирается в зависимости от устройства остальных частей системы. Поскольку глубина скважины (уровень заложения оборудования) определяется природными условиями, решающие отличия между типами геотермальных систем связаны с устройством коллектора в грунте.

Горизонтальная структура подразумевает расположение коллектора под линией промерзания почвы. В зависимости от конкретной местности это означает углубление на 150-200 см. Такие коллекторы могут оснащаться различными трубами, как медными (с внешним слоем из ПВХ), так и сделанными из металлопластика. Чтобы получить от 7 до 9 кВт тепла, придется уложить не менее 300 кв. м коллектора. Такая методика не позволяет приближаться к деревьям более чем на 150 см, а по окончании монтажа придется благоустраивать территорию.

Вертикально выставленный коллектор подразумевает бурение нескольких скважин, причем обязательно устремленных в разные стороны, и каждую ведут под своим углом. Внутри скважин располагаются геотермальные зонды, тепловая отдача от 1 пог. м достигает примерно 50 Вт. Нетрудно подсчитать, что для идентичного количества тепла (7-9 кВт) придется поставить 150-200 м скважин. Преимущество в этом случае не только в экономии, но и в том, что ландшафтная структура территории не изменяется. Надо будет только выделить небольшой участок для монтажа кессонного блока и для выставления концентрирующего коллектора.

Нагреваемый от воды контур практичен, если можно вывести наружный узел обмена теплом в озеро или пруд на глубину от 200 до 300 см. Но обязательным условием будет расположение водоема в радиусе 0,1 км от отапливаемого строения и площадь водного зеркала минимум 200 кв. м. Существуют также воздушные теплообменники, когда получение тепла внешним контуром происходит из атмосферы. Подобное решение отлично проявляет себя в южных областях страны и не требует никаких земляных работ. Слабости системы – низкий КПД при морозе в 15 градусов и полная остановка, если температура понизится до 20 градусов.

Особенности

Геотермальное отопление дома, загородного в первую очередь, не расходует дорогостоящее и загрязняющее воздух минеральное топливо. Вот уже 7 из 10 новых домов, возводимых в Швеции, отапливаются именно таким образом. В жаркие дни геотермальное оборудование из нагревателя становится средством пассивного кондиционирования. Вопреки распространенному мнению, для работы такой отопительной системы не нужны ни вулканы, ни гейзеры. В самой обычной равнинной местности она действует ничуть не хуже.

Единственным условием оказывается достижение тепловым контуром точки ниже линии промерзания, где температура почвы всегда составляет от 3 до 15 градусов. Сверхвысокий КПД только кажется противоречащим законам природы; тепловой насос насыщен фреоном, который испаряется под действием даже кажущейся людям «ледяной» воды. Пар согревает третий контур. Такая схема представляет собой вывернутый наизнанку холодильник. Потому эффективность насоса относится только к количественному соотношению электрической энергии и тепловых ресурсов. Сама по себе работа привода производится «как полагается», с неотвратимыми потерями энергии.

Достоинства и недостатки

Объективными плюсами геотермального обогрева можно считать:

превосходный КПД;
солидный период службы (тепловой насос работает 2-3 десятилетия, а геологические зонды и вовсе до 100 лет);
стабильность работы практически при любых условиях;
отсутствие привязки к энергоносителям;
полная автономность.

Есть одна серьезная проблема, мешающая сделать геотермальное отопление действительно распространенным решением. Это, как показывают отзывы владельцев, высокая цена создаваемой конструкции. Чтобы обогреть обычный дом площадью 200 кв. м (не так уж и редко встречающийся), надо будет строить систему под ключ за 1 млн рублей, до 1/3 этой суммы стоит тепловой насос. Автоматизированные установки очень комфортны, и если все настроено правильно, могут работать годами без вмешательства людей. Все упирается только в наличие свободных средств. Еще одним минусом является зависимость от электропитания насосного узла.

Риск воспламенения геотермальной отопительной системы нулевой. Опасаться занятия ею излишнего места не стоит, в самом доме необходимые части потребуют примерно той же площади, что и рядовая стиральная машина. Более того, высвобождается пространство, которое обычно приходится отводить под запасы топлива. Собственноручно построить необходимые контуры вряд ли получится. Проектирование тоже лучше поручить профессионалам, поскольку малейшая ошибка может привести к неприятным последствиям.

Обустройство

Геотермальный обогрев своими руками пытаются создать достаточно многие люди. Но чтобы такая система работала, должны быть произведены тщательные расчеты, требуется также составление схемы разводки труб. Нельзя приближать скважину к дому больше чем на 2-3 м. Наибольшая допустимая глубина бурения достигает 200 м, однако неплохую эффективность демонстрируют скважины, достигающие и 50 м.

Расчеты

Основными параметрами, которые учитываются при любых расчетах, являются:

температура (глубина от 15-20 м и больше прогревается от 8 до 100 градусов в зависимости от создающихся условий);
значение извлекаемой мощности (средний показатель – 0,05 кВт на 1 м);
влияние климата, влажности и контакта с грунтовыми водами на теплоотдачу.

