Принцип работы геотермального отопления дома

Принцип работы геотермального отопления

Тепла у Земли предостаточно. Зимой даже в прохладных регионах стоит копнуть несколько метров, как грунт перестает быть мерзлым. Соответственно, ниже он ещё теплее. А что, если собирать тепло из земли и направлять его на свои нужды? Так решили инженеры и придумали геотермальное отопление. Система собирает тепло из-под земли и аккумулирует его, а затем распределяет по дому.

Ключевой элемент отопительной системы – геотермальный тепловой насос. Он одновременно включён в два контура. Первый, внутренний – классическое внутридомовое устройство (трубы и батареи). Внешний контур представляет собой теплообменник впечатляющих размеров. Он может располагаться в толще воды или под почвой. Теплообменник наполнен циркулирующей жидкостью с антифризом в составе.

Принцип устройства геотермального отопления

Функционирует система так:

1. Земля передаёт тепло теплоносителю (жидкости в трубах). Его движет компрессор.
2. Вода нагревает тепловой насос и оттуда поступает во внутреннюю систему: трубы и радиаторы.
3. Полезным элементом системы является буферная ёмкость. Она аккумулирует собранное тепло.

Сам геотермальный насос по размерам не превышает стиральную машину. Обычно его размещают в подвале дома вместе с буферной ёмкостью. Оборудование, а особенно укладка труб под землю – довольно дорогостоящее мероприятие. Но создатели обещают, что геотермалика окупится за несколько лет.

При правильном монтаже и уходе за элементами системы она способна проработать до 100 лет. Производительность геотермального отопления высока. Потратив 1 кВт электроэнергии, насос выработает 4-5 кВт тепловой энергии. Для сравнения: обычный электрообогреватель с вентилятором не «переработает» 1 кВт электричества даже в 1 кВт тепла из-за естественных потерь.

Внимание! Принцип действия геотермального типа отопления схож с работой кондиционера. Соответственно, он может не только обогревать в холода, но и охлаждать помещение летом

Нужно только изменить настройки теплового насоса.

Преимущества и недостатки геотермальных систем отопления

Одним из самых весомых преимуществ геотермальных систем отопления хотим выделить его экологическую безопасность для Вашего жилища. Ведь процесс нормальной работы теплового насоса не сопровождается какими-либо вредными выбросами в атмосферу. А отсутствие горючих веществ в топливном насосе при наличии исправной электропроводки фактически сводит на нет угрозу возгорания.

Отсутствие топлива — это и отсутствие расходов на его доставку и хранение.

Низкое потребление электроэнергии при сравнительно высокой теплоотдаче ( с 1 кВт электроэнергии до 5 кВт тепловой энергии) еще один важный (или самый важный) фактор, определяющий выбор геотермальной системы отопления загородного дома.

Автономность геотермальной системы отопления освобождает вас от необходимостьи следить за ней и обслуживать.

Важным функциональным преимуществом геотермальной системы отопления является ее способность работать как кондиционер в жаркую погоду. В таком режиме происходит все наоборот: тепло из помещения прогревает хладагент, который передает его внешнему тепловому коллектору.

Недостатком такой системы является сложность ее монтажа и соответственно высокая стоимость, как монтажных работ, так и самого оборудования.

Геотермальная система отопления является самой дорогой в монтаже и приобретении оборудования.

Схема исполнения гидротермального отопления

На сегодняшний день наибольшее распространение получили три принципиально отличающиеся схемы обустройства подземного отопления. Для обеспечения максимальной эффективности обогрева дома общая площадь внешнего подземного контура должна быть в 2,5 раза больше отапливаемой площади жилого дома.

В автономном отоплении используются следующие типы геотермального обогрева:

1. Подводный вариант.
2. Горизонтальная закладка.
3. Обустройство скважин.

В каждом конкретном случае выбор той или иной разновидности геотермального отопления будет зависеть от площади дома, финансовых возможностей домовладельца, особенностей местности. Подводный вариант может использоваться в тех случаях, если поблизости имеются глубокие водоемы, которые в зимнее время года не промерзают до дна.

Существует несколько видов закладки подобного отопления

Горизонтальная закладка

Этот вариант гидротермального отопления подразумевает выполнение рядом с домом котлована, глубина которого будет на 2 метра глубже точки замерзания грунта. Соответственно, для нагрева частного дома площадью в 100 квадратных метров потребуется копать котлован с глубиной более 3 метров и общей площадью 250 квадратов.

Если имеющаяся площадь участка позволяет выполнить такой котлован, то горизонтальная закладка станет оптимальным вариантом геотермального отопления частного дома. Внутри котлована закладывают систему труб, по которым циркулирует незамерзающий теплоноситель. Наружный контур отопления выводится в дом и подключается к теплообменной установке.

Из преимуществ этой схемы выполнения геотермального отопления принято выделять ее эффективность, простоту обустройства, снижение расходов на монтаж наружного контура. В то же время необходимо учитывать обязательные требования по правильному расчету объема котлована, который не всегда возможно разместить на небольшом по своей площади приусадебном участке.

