Геотермальное отопление дома: принцип работы, монтаж своими руками, обогрев из земли

Что такое геотермальное отопление и в чем его суть? Принцип работы и практическое применение. Перспективы развития геотермальных конструкций. Подробнее читайте в нашей статье Geotermal54.

Геотермальное отопление: как оно работает

Первые дома, обогреваемые теплом Земли, стали появляться 50 лет назад; сегодня их можно встретить по всему миру, от Канады до Новой Зеландии.

Работа устройства, использующего тепловую энергию недр, основана на применении обратного цикла Карно, описывающего круговые процессы обмена теплом. Такая термодинамическая система функционирует благодаря разнице температур составных частей; принцип давно и успешно реализован в холодильниках и кондиционерах.

Чтобы запустить геотермальное отопление дома, нужно организовать систему, которая будет собирать тепло из почвы (или воды) и передавать его в контур отопления дома. Подземное тепло генерируется в любой точке земного шара, и геотермальное отопление успешно реализуется в России, например, в Московской области. Интересно, что схема функционирует таким образом, что летом она работает как кондиционер, а зимой – как источник отопления.

Принцип геотермальной системы отопления

Принцип геотермальной системы отопления Источник eurobion.info

На глубине шести метров начинается зона, где температура остается стабильной круглый год. Она сохраняется на уровне средней годовой температуры атмосферы в данной местности; в областях с умеренным климатом это +15°C, ниже она растет. Для сбора подземной тепловой энергии применяется контур (теплообменник). Это трубопровод, который монтируют под землей или под водой. Для организации отопления из земли используют следующие методы:

  • В вертикальную скважину. Вариант, подходящий для небольших участков. Рядом с домом пробивают две геотермальные скважины по 80-90 м, в каждую помещают геотермальный зонд. Тепловой насос поднимает нагретую воду, она проходит через теплообменник и отдает тепло во внутренний контур дома. Вертикальный контур отличается наибольшей энергетической эффективностью и сроком эксплуатации.
  • С устройством горизонтального коллектора. Метод подходит для участков большой площади. Чтобы получить исправно работающий коллектор, с помощью экскаватора подготавливают траншеи глубиной 2-2,5 м, куда укладывают ПНД (полиэтиленовые) трубы. Площадь участка, с которого будет собираться тепло, соизмерима с площадью жилья.
Разновидности геотермальных систем

Разновидности геотермальных систем Источник wsimg.com

  • На дне водоема. Горизонтальный коллектор (зонды горизонтального типа) устанавливают на дне, если водоем обладает достаточными габаритами (площадью и глубиной), и находится недалеко от дома. Способ также демонстрирует хорошую энергоэффективность.
  • С использованием антифриза. На достаточную (75 м и более) глубину погружают емкость, заполненную антифризом. Нагретая жидкость поднимается тепловым насосом и отдает энергию теплообменнику, а затем возвращается под землю для следующего цикла.
uslugi.png

1. Откуда в земле берется тепло для отопления дома?

На глубине до 15 метров грунт нагревается тепловой энергией солнца и дождя, верхние слои почвы  ниже промерзания грунта – это, в сущности, аккумуляторы солнечной энергии, в которых круглый год сохраняется плюсовая температура. Дальше, как выяснили ученые, через каждые 100 метров вглубь температура планеты поднимается на 3°С. В отличие от солнечной энергии, или энергии ветра геотермальная энергия не зависит от погоды, от времени года и других факторов, это стабильный и неисчерпаемый вид энергии, поэтому ученые уделяют ему так много внимания.