Что весьма интересно, полностью сухие породы отдают не более 25 Вт с 1 м, а если есть грунтовые воды, этот показатель вырастает до 100-110 Вт. Нельзя забывать, что стандартным временем работы теплового насоса является 1800 часов за год. Если превысить этот показатель, система не станет более эффективной, зато износ ее стремительно вырастет. Что гораздо хуже, чрезмерная эксплуатация теплового ресурса недр приводит к их остыванию и даже к промерзанию пород на рабочей глубине. Вслед за этим может проседать грунт, иногда повреждаются рабочие трубы и надземные сооружения.

Нужно внимательно рассчитывать действия по регенерации свойств грунта. Только подавая периодически в скважину тепло вместо извлечения его наружу, можно гарантировать стабильную работу системы на многие годы вперед. Как часто это делать и что еще предпринять – подскажут как раз расчеты, производимые опытными проектировщиками. Время окупаемости геотермального обогрева даже при высочайшей эффективности составляет не меньше 10 лет. Так что кроме инженерных моментов, следует внимательно просчитывать и экономику проекта.

Последовательность работ

Теплоснабжение за счет подземных источников должно создаваться по строго проработанному алгоритму. Поскольку водяные и воздушные системы применяются ограниченно, большинство практически используемых вариантов подразумевает бурение скважин. И это еще одна причина, по которой не получится все сделать своими руками. Только специальная техника позволяет проникнуть на глубину 20-100 м, где и создаются необходимые условия для отопления. В качестве зондов допускается применение пластмассовых труб, рассчитанных на давление около 6 бар.

Чтобы повысить результативность системы, используют обвязки из 3 или 4 линий, конечные участки которых связываются в виде буквы U. Подогрев по контуру очень важен, благодаря ему исключается растрескивание труб при суровом морозе. Этот подогрев производится через протянутый в центр канала провод, по которому подается ток. Если не удается применить энергетические сваи, приходится использовать горизонтальные приемники. Для них готовится площадка с габаритами от 15х15 м, с нее убирают почву на глубину до 0,5 м.

Вся эта площадь нужна для укладки подобия зондов. Используют часто электротехнические маты либо трубы, обменивающие тепло. Чтобы повысить эффективность работы отопительной системы, применяют раскладку труб по спирали либо в виде «змейки». Нельзя точно сказать, что лучше – готовые комплексы, выпущенные серийно, либо самостоятельная сборка. В первом случае автоматически решается проблема совместимости, зато во втором возрастает гибкость, повышается потенциал модернизации (правда, внимания проектированию надо уделить больше).

Самодеятельные строители могут уйти от типового аккумулятора тепла с заменой его на стяжку из бетона. Геотермальный обогрев в подобной системе позволяет обойтись без значительных рывков температуры. Можно проводить эксперименты с различными теплоносителями, а также монтировать компрессоры с меняющейся производительностью. Рассчитав нагрузки как следует и правильно распределив тепло по потребляющим контурам, можно сделать систему эффективнее на 15-20%. Параллельно расходы на электропитание заметно сокращаются.

Горизонтально размещенные трубы закладываются на глубину 50-300 см. Чтобы площадь магистралей была наименьшей, их делают в виде витков. Но между отдельными двумя магистралями должно быть минимум 200 мм. Любым строительным работам должно предшествовать определение тепловой отдачи грунта. Если она менее 20 Вт на 1 кв. м, никакого смысла в геотермальном контуре нет. Чтобы обеспечить отвод грунтовых вод, дно котлованов покрывают слоем песка. Отлично проявляют себя трубы на основе сшитого полиэтилена.

Принцип функционирования

Такое явление, как геотермальное отопление, принцип работы которого напоминает обычный холодильник, только наоборот, — становится все популярнее. Земля сохраняет тепло постоянно, можно нагревать объекты, находящиеся на ее поверхности. Суть в том, что изнутри землю нагревает горячая магма, а сверху благодаря грунту она не промерзает.

Тепловую энергию, которая получается в процессе отопления, использует геотермальная система, основанная на специальном тепловом насосе.

И принцип функционирования здесь следующий: сверху ставится тепловой насос, в специальную земляную шахту опускается теплообменник. Грунтовая вода идет через насос и нагревается. Таким образом, тепло, которое получается при этом, используется для промышленных или бытовых целей. Так и работает отопление подземным теплом.

Принципиальная схема работы теплового насоса

Заметим, что главным преимуществом такой системы является то, что при затратах электроэнергии в 1 кВт получаем полезную тепловую энергию в диапазоне от 4 до 6 кВт. Для сравнения, обычный кондиционер не способен преобразовать 1 кВт электроэнергии в 1 кВт тепловой энергии (закон сохранения энергии, т.к. потери при преобразовании одного вида энергии в другую, увы пока никто не отменял). Отопление за счет тепла земли окупится достаточно быстро при правильном подходе к реализации геотермального отопления.

Рекомендуем к прочтению:Геотермальное отопление дома

Особенности системы

Конечно, не так-то и просто сделать геотермальное отопление своими руками, однако это вполне возможно. И для начала делается шахта. Параметры шахты рассчитываются для каждого случая отдельно. Ее габариты будут зависеть от климата в вашей местности, типа грунта, особенностей строения коры земли региона, домашней площади, где будет ставиться такая система. Как правило, глубина шахты составляет от 25 до 100 м.

