Как устроено геотермальное отопление дома?

В любом частном доме актуальна проблема отопления; и сегодня вариантов обогрева своего жилища можно выбрать множество. Немногие знают, но один из них – это геотермальное отопление. Более того, далеко не все знают, что для того чтобы использовать энергию земли вовсе необязательно строить свой дом рядом с горячим водным источником или гейзером. Ведь современные геотермальные установки показывают отличные результаты даже в средней полосе России, где невысокие среднегодовые температуры. И в этой статье мы расскажем о том, что такое геотермальное отопление загородного дома, об основных принципах его работы, достоинствах и недостатках.

Геотермальное отопление дома: принцип работы

На самом деле, принцип работы таких систем отопления в чем-то похож на принцип работы кондиционеров и холодильных установок. Только здесь при помощи особого геотермального насоса из земли отбирается тепловая энергия. А принцип работы такой установки заключается в следующем. В подсобном помещении либо в самом доме монтируется тепловой насос, от которого в землю идет специальный теплообменник, по нему и циркулирует теплоноситель. Между прочим, такие системы могут эффективно работать не только в частном доме, но и в производственном здании.

Отметим, что при обустройстве данного вида отопления на 1 кВт потраченной электрической энергии на выходе получается от 4 до 6 кВт энергии тепловой. И если сравнивать их по эффективности с системами кондиционирования, то в последних результат обычно – один к одному. А потому если обустроить геотермальное отопление дома по всем правилам, то оно точно со временем окупится.

Как правило, температура грунта, в который теплообменник опускается, составляет от 5 до 7 градусов со знаком «плюс». Между тем, физические свойства газов таковы, что при сжатии и расширении они меняют свою температуру. А потому такая довольно низкая температура земли и превращается в нагретый теплоноситель, энергии которого хватает вполне для обогрева целого дома. После того, как теплоноситель отдает свое тепло системе отопления, он возвращается к своему обычному давлению, и снова возвращается в теплообменник, где опять нагревается от грунта. Данный процесс называется циклом Карно. И на нем и основывается геотермальное отопление частного дома.

Геотермальная система отопления: варианты реализации

Сегодня существует сразу несколько способов получить и использовать энергию земли. Причем их основные различия заключаются только в месте нахождения внешнего теплообменного контура. Внутренний теплообменный контур во всех случаях применяется одинаковый. Так, есть два основных способа реализации этой идеи:

• теплообменник устанавливается вертикально;
• теплообменник устанавливается горизонтально.

Кроме того, весьма популярен и вариант, когда теплообменник просто помещают в находящийся неподалеку водоем. Все эти способы мы и рассмотрим далее более подробно.

Вертикальный вариант

На глубине около ста метров под поверхностью земли температура грунта постоянная, и составляет она примерно плюс десять градусов. Но для того чтобы использовать такую тепловую энергию, придется бурить скважину. А так как вредить окружающему ландшафту нежелательно, специалисты обычно бурят скважины из одной точки, но под разными углами к поверхности. В таких скважинах и монтируется внешний контур для геотермического обогрева. Последний обеспечивается эффективный отбор тепла из земли. Как правило, этот способ довольно аккуратный, и, как уже было сказано выше, практически не портит ландшафт рядом с частным домом.

Однако, так как при этом требуется бурить действительно глубокие скважины без специального оборудования тут не обойтись. А значит, и геотермальное отопление своими руками сделать, точно не получиться. Кроме того, такой способ реализации геотермального проекта востребован, если дом уже построен, и территория вокруг него также обустроена.

В зависимости от конкретной ситуации глубина скважин может составлять 70-200 метров; последняя зависит как от геотермальной обстановки, так и от геологической ситуации в месте бурения. Как правило, специалисты гарантируют срок работы таких установок до ста лет, однако в действительности может потребоваться замена отдельных узлов уже спустя 20-30 лет активной эксплуатации.

При вертикальной схеме расположения теплообменника, и извлечении энергии из подземных вод, делается 2 шахты. Первая скважина в этом случае называется дебетовой; она необходима для того, чтобы производить забор воды. Последняя поставляет тепло во внутренний контур, а затем сливается во вторую шахту, называемую приемной. Однако главный недостаток такой системы – это небольшая эффективность; ведь значительное количество электроэнергии просто уходит на поддержание циркуляции при помощи насоса для отопления дома. Но такие геотермические системы все же подходят для создания теплых полов в частном доме.

Вертикальный вариант геотермального отопления

Геотермия с использованием горизонтальной схемы

В этом случае теплообменник, как ясно из названия, укладывается горизонтально. Однако перед тем, как остановиться на данной схеме, следует поинтересоваться глубиной промерзания грунта в вашей местности. Само собой, что трубы теплообменника надо закапывать на глубину, ниже точки промерзания земли. Пространство, под систему, естественно, потребуется гораздо большее, чем в случае с вертикальной схемой.

