Геотермальное отопление для частного дома за счет тепла и энергии из недр земли: что такое система с внешним земляным контуром

Геотермальное отопление, принцип работы, достоинства и недостатки, вертикальная скважина, горизонтальный коллектор, подводный контур, тепловой насос, расчет мощности, теплый пол.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Горизонтальные коллекторы для обогрева дома теплом земли

Их используют в регионах с относительно теплым климатом, где глубина промерзания почвы не превышает 1-1,5 метров. Организовать отопление дома от земли в данном случае гораздо проще, ведь траншеи можно выкопать и самостоятельно, и стоимость работ значительно уменьшится. 

Но и у такой схемы есть недостатки. Прежде всего, выполнить отопление из земли своими руками не так-то просто: например, для дома площадью 275 «квадратов» потребуется уложить в траншеи 1200 метров труб. Помимо того, что придется потратить много времени на копание траншей, трубы еще и займут большую площадь. Использовать этот участок, например, для сада или огорода, нельзя: корни растений будут перемерзать из-за особенностей работы коллектора.

подземное отопление частного дома

Таким образом, отопление энергией земли является хорошей идеей, но весьма сложной в реализации. Аналогично обстоят дела и с солнечным обогревом. Именно по этой причине альтернативные источники энергии на сегодняшний день мало распространены.

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.

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

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.

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 ...