Плюсы и минусы технологии

Геотермальное отопление дома, принцип работы которого не включает сжигание топлива, идеально с точки зрения современных представлений об экологической безопасности. Геотермальная отопительная система предоставляет своим владельцам следующие преимущества:

  • Безопасность во всех сферах: отсутствие вредных выбросов, что важно для здоровья хозяев, их домашних животных, для окружающей среды, а также пожаробезопасность.
  • С отсутствием топлива пропадает необходимость в его закупке (заготовке), доставке и хранении.
Система теплового насоса

Система теплового насоса Источник 1-teplodom.ru

  • Экономическая выгода. Силы природы работают бесплатно. Вы тратитесь только на приобретение и монтаж системы, а во время эксплуатации – на электроэнергию для теплового насоса. При этом в отрегулированной системе на каждые 1 кВт, затраченных на работу насоса, приходится около 3,5-4 кВт, добытых из-под земли.
  • Компактные размеры. Основной по размеру контур прячется под землю (воду), в доме нужно будет установить только насос, и отдельная котельная для этого не нужна.
  • Доступность. Оборудование можно установить где угодно. Единственное условие для начала работы – наличие электричества в доме.
  • Многофункциональность. Когда холодно, система работает на обогрев, когда жарко – на охлаждение.
  • Долгий срок эксплуатации. Технологически правильный монтаж станет гарантией длительного функционирования. Геотермальный контур надежно защищен толщей земли, а срок службы тепловых насосов составляет 25-30 лет.
Тепловой насос – часть геотермального контура

Тепловой насос – часть геотермального контура Источник baraholka.com

chto-takoe-teplovoy-nasos-i-kak-gramotno-ego-vybrat-1178183.jpg

Владельцы, не доверяющие геотермальному отоплению частного дома, выдвигают следующие аргументы:

  • Приходится идти на значительные затраты, чтобы подготовить систему к работе: приобрести насос, дополнительные материалы, выполнить монтаж внешнего и внутреннего контура. Оборудование обойдется в 8-10 раз дороже, чем аналогичная газовая техника.
  • Геотермальная система не является автономной. Чтобы она функционировала, на каждые 4 кВт тепловой энергии придется тратить 1 кВт электричества.
  • Уровень теплоотдачи иже, чем у традиционных технологий. Например, контур, уходящий вглубь на 20-30 м, отдает только 40 Вт тепла с одного погонного метра.
  • Длительный период окупаемости. В среднем он превышает 10-15 лет, тогда как среднему по мощности газовому котлу (до 12 кВт) понадобится примерно 5 лет, чтобы окупиться.

Устройство и принцип работы геотермального отопления

Наглядно увидеть как работает тепловой насос можно на примере бытового холодильника или сплит-системы. Если дотронуться до радиатора на тыльной стороне холодильника, он окажется горячим, в то же время стенки морозильной камеры будут охлаждены.

В похожем режиме работают разнесённые в пространстве кондиционеры – внутренний блок охлаждён и служит источником прохлады, наружный блок сбрасывает на улицу тепло. В реверсном режиме сплит-система греет воздух в помещении.

Принцип работы теплового насосаСхематический принцип работы теплового насоса.

В тепловом насосе, предназначенном для отопления, внешний блок забирает тепло из воздуха, грунта или воды, для чего прокладывают внешние контуры из труб. В водяных контурах возможна перекачка воды, вход и выход в этом случае располагают на расстоянии около 20 метров. После преобразований в центральном блоке тепло поступает в дом.

Геотермальное отопление дома схемаАльтернативный способ организации посредством перекачки грунтовых вод.

В состав геотермальной системы отопления входят:

  1. Непосредственно тепловой насос с компрессором, испарителем, конденсатором и дроссельным клапаном.
  2. Контур низкотемпературного тепла.
  3. Контуры обогрева помещений (водяной или жидкостный) и подогрева воды.

В основе работы заложены работы Николя Леонара Сади Карно, одного из видных учёных, изучавших термодинамику на стадии становления этой науки. Подробно алгоритм работы заключается в следующем:

  1. Теплоноситель внешнего контура перекачивается по трубам. За время движения жидкость нагревается на несколько градусов от тепла земли, воды или воздуха.
  2. Внешний контур проходит через теплообменник-испаритель, где нагревает хладагент, например, фреон, который испаряется. Кроме того, хладагент поступает в испаритель через капиллярное отверстие и резко расширяется, что также способствует нагреванию.
  3. Компрессор сжимает нагретый хладагент, ещё больше повышая температуру фреона.
  4. Горячий сжатый хладагент поступает в конденсатор, где, охлаждаясь и превращаясь из пара в жидкость, отдаёт тепло теплоносителю системы отопления, циркулирующему уже по трубам отопления. Другой вариант — нагревает воздух, который распределяется по помещениям.
  5. Далее хладагент вновь поступает в испаритель, где нагревается новой порцией теплоносителя, циркулирующего во внешнем контуре.