Бурение скважин под тепловой насос

Далее монтаж геотермального отопления подразумевает такой шаг, как опускание в земную шахту труб, поглощающих тепло. Функции этих труб заключаются в следующем: они будут подавать тепло в насос, который будет повышать температуру жидкости и выводить ее в отопление. Заметим, что если вы решили сделать геотермальные системы отопления своими руками, то вам потребуется помощник, ведь трубы бывают очень тяжелыми.

Заметим, что в летний период отопление от земли, работает в качестве кондиционера. Для этого нужно активировать обратный механизм. В процессе работы теплообменник будет брать охлаждающую энергию.

Способы работы системы

Это эффективная и экологичная система – термальное отопление, принцип работы ее может протекать в трех основных способах:

Используется тепловая энергия глубоких грунтовых вод. Такая вода – высокой температуры, тепловой насос ее поднимает и нагревает. Далее вода идет через теплообменник, отдавая основную часть своей энергии.
Данный способ требует от владельцев дополнительных расходов. В глубину грунта от 75 м и ниже спускают резервуар, в котором находится антифриз. Он нагревается и при помощи теплового насоса поднимается к теплообменнику. После того, как тепло отдается теплообменнику, антифриз идет обратно в резервуар.
А для третьего способа работы системы вообще не требуется оборудовать грунтовую шахту. Такое отопление из земли подойдет для обогрева зданий, имеющих выход на водоем. Так, по дну водоема от теплообменника ставятся зонды горизонтального типа и преобразовывают тепло воды на дне.

Виды тепловых насосов

Преимущества геотермальной системы отопления

Геотермальные системы отопления обладают несколькими преимуществами:

Выделение тепловой энергии в несколько раз больше, нежели расход на электричество, которое требует насос.
Экологическая безопасность больше, чем у других отопительных систем, так как геотермальные отопительные системы не производят никаких вредных выбросов.
Для того чтобы геотермальная система функционировала, не требуется топлива или дополнительных химических средств. Поэтому она безопасна для владельцев и для окружения.
В функционировании такого отопления нет риска взрыва или возгорания.
При условии правильного монтажа отопительной системы она прослужит без техподдержки как минимум – 30 лет.

Устанавливаем геотермальное отопление самостоятельно

Сразу отметим такую особенность: тем, кто решится оборудовать отопление теплом земли, понадобится единожды вложить в это огромную сумму. Конечно, со временем эта стоимость окупится, так как жилье мы строим для себя не на год или два. Кроме того, каждый год стоимость на газ и электроэнергию повышается, а с геотермальной системой вы не узнаете, что такое эти ценовые скачки.

Рекомендуем к прочтению:Отопление без газа и электричества

Заметим, что внутри помещения, которое вы хотите отопить, ставятся отопительные элементы, ничем не отличающиеся от водяного отопления. Ваше жилье будут обогревать радиаторы, а тепло в них будет идти по трубам.

Однако в данной системе основная ее часть будет скрыта под землей. Отопление энергией земли – это наличие скважины и теплообменника. В жилище потребуется только поставить прибор, который будет генерировать тепло – обычно он не занимает много места.

Принцип работы теплового насоса

На таком устройстве пользователь сможет производить регулирование температуры и подачу тепловой энергии. Установка самой системы отопления в жилье делается, как обычно, — с разветвлением трубопровода и радиаторов. Если у вас частный дом, или же само здание небольшое, то в таком случае генератор системы выводится в отдельное помещение или в подвал.

Распространение геотермальной системы отопления

Отопление с помощью тепла земли стало распространяться еще в конце 80-х годов в городах США, которые особенно тяжело переживали кризис. Сначала такую систему применяли состоятельные люди, которые таким вот образом экономили на отоплении дома, однако скоро система стала дешеветь, и более бедные американцы заинтересовались ею. И вскоре использование тепла земли для отопления стало прерогативой большинства американцев, которые владели частными домами. В европейских странах 20 лет назад статистические данные отмечали, что геотермальные системы отопления использовали примерно 12 миллионов граждан. И в течение всего этого времени до сегодняшних дней эта цифра только возросла.

Тенденции распространения геотермального отопления являются понятными. Ведь отопление за счет энергии земли – это удобно, экономично и безопасно.

Газовая система отопления хоть и является самой популярной, но по этой же причине каждый год запасы природного газа уменьшаются, стоимость на него растет и растет. А применение для обогрева дома твердого топлива – это трудозатратно. Кроме этого, вследствие сжигания дров и угля выделяется вредный углекислый газ, образовывается сажа и смолы. Поэтому геотермальное отопление становится все более распространенным и в России.

</index>

Земные недра – известный с древнейших времен источник тепла. На глубине 6 метров от поверхности грунта начинается область стабильной температуры, которая круглогодично равняется средней годовой температуре атмосферы региона (примерно +15 ⁰С в умеренной климатической зоне). Поговорим про минусы геотермального отопления.