Для сравнения, если у вас загородный дом, площадью в двести пятьдесят квадратных метров, то теплообменник потребуется площадью в шестьсот метров квадратных; и это, пожалуй, главный минус таких систем. Но если у вас на участке перед домом места вполне достаточно, то почему бы эту схему и не использовать. А вот если уже разбит сад, то придется выбрать что-то одно.

При установке горизонтальной системы, предстоит сделать большой объем земляных работ. И потому к такому варианту прибегают, когда еще только идет строительство, и на участке ничего не посажено и не возведено. Более того, хорошо, когда проект участка, дома и отопления делается одновременно, и все в себя включает.

Отопительная система с теплообменником в водоеме

Иногда, хотя и довольно редко, горизонтальный теплообменник помещают в водоем – естественный либо искусственный. Правда, последний точно не должен в зиму промерзать до самого дна; ведь именно на дне водоема и размещается контур. Для того чтобы организовать такую схему отопления, площадь водоема должна быть, как минимум, двести квадратных метров. Между прочим, такой способ считается наименее затратным, ведь не приходится ничего бурить. Однако далеко не все частные дома строятся на берегу водоемов соответствующих размеров. Кроме того, если этот водоем еще и общественный, то какие-либо действия с ним, должны производиться только в рамках закона, что так же далеко не всегда возможно.

Особенности забора тепловой энергии из-под земли

Перед тем, как использовать такой способ отопления на своем дачном участке или заказать геотермальный обогрев в загородном доме «под ключ», следует узнать еще несколько особенностей такого отопления.

Геотермальная система отопления

В отличие от систем, в которых используется, скажем, газ либо электричество, теплоноситель в геотермальных контурах никогда не нагревается до высоких температур. Следовательно, здесь требуется, и потратить меньше энергии. Но для поддержания комфортной температуры в дома в этом случае потребуется большие площади радиаторов. А потому, чтобы не тратиться на обилие батарей, обустраиваются только теплые полы. Причем специалисты и в большинстве других систем называют такой вариант наиболее оптимальным, так как тепло сразу поступает в жилую зону, а не поднимается сначала под потолок, как от батарей.

Плюсы и минусы

К преимуществам этой системы обогрева с легкостью можно отнести следующее:

• стабильный и почти неисчерпаемый источник энергии;
• этот вид обогрева считается чуть ли не бесплатным для владельца загородного дома (если не считать затраты на электричество);
• за исключением северных регионов, геотермальное отопление в России можно использовать практически везде;
• во время работы системы не образуются вредные вещества;
• установку можно настраивать как на обогрев, так и на охлаждение – что весьма актуально жарким летом;
• существует возможность интеграции геотермальной установки с имеющимися системами на основе обогрева газом или электричеством.

• достаточно долгий срок окупаемости;
• значительная сумма первоначальных вложений на покупку оборудования, бурение скважин и монтаж.

YouTube responded with an error: The request cannot be completed because you have exceeded your quota.

Геотермальное отопление: принцип работы, плюсы и минусы, тонкости построения

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.

Рекомендации по эксплуатации

Наиболее эффективная работа теплового насоса обеспечивается в помещениях, где температура воздуха составляет от 14 градусов тепла. При любой возможности стоит предпочитать вертикальное расположение контуров горизонтальному, потому что оно самое эффективное из всех. Судя по отзывам, в чистом виде геотермальный обогрев нерационален, он прогревает воду слишком долго, потому во многих случаях такая система выполняет сугубо вспомогательную роль. Чтобы добиться высочайшей результативности, следует ориентироваться на максимально допустимую интенсивность вовлечения теплового ресурса и расчетных дебитов скважины.

Если внизу расположены не сухие породы, а горячая вода, это практически оптимальная ситуация. Тогда появляется возможность сэкономить и получить максимальную выгоду. Но надо помнить, что если планируется попутно использовать горячие подземные источники для водоснабжения, вода в них должна соответствовать типовым санитарным требованиям. Когда химический анализ показывает присутствие агрессивных компонентов, целесообразно организовать два автономных контура, жидкость в которых не перемешивается, а происходит только обмен теплом. На стенах закрепляют компрессоры либо от холодильников, либо от кондиционеров.

Если проводка в доме довольно слабая, стоит применить пару компрессоров, чтобы сократить пусковой ток благодаря последовательному включению. При монтаже конденсаторов следует заботиться о движении в них фреона от верхней точки к нижней, а не наоборот. Чтобы коллектор стабильно работал и обогревал помещение, его площадь (для частного дома величиной 100 кв. м) должна составлять 200-250 м2. Горизонтальную схему отопления не стоит использовать, если планируется впоследствии разбить сад или огород. Для комплектования системы можно использовать даже обычный скважинный насос.

О том, что такое геотермальное отопление и как его установить, смотрите в следующем видео.