Часто задают вопрос: откуда получается КПД тепловых насосов 300-700%. Это происходит благодаря тому, что теплоноситель внешнего контура выходит из насоса имея температуру от -15°C до +7оС и нагревается грунтом (водой, воздухом) до на 2-8°С, т.е. «забирает» часть энергии из внешних источников. Хладагент в насосе испаряется не только за счёт работы компрессора, но и из-за поступившего извне тепла.

Важно! Точные цифры температуры теплоносителя внешнего контура могут меняться у разного оборудования, но, чтобы тепловой насос выполнял свои функции, теплоноситель должен нагреваться хотя бы на 2-4 градуса. В противном случае экономический эффект отсутствует или даже получается отрицательным.

3. На каком участке можно установить горизонтальный геотермальный коллектор?

Горизонтальным коллекторам нужны большие площади, это их главный недостаток. Для дома площадью до 100 кв. м. придется котлован или сеть траншей площадью в 2-3 сотки. Площадь над коллектором нельзя застраивать и высаживать на ней деревья и кустарники с глубокой корневой системой, но можно «травку и цветочки». Имеет значение и уже имеющиеся растительность и постройки на участке. От площадки, где будет коллектор, должна быть минимум двухметровая дистанция до теневой зоны от деревьев и построек. Также рекомендуются выдерживать расстояния:

  • 1,5 м от электросетей и газопровода;
  • 2 м от водопровода и канализации;
  • 3 м от фундаментов, колодцев, септиков и пр.

Принцип работы такого отопления

Если вы знакомы с тем, как работает кондиционер или холодильник, то схожесть этих процессов с принципом функционирования геотермального отопления очевидна. Основу системы составляет тепловой насос, который включается в два контура – внешний и внутренний.

Чтобы организовать традиционную систему отопления в любом доме, необходимо смонтировать в нем трубы для транспортировки теплоносителя, и радиаторы, при нагревании которых тепло будет поступать в помещения. В нашем случае трубы и радиаторы тоже нужны. Они и образуют внутренний контур системы. В схему могут быть добавлены теплые полы.

Внешний контур выглядит гораздо масштабнее внутреннего, хотя его размеры можно оценить только в период планировки и монтажа. В процессе эксплуатации он невиден, поскольку находится под землей или под водой. Внутри этого контура циркулирует обычная вода или антифриз на основе этиленгликоля, что гораздо предпочтительнее.

Принцип работы теплового насоса

В состав геотермальной системы отопления входят два контура – внутренний и внешний, а так же сердце отопительной системы – тепловой насос, который, сжимая теплоноситель, повышает его температуру (+)

Теплоноситель

во внешнем контуре прогревается до состояния среды, в которую он погружен, и отправляется в «подогретом» виде в тепловой насос. Через него сконцентрированное тепло сообщается внутреннему контуру, в результате чего вода в трубах, радиаторах и теплых полах нагревается.

Таким образом, ключевым элементом, оживляющим всю систему, является тепловой насос. Если в вашем доме есть обыкновенная стиральная машинка, то знайте: этот насос займет приблизительно аналогичную площадь.

Для работы ему нужна электроэнергия, но, потребляя всего 1 кВт, он обеспечивает выработку 4-5 кВт тепла. И это не чудо, поскольку источник «добавочной» энергии известен – это окружающая среда.

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.

Коротко о главном

Геотермальное отопление является перспективной, но недооцененной системой для частных домов. Его можно организовать тремя способами: в вертикальной скважине, в виде горизонтального подземного коллектора или под водой.