Сегодня тепло Земных недр активно используется для организации геотермального отопления. Разумеется, несмотря на неиссякаемость тепловой энергии грунта, организация геотермального отопления сопряжена со множественными сложностями, как технического, так и экономического характера. С точки зрения финансовой выгоды, установка геотермальной системы уступает традиционному твердотопливному, газовому и электрическому обогреву.

Главные недостатки геотермального отопления

1. Необходимость электрической энергии. Простейшая геотермальная система требует для получения 4 (кВт) тепловой энергии не менее 1 (кВт) электричества.

Забор тепла от грунта не происходит сам по себе. Для теплообмена обязательно и непременно используется насос. Случись что с электросетью, отопительный контур сразу перестанет обеспечивать объект теплом, так как тепловой насос остановится без электропитания.

2. Низкий уровень теплоотдачи. Традиционная горизонтальная система геотермального отопления, которая уходит под землю на глубину 15-30 метров, обеспечивает лишь 40 (Вт) тепловой энергии с каждого погонного метра подземной магистрали.

Для получения 4 (кВт) тепловой энергии нужно задействовать не менее 100 (м) трубопроводного контура. Если же планируется отапливать объект общей площадью 250 (м2) (высота потолка 2,5-3 метра), нужно задействовать систему отопления мощностью не менее 27,5 (кВт). Для работы такого оборудования понадобится минимум 688 метров погонных подземного трубопровода.

Это далеко не все недостатки геотермального теплового насоса.

3. Ограниченная сфера применения. Геотермальное отопление возможно установить далеко не на каждом объекте. К примеру, отапливать отдельную квартиру в многоэтажке или какой-нибудь магазин в центральных районах города точно не получится. Разрабатывать грунт на территории густонаселенных жилмассивов вряд ли кто-то разрешит.

Другое дело, если геотермальное отопление организовывается на территории жилищного объекта из частного сектора или для какого-нибудь предприятия на окраине города.

4. Высокая стоимость установки геотермального отопления. Само оборудование для организации геотермального отопления стоит минимум в 10 раз дороже аналогичной по мощности газовой техники.

Но покупка оборудования является далеко не полной статьей расходов. В сумму установки геотермального отопления нужно дополнительно включить расходы на создание и обустройство подземных коммуникаций. Не нужно забывать и про пусконаладочные работы, а также обслуживание.

Геотермальное отопление обходится очень дорого.

5. Длительная окупаемость. Срок окупаемости среднестатистической геотермальной системы во многом превышает 10-15 лет. Большой срок окупаемости обусловлен высокой стоимостью оборудования и монтажа коммуникаций.

Для сравнения, традиционный бытовой газовый котел мощностью до 12 (кВт) окупается в среднем за 5 лет.

Вывод

Конечно, минусы данного типа отопления хорошенько компенсируются преимуществами геотермальных систем. Стоит отметить, что геотермальное отопление не наносит вреда экологии. Если вы приверженец “зеленой энергетики” и не сильно ограничены в бюджете, то грех не использовать геотермальную энергию.

Еще одним важным преимуществом геотермальных коммуникаций является неприхотливость к обслуживанию. Так же как и к хорошему холодильнику, к геотермальному насосу можно не подходить для сервиса на протяжении первых 30 лет точно.

Ни для кого не секрет, насколько остро стала проблема экологии в последние годы. Именно поэтому геотермальные тепловые насосы пользуются все большей популярностью у людей неравнодушных, желающих пользоваться альтернативными энергоносителями. Благодаря этой разработке ученым удалось найти способ отапливать жилище в холодные месяцы и нагревать воду круглый год. Причем электроэнергии, газа, угля и дров затрачивать не нужно. А значит, вредных выбросов нет никаких.

Содержание статьи

Что это и принцип работы геотермального насоса

Тепловой насос – это устройство, преобразующее теплоту Земли в энергию. Данный способ организации отопления частного дома позволяет отказаться от дорогостоящих энергоносителей. Экономия со временем полностью окупает затраты на установку уже в первые сезоны использования. Европа уже давно ищет и внедряет альтернативные методы энергосбережения, чем проявляет заботу об окружающей среде. И нет ни одного повода действовать иначе, тем более, сейчас на рынке нашей страны есть все необходимое.

Применяемых хладогент обладает исключительным свойством, которое заключается в поглощении и отдаче тепла при переходе из одного агрегатного состояния в другое. Если говорить утрировано, принцип работы теплового насоса идентичен холодильной установки. Только главным элементом является теплообменник, который в последнем случае устанавливается на задней стенке.

Схематично геотермальное устройство состоит из трех контуров:

Принимающий низкопотенциальное тепло от источника.
Для циркуляции фреона, меняющего агрегатное состояние.
Водяной, передающий тепло от установки к радиаторам.

Именно фреон в процессе работы принимает тепловую энергию от источника, когда испаряется. И наоборот он отдает ее при конденсации. Если рассматривать работу теплонасоса по циклам, суть принципа действия заключается в следующем:

Хладогент, находящийся в системе в виде жидкости, в испарителе испаряется. Тепло от источника поглощается в результате этого процесса.
Компрессор нагнетает фреон, который сжимаясь, снова переходит в жидкое состояние. При этом накопленная энергия передается теплообменнику.
Вода в отопительном контуре, проходя через теплообменник, нагревается и циркулирует по системе. Доходя до батарей, она отдает тепло в комнату.

При этом достигается большой перепад температуры. Такая схема теплового насоса предполагает, что хладогент охлаждается до 6-10 градусов Цельсия, а к теплообменнику подается уже при +60. Но это находясь под давлением. После отдачи тепла оно сбрасывается (стабилизируется) при помощи дроссельного клапана, и циклы повторяются. Кто знаком с работой холодильной установки заметил, что принцип передачи энергии в данном случае идентичен, хотя цели абсолютно противоположные.

Если в холодильнике решается задача понижения температуры в камерах, где хранятся продукты, то отопление тепловым насосом – это возможность поднять температуру в помещении без сжигания электричества или твердых энергоносителей, газа и т.д.

Разновидности тепловых насосов и систем

Инженерам-разработчикам удалось найти способ «перехвата» энергии природы для последующего преобразования в ту, что способна отопить дом и нагреть воду в системе водоснабжения. Причем источник – низкотемпературный (низкопотенциальный), что в корне отличает идею от классической, где сжигается уголь, газ, дрова, жидкое топливо или расходуется электроэнергия. Сейчас есть несколько источников, от которых можно получить достаточно энергии, чтобы обогреть частный дом.

В первую очередь это Солнце. Лучи, достигая поверхности Земли, емли нагревают элементы, которые поглощают энергию. А установка перерабатывает ее, усиливает, и передает на теплообменник для разогрева теплоносителя в отопительном контуре. Второй источник – сама Земля, а точнее тепло ее ядра, передаваемого через мантию верхним слоям земной коры. При этом инженерам удалось разработать три различных схемы, определяющих тип устройства: грунтовые, водяные, воздушные. Каждый вид отличается, что позволяет выбрать наиболее эффективный способ для отдельно взятого случая.

Грунтовые тепловые насосы

Количества тепловой энергии, получаемой от грунта, достаточно для разогрева хладогента до уровня, где тот меняет агрегатное состояние, превращаясь в пар. Удобно то, что на глубине уже в несколько метров сезонные температурные колебания не наблюдаются. Это позволяет пользоваться прибором круглый год, и в доме всегда будет горячая вода.

Для приема тепла земли используется раствор этиленгликоля или пропиленгликоля. Водный эталон применяется, но реже. Система труб, по которым циркулирует энергопоглощающая жидкость, герметична.

Есть два способ размещения трубопровода в грунте:

Горизонтальный коллектор – это система горизонтально лежащего контура.
Геотермальный зонд – приемники расположены вертикально и связаны между собой.

Геотермальные насосы с горизонтальным коллектором предполагают заглубление на полтора-два метра. Главное пройти отметку уровня промерзания грунта. Для каждого региона она своя. В среднем это 1,2 метра. Если требуется отопить здание, площадью до 100 кв. м., придется выкопать котлован или вырыть сеть траншей, площадью в 2-3 сотки. Это не обязательно делать под самим сооружением. Главное не садить на задействованном участке растения, имеющие корни, уходящие глубоко в землю.

Эту проблему полностью решает геотермальный зонд. Трубы устанавливаются в скважины. Бурить придется на 100-200 метров. Но их достаточно двух, если требуется обогреть здание в сто квадратов.

Между скважинами должно быть расстояние не менее пяти метров. Поэтому если участок мал, застроен или засажен, скажем, садом, это лучший способ установки теплового насоса с зондом, когда задействована минимальная площадь надела. С другой стороны цепь горизонтальных приемников тепла можно построить самостоятельно без применения бурового оборудования.

Водяные тепловые насосы

Для использования такого теплового насоса, принцип действия взят тот же. Но отличается тип источника. В данном случае это грунтовые воды. Естественно, глубина их залегания должна быть доступна в регионе. Но если такая возможность есть, система отличается тепловой стабильностью, так как подземные воды имеют постоянную температуру круглый год. Это делает устройство пригодным для применения в течение всех четырех сезонов. Перед монтажом проводят геологическую разведку, чтобы убедиться, что вода течет на глубине 30-40 метров.

Однако требуется и химический анализ. Если в составе мало солей железа и ряда других примесей, можно ставить геотермальный зонд. В противном случае это нецелесообразно ввиду наличия риска преждевременного выхода из строя и низкой производительности. В данном случае применяют грунтовый тепловой насос или воздушный. Именно это требование является причиной того, что среди всей массы рабочих ныне установок тепловые насосы водяного типа используются реже – порядка 5% случаев.

Воздушные тепловые насосы

Главное преимущество этого способа организации отопления и подачи горячей воды – отсутствие необходимости вести полномасштабное строительство. Не нужно бурить скважины для геотермальных зондов. Нет необходимости рыть траншеи, как в случае с грунтовым тепловым насосом. Все узлы размещаются на поверхности. В итоге сметная стоимость значительно ниже. Времени на установку и обустройство затрачивается меньше. Но при всем кажущемся комфорте это устройство далеко не идеально.