Обогрев подземным теплом экономически выгоден; максимального эффекта от установки можно добиться при использовании теплых полов. Система работает круглогодично: зимой нагревает помещения, а летом снижает температуру воздуха, из-за чего отпадает надобность в кондиционере. Многие владельцы загородных домов не спешат выбирать экологичную технологию по причине высоких трат на покупку и монтаж оборудования.

Прочитать позже

Отправим материал на почту

Заказывайте монтаж инженерных коммуникаций любой сложности у профессионалов

Оставить заявку

Экономическое обоснование использования геотермальных тепловых насосов

Выбор того или иного способа отопления дома зависит от многих параметров:

  • технической возможности и стоимости подключения к сетям поставки энергоресурсов (газ, электричество);
  • стоимости оборудования и монтажных работ;
  • сроков эксплуатации установленного оборудования;
  • эксплуатационных расходов на энергоресурсы и техническое обслуживание системы в течение срока эксплуатации.

В статье сравним затраты на отопление дома площадью в 200 м2 на протяжении 10 лет эксплуатации разными способами: магистральным газом, электричеством, газом из индивидуального газгольдера, тепловым насосом, питаемым электроэнергией.

Изначальные и эксплуатационные расходы

В смету на изготовление полной системы отопления, организованной с помощью теплового насоса входит цена:

  • насоса необходимой мощности;
  • труб внешнего контура;
  • дополнительного оборудования – циркуляционного насоса, расширительного и накопительного баков;
  • труб для обустройства «тёплого пола» или воздуховодов для распределения тепла по помещениям;
  • запорной и регулирующей аппаратуры;
  • монтажных и пусконаладочных работ.

Мощность насоса должна на 10–15% превышать тепловые потери дома через стены, пол потолок, двери и окна. В среднем считают, что для Средней Полосы дом 200 м2 потребует установки насоса мощностью 13 кВт для отопления и ещё около 700 Вт уйдёт на подготовку горячей воды для санитарных нужд. Таким образом, необходимо приобрести тепловой насос мощностью 14 кВт.

Насос геотермального отопленияТак выглядит типичная «котельная» с тепловым насосом.

Цена такого оборудования у разных производителей колеблется от 210 000 рублей в базовой до 500 000 рублей в премиум комплектации.

Длина труб коллектора будет зависеть от структуры почвы:

  • сухой песок отдаёт 10 Вт/м длины трубы диаметром 25 мм;
  • сухая глина – 20 Вт/м;
  • влажная глина – 25 Вт/м;
  • глина с большим содержанием грунтовых вод – до 35 Вт/м.

Таким образом, длина контура составит от 400 до 1 200 м.

Вертикальные контуры выгоднее по теплоотдаче:

  • осадочные породы отдают 20 Вт/м;
  • каменистая почва и влажные осадочные породы с грунтовыми водами – 50 Вт/м;
  • подземные воды – до 70 Вт/м.

Исходя из показателей, общая глубина скважин составит от 200 до 700 м, что в 2 раза меньше, чем при горизонтальном расположении. В грунте с хорошей теплоотдачей для дома 200 м2 бурят 3 скважины длиной по 75 метров.

Для обеспечения необходимой мощности циркуляционный насос должен обеспечивать прокачку теплоносителя через контур в объёме 5 м3/час.

В первичном контуре теплонасосной станции устанавливают расширительный бак, ёмкость которого должна составлять 10% от объёма теплоносителя. Его можно узнать, рассчитав внутренний объём труб. Например, 1 м трубы с внутренним диаметром 32 мм содержит 0,8 литра жидкости.

В обратной ветке контура устанавливают накопительный бак объёмом 10-20 литров на 1 кВт мощности насоса, т.е. в нашем случае для насоса 14 кВт потребуется ёмкость объёмом 140-280 литров. Необходимость бака обусловлена тем, что насос без накопительного бака будет работать непрерывно – это снижает срок эксплуатации.

Узнать стоимость оснащения дома тепловым насосом без учёта внутренней разводки можно с помощью калькуляторов, представленных на сайтах производителей оборудования и монтажных организаций. Цены колеблются для разных регионов. Готовые системы под ключ (со стоимостью работ и оборудования) специализированные организации готовы изготовить по цене от 670 тысяч в регионах до 1,5 млн. рублей в Московской области.