Главный минус – высокий КПД будет только если воздух на улице не охлажден до -15…-20 градусов по Цельсию. Если ударят морозы еще сильнее, система будет работать с меньшей эффективостью, что приводит к выходу из строя. А если теплоноситель в трубах и радиаторах замерзнет, произойдет разгерметизация, а по весне дом будет затоплен. Придется тратить деньги на ремонт. Однако в районах, где подобного не случается, люди пользуются таким методом организации отопления.

Коэффициент эффективности

Именно этот параметр позволяет сопоставить эффективность установок различного типа, чтобы определить оптимальный вариант. Данный термин является тем самым КПД. Рассчитывается эффективность как отношение вырабатываемого количества энергии и потребляемому. Под потреблением стоит понимать электроэнергию, затраченную на запуск системы и расходуемую в процессе ее работы. Независимо от времени года для водяных модификаций коэффициент эффективности равен 5.

Другими словами, если устройство потребляет, скажем 2 кВт в час, то установка выдает до 10 кВт час, но уже в виде тепла. Геотермальное отопление частного дома менее эффективно, так как коэффициент равен 4,0-4,5. В случае с воздушным типом определяющим фактором является температура окружающей среды. Так при нуле он равен 3,5. Если же она снизится до -20 град. то эффективность будет равна 1,5. Именно нестабильность в последнем случае является фактором низкого спроса на устройства воздушного типа. А все больше людей отдают предпочтение «золотой» середине – геотермальным агрегатам.

Часто поставщики оборудования указывают в техническом описании КПД в процентах. Этот маркетинговых ход не должен ввести вас в заблуждение. Если, например, имеет место характеристика эффективности в 400%, то это означает, что коэффициент равен 4. Иными словами при потреблении 1 кВт*ч электроэнергии отопительная система способна вырабатывать до4 кВт*ч. То есть величину, указанную в процентах необходимо разделить на 100. Это и будет отношение потребления к «выработке».

Применение геотермальных насосов в условиях российского климата

Теперь вы знаете, чем отличаются типы тепловых установок, и сможете правильно определить, какой именно необходим в вашем случае. Воздушный тип пригоден для регионов, где температура не опускается ниже нуля. Это отличный способ организовать отопление дачи тепловым насосом, если собственник проводит там досуг с семьей с весны по осень. На зиму систему консервируют. В Сибири, Северных регионах, и даже в Европейской части России об отоплении зимой воздушными агрегатами не стоит и помышлять.

Водяные также не подойдут людям, живущим в условиях вечной мерзлоты. Здесь вода в грунте есть, но она находится в виде льда, а значит, не может служить источником тепла. На юге Российской Федерации, где глубина промерзания грунта невелика, а подземные реки и озера залегают неглубоко, такие устройства вполне жизнеспособны и достаточно эффективны. А вот геотермальные – универсальный вариант, и поэтому является самым востребованным на всей территории РФ, несмотря на трудоемкость организации зонда или коллектора.

Применение геотермального насоса для охлаждения

Некоторым производителям удалось интегрировать функцию кондиционирования. Такие модели стоят дороже, но нет необходимости нести дополнительные затраты, ведь нужно покупать кондиционеры для всех комнат. Если же такой опции изначально не предусмотрено, делают гидравлическую развязку, что также требует капиталовложений.

Охлаждение происходит благодаря холодным панелям на стенах и потолке, охлаждающему «теплому пол», через радиаторы отопления с хорошим обдувом или же с помощью фанкойла. В последнем случае речь идет о пластинчатом теплообменнике, вмонтированном в кожух с вентилятором и направляющими жалюзями.

Применение геотермального насоса для горячего водоснабжения

Каждая из описанных выше схем позволяет не только обогревать жилище, но и снабжать людей горячей водой, причем независимо от времени года. Даже при отключенном отоплении в трубах будет вода с температурой от +45 до +60 град. Используется специальная емкость с теплообменником – бойлер. Проточные модификации не нашли применения ввиду слабой эффективности и отсутствия возможности иметь запас. Недостаток – необходимость обустройства отдельного помещения под котельную.

Обычный водонагреватель не подойдет. Покупают специализированное оборудование, предназначенное для подключения к теплонасосной установке. Такой бак обойдется дороже, ведь для эффективного разогрева объема воды потребуется развитая сеть теплообменных элементов, что влечет за собой удорожание. Материалов расходуется больше, а устройство сложнее в исполнении. Однако экономия перекроет затраты уже в первые год-два в зависимости от частоты использования и количества жильцов.

Геотермальные насосы со встроенным тэном

Это способ решить массу возможных проблем. Даже если морозы превысят отметку в -20 градусов, электроника включит дополнительный нагревательный элемент, и температура в комнатах будет всегда комфортной. Если на зиму дом оставлен без присмотра, такая система не будет заморожена, так как ТЭН поддерживает положительную температуру в системе. Любая поломка не является проблемой, и пока не будут предприняты меры по ее устранению, агрегат работает как обычный электрический котел. Правда придется заплатить чуть больше.

Советы и рекомендации

Выбирая оборудование, оценивайте имеющиеся возможности, но не экономьте. Рассчитывая требуемую производительность, закладывайте запас мощности в 10%. Это необходимо на случай запредельных морозов. Оснащение, работающее на пределе, прослужит меньше, тогда как насос, эксплуатируемый в нормальном диапазоне нагрузки, отработает дольше. Разработку проекта и монтаж доверьте профессионалам. Изучите инструкцию, и не отступайте от требований производителя. Без согласования не вносите в конструкцию изменений.

Содержание

Для обеспечения частного дома теплом традиционно используются агрегаты, работающие на электричестве, твердом, газовом или жидком топливе. В последние десятилетия в качестве альтернативного источника тепловой энергии используют солнечные коллекторы и тепло земных недр. Обогрев дома с помощью тепла земли называется геотермальным отоплением дома.

Геотермальное отопление дома за счет энергии земли

Отопление от земли пользуется растущим спросом, поскольку стоимость привычных энергоносителей неуклонно повышается, а запасы ископаемого топлива при этом сокращаются. Вложение денег в земляное отопление загородного коттеджа достаточно выгодно с учетом экономических перспектив и существенной экономии средств на автономное теплоснабжение в отопительный период.

Способы получения природной тепловой энергии

Геотермальные тепловые насосы различаются по способу извлечения тепла:

Установки, использующие тепло грунтовых вод глубокого залегания, горячих гейзеров и т.д.
Системы, в состав которых входит резервуар с антифризом, устанавливаемый в грунте на глубине от 75 метров. Отопление из недр земли обеспечивается за счет естественного нагрева емкости с антифризом; в результате хладагент, проходя через теплообменник, отдает полученное тепло и возвращается в емкость.
Геотермальный контур укладывается по дну водоема, который является естественным аккумулятором тепла. В данном случае нужно учесть, что водоем может полностью промерзнуть в зимнее время.

Отопление дома энергией земли требует масштабных работ по монтажу системы, но зато это экологичный способ получить практически бесплатную тепловую энергию. Чтобы отопить дом, потребуются незначительные расходы на электроэнергию, необходимую для функционирования системы.

Принципы функционирования геотермального отопления

Отопление за счет энергии земли успешно применяется в различных климатических зонах: системы способны работать и в южных, и в северных регионах.

Геотермальная установка в процессе своего функционирования использует такое физическое свойство некоторых жидкостей, как способность испаряться, что приводит к охлаждению поверхности. Именно это явление лежит в основе работы холодильного оборудования.

Принцип работы геотермального отопления представляет собой запущенный в обратную сторону процесс охлаждения. Именно так работают кондиционеры, способные не только охлаждать, но и подогревать воздух в помещении.

Однако, установки для кондиционирования воздуха имеют ограниченную работоспособность — они не могут функционировать при температуре ниже -5°C. А геотермальная система способна обеспечить обогрев дома независимо от температуры воздуха на поверхности. Это связано с тем, что в той среде, откуда она забирает тепловую энергию, естественным образом поддерживаются стабильные температурные условия.

Устройство геотермальной отопительной системы

Геотермия (наука о тепловом состоянии Земли) сделала возможным практическое применение тепловой энергии, которую земная кора получает от раскаленной магмы в центре планеты.

Специально разработанный тепловой насос для отопления дома устанавливается на поверхности, а в грунте или на дне водоема монтируется теплообменник. Тепловая энергия «выкачивается» на поверхность и позволяет нагреть теплоноситель в контуре отопления дома или объекта нежилого назначения.

Геотермальное отопление частного дома — экономически эффективный вариант. Если использовать энергию земли для отопления дома, то на каждый киловатт электроэнергии, необходимой для работы оборудования, приходится от 4 до 6 кВт полезной тепловой энергии, полученной из недр планеты.

В сравнении с функционированием кондиционера увидим, что при его эксплуатации на получение 1 кВт тепловой энергии требуется затратить более 1кВт электроэнергии. Это связано с неизбежными потерями на преобразование одной энергии в другую и т.д.

Отапливать жилой дом за счёт тепловой энергии земных недр очень выгодно, но период окупаемости оборудования и затрат на монтаж займет определенное время.

Использование тепла земли для отопления дома не требует установки традиционного котла для нагрева теплоносителя.

В данном случае система состоит из трех составляющих:

контур нагревания — геотермальный источник тепловой энергии;
отопительный контур внутри дома — низкотемпературный радиаторный либо напольный;
насосная станция — тепловой насос для перекачивания в отопительный контур тепловой энергии из контура нагревания в толще грунта или под водой.

Геотермальная система отопления может применяться также для обогрева теплиц, вспомогательных построек, воды в бассейне, садовых дорожек и т.д.

Оборудование для обустройства геотермального отопления

Геотермальное оборудование для глубинной отопительной системы позволяет аккумулировать извлеченную из окружающей среды тепловую энергию и передавать ее теплоносителю в отопительном контуре.