Точных данных о сроках эксплуатации систем в России пока нет, но зарубежный опыт показывает, что в среднем тепловые насосы «грунт-вода» служат до замены около 50 лет.

Сравнение стоимости отопления для разных энергоносителей

Средние данные по стоимости оборудования дома и расходам на отопление дома площадью 200 м2 системами с разными энергоносителями приведены в таблице ниже.

Тепловой насос «грунт-вода» Магистральный газ Электричество Газгольдер
Стоимость оборудования и монтажа, тыс. руб. 570-1 500 200-300 (с подключением) 20-60 180-250
Срок эксплуатации До 50 До 50 с заменой котла через 10 лет 7-10 30
Амортизационные расходы, тыс. руб. в год 15-30 5-8 4-6 8-10
Эксплуатационные расходы за год, тыс. руб. 20-40* 30-40 100-200* 50
Общие расходы в отопительный период с учётом амортизации, тыс. руб. 40-70 45-55 110–210* 60-70

*— взят тариф на электроэнергию в среднем 2,52 кВт/ч в сельской местности и 4,8 в городских условиях.

В таблице приведены максимальный расход денежных средств на отопление. В реальной практике затраты несколько ниже, так как в течение отопительного периода случаются продолжительные оттепели, когда оборудование работает в режиме 40-50% мощности.

Геотермальные тепловые насосы набирают всё большую популярность в нашей стране. Принимая решение оборудовать дом именно этой системой, нельзя слепо верить обещанием продавцов. У этого типа оборудования есть недостатки, а расчёт и монтаж следует поручить известным компаниям, изучив максимальное количество отзывов об их работе.

Как не получить иллюзии теплового насос?

Одна из основных причин – это снижение стоимости как оборудования, так и монтажных работ. Если с насосом дела по экономии обстоят сложнее, — единственный путь, занизить мощность, то с работами гораздо проще:

  • можно выполнить траншею не той глубины или (и) малой длины;
  • пробурить скважину недостаточной глубины;
  • использовать некачественные трубы или другого диаметра;
  • вмешательство в конструкцию зонда и другие подобные причины.

Применение геотермального отопления сулит существенные выгоды в процессе эксплуатации, — экономия на внешних источниках энергоносителей и почти полная независимость от электроэнергии, но требует значительных начальных инвестиций.

6. Какие трубы используют для горизонтальных коллекторов?

Трубы должны быть долговечными, без соединений в земле, которые могут дать течь (а если какие-то соединения есть, к ним нужно предусмотреть доступ). Для устройства горизонтального коллектора идеально подходят  трубы из прочного сырья и с минимальной стенкой: ПНД 40×2 .4, ПЭ100 SDR17. В «горизонтальнике» в качестве теплоносителя применяют незамерзающую жидкость, антифриз (обычно на основе этиленгликоля). Чаще его называют рассолом.

Можно ли оборудовать геотермальную установку своими руками

Установить контуры самостоятельно очень сложно: нужны максимально точные расчеты, выполнить которые могут только специалисты. Малейшие ошибки в проектировании могут привести к низкой эффективности оборудования, и, как следствие, ее доработке, что повлечет к лишним расходам. Параметры, учитываемы при расчете геотермальной системы:

  • климат региона (среднегодовая температура, влажность);
  • извлекаемая тепловая мощность;
  • система отопления дома должна быть низкотемпературной.
  • суммарные теплопотери ограждающих конструкций дома, не должны превышать 70 Вт на 1 квадратный метр площади дома.

Полезное видео

Посмотрите видео, в котором демонстрируется процесс монтажа теплообменника для геотермально системы отопления.

Окупаемость, количество производимой энергии

За один израсходованный кВт электроэнергии система производит 5 и более кВт бесплатной тепловой энергии. По расчетам специалистов, геотермальное отопление окупается примерно за 1 десяток лет. Эта величина уменьшается с увеличением площади отапливаемого помещения.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...