Список оборудования для обогрева с помощью тепла земли включает:

Испаритель. Устройство располагают на глубине, и оно служит для поглощения находящейся в геотермальных водах или грунте тепловой энергии.
Конденсатор. Позволяет довести температуру антифриза до необходимой для функционирования системы величины.
Тепловой насос. Обеспечивает циркуляцию антифриза в контуре нагревания, контролирует работу геотермальной установки.
Буферный бак — емкость для сбора нагретого антифриза. Позволяет передавать тепловую энергию земных недр теплоносителю. Бак, через который проходит теплоноситель, оборудован теплообменником в виде змеевика. По нему, отдавая тепло, движется нагретый антифриз.

Монтаж системы

Геотермальное отопление загородного дома на этапе обустройства требует солидных денежных вложений. Высокая итоговая стоимость системы во многом обусловлена большим объемом земельных работ, связанных с монтажом контура нагревания.

С течением времени финансовые затраты окупаются, поскольку используемая в отопительный сезон тепловая энергия извлекается из земных глубин с минимальными затратами электроэнергии.

Монтаж горизонтального теплообменника геотермальной системы отопления

Для обеспечения отопления дома теплом земли необходим монтаж системы:

основная часть должна располагаться под землей или на дне водоема;
в самом доме устанавливается только достаточно компактное оборудование и прокладывается контур радиаторного или напольного отопления. Оборудование, расположенное внутри дома, позволяет регулировать уровень нагрева теплоносителя.

Как выглядит геотермальное оборудование в доме

При проектировании отопления за счет тепла земли, необходимо определиться с вариантом монтажа рабочего контура и типом коллектора.

Различают два типа коллекторов:

Вертикальный — погружается в грунт на несколько десятков метров. Для этого на небольшом расстоянии от дома требуется пробурить некоторое количество скважин. В скважины погружается контур (самый надежный вариант — трубы из сшитого полиэтилена).
Недостатки: Большие финансовые затраты на бурение в грунте нескольких скважин глубиной от 50 метров.

Преимущества: Подземное расположение труб на глубине, где температура грунта отличается стабильностью, обеспечивает высокую эффективность работы системы. Кроме того, вертикальный коллектор занимает небольшую площадь земельного участка.
Горизонтальный. Использование такого коллектора допускается в регионах с теплым и умеренным климатом, так как глубина промерзания грунта не должна превышать 1,5 метров.
Недостатки: Необходимость использования большой площади участка (основной недостаток). Этот участок земли после укладки контура невозможно использовать под сад или огород, так как система работает с выделением холода при транспортировке хладагента, из-за чего корни растений будут перемерзать.

Преимущества: Более дешевые земельные работы, которые можно даже выполнить своими силами.

Горизонтальный и вертикальный тип коллектора

Геотермальную энергию можно добывать, если уложить на дне непромерзающего водоема горизонтальный геотермический контур. Однако, это сложно осуществить на практике: водоем может быть расположен за пределами частной территории и тогда установку теплообменника нужно будет согласовывать. Расстояние от отапливаемого объекта до водоема должно составлять не более 100 метров.

Важно! Температура окружающей коллектор среды не должна опускаться ниже +5°C. Контактирующую с промерзающим грунтом верхнюю часть коллектора нужно защитить термоизоляцией для избежания потерь тепловой энергии.

Преимущества и недостатки

Отопление энергией земли имеет целый ряд преимуществ:

Эффективность. По сравнению с расходами на электричество для работы теплового насоса система позволяет получить в несколько раз больше тепловой энергии.
Экологичность. Данный вид отопления экологически полностью безвреден, отсутствуют выбросы в атмосферу.
Безопасность. Нет необходимости использовать какое-либо топливо, химические средства и т.д., нет угрозы взрыва или возгорания оборудования.
Минимальная потребность в техподдержке. Правильно смонтированная система способна проработать без какого-либо вмешательства не менее 30 лет.
Экономичность. В ходе эксплуатации отсутствуют затраты на ремонт, что позволяет окупить монтаж отопления в течение 5-8 лет.
Отсутствие необходимости контролировать работу системы.
Низкий уровень шума при работе оборудования.
Неисчерпаемость источника тепловой энергии, не требуется закупать и хранить энергоноситель.

Экологичность использования тепловой энергии недр

К недостаткам можно отнести:

изначально высокие расходы на оборудование;
необходимость вести сложные буровые работы на участке для монтажа вертикального контура или портить ландшафт подготовкой траншей для горизонтального теплообменника.

В умеренном климате геотермальные установки доказали свою эффективность. В северных же регионах данный вид отопления подходит для домов небольшой площади (до 200 м²).

Разобравшись, как работает система и из каких частей стоит, можно определить возможность ее монтажа на собственном участке. Преимущественно отопление из земли обустраивают на этапе строительства дома — в этом случае проще вести земляные работы, так как планировка участка и создание ландшафтного дизайна еще впереди.

Видео по теме:

Используемые источники:

https://stroy-podskazka.ru/otoplenie/geotermalnoe-otoplenie/
https://otoplenie-doma.org/geotermalnoe-otoplenie.html
https://otopleniesam.ru/alternativnoe-otoplenie/geotermalnoe-otoplenie/minusyi-geotermalnogo-otopleniya.html
https://vodatyt.ru/otoplenie/teplovoy-nasos-chto-eto.html
https://profiteplo.com/sistemy-otopleniya/107-geotermalnoe-otoplenie-doma-teplom-zemli.html