Геотермальное отопление дома:

Подводный вариант

Владельцы частных домов, которые проживают поблизости от озер и рек, часто выбирают вариант гидротермального отопления с использованием подводного варианта. Необходимо лишь правильно продумать расположение внешнего контура, который размещают на глубине более 4 метров, что исключает возможность промерзания озера или реки до дна. Подземную и надземную часть контура, которая идет непосредственно от берега озера до обогреваемого частного дома, в обязательном порядке утепляют, а трубы под землей прокладывают на глубине ниже точки промерзания грунта.

Использование подводного варианта позволяет упростить обустройство системы отопления частного дома, так как не требуется проводить дорогостоящие и сложные земляные работы. Внешний контур будет нагреваться от тепла воды, после чего подогретый теплоноситель подается в систему, обеспечивая работоспособность оборудования.

Выполнение гидротермальных скважин

Выполнение геотермальных скважин для организации автономного отопления является оптимальным вариантом, позволяющим существенно снизить затраты домовладельца. Скважина бурится на глубину в 30-50 метров, что повышает эффективность нагрева, так как на больших глубинах температура земли будет выше, нежели у самой поверхности.

Бурение скважины – один из эффективных методов монтажа подобного обогрева

Сегодня многие домовладельцы, обустраивая автономную систему геотермального отопления частного дома, выбирают вариант с бурением скважин, что существенно упрощает прокладку контура. В этом случае обеспечивается максимальная эффективность используемого оборудования, позволяя использовать все возможности таких современных технологий даже при наличии небольшого по площади участка.

Выполнение обогрева частного дома с прокладкой внешнего контура в глубинных скважинах позволяет на 20-30% уменьшить общую стоимость обустройства в доме автономного отопления. Благодаря высокой температуре нагрева теплоносителя в глубинном контуре имеется возможность использования небольших по своей мощности отопительных установок, что упрощает монтаж оборудования, снижает его стоимость, одновременно обеспечивая максимальное удобство проживания в частном доме.

Геотермальная система отопления, плюсы

Достоинства такого варианта поистине заслуживают внимания:

1. Высокий уровень экологичности системы геотермального отопления, так как независимо от продолжительности обслуживания, исключен выброс каких-либо вредных веществ для человеческого организма.
2. Экономия времени и полезной площади, обусловленная отсутствием необходимости регулярной закупки топлива, которой не избежать при организации любой другой системы обогрева здания.
3. Принцип работы геотермального отопления в сочетании с его особенностями устройства полностью исключают возможность возникновения любых аварий, в частности, из-за возгорания.
4. Тепловая энергия земли неисчерпаема, поэтому и срок возможной эксплуатации безграничен.
5. Высокий уровень безопасности при условии выбора качественного оборудования.
6. Низкая цена геотермального отопления, так как основные расходы предусмотрены только в процессе создания цепи.
7. Отличный показатель производительности при правильном выборе технологии и соблюдении условий монтажа геотермального отопления.

О достоинствах и недостатках системы

Впервые к геотермальному отоплению пристально присмотрелись в США, во время кризиса в 80-х. Достаточно дорогие установки прописались в домах самых богатых и продвинутых, но постепенно они становились все доступнее и популярнее. Европа взяла новинку на заметку и стала активно внедрять на своих просторах. Сейчас этот вид отопления уже совсем не диковинка, в Швеции, например, около 70% всего тепла синтезируется при помощи тепловых насосов.

Производители чудо-оборудования и зеленые в один голос твердят о преимуществах этого вида отопления перед всеми остальными, главные плюсы, на которые делается акцент, такие:

• для отопления используется тепловая энергия земли, которая является возобновляемой и неисчерпаемой;
• не существует риска возгорания;
• отпадает потребность в доставке и хранении топливных материалов;
• при работе оборудования не образуются какие-либо вредные выбросы, система абсолютно безопасна и экологична;
• система работает автономно, не нуждается в постоянном контроле и вмешательстве;
• она экономична, практически не требует от владельца затрат на обслуживание;
• при всем разнообразии моделей, коэффициент производительности оборудования остается неизменно высоким.

Геотермальная система отопления хорошо проявила себя в сочетании с «теплыми полами». Подобный дуэт обеспечивает равномерное распределение температуры и препятствует образованию зон перегрева.

Отметим, что на постсоветском пространстве эти системы пока еще не стали популярными. Во многом это объясняется достаточно весомыми капиталовложениями, которые потребуется сделать в самом начале, и довольно длительным сроком окупаемости. Убедить наших сограждан, что это, в конце концов, все равно экономически выгодно, достаточно сложно. Хотя, если учесть ежегодное подорожание привычных теплоносителей и то, что система рассчитана в среднем на 100 лет эффективной работы, то выбор покажется вполне оправданным.

Классификация по конструкционному типу

По виду:

однотрубная. Такая система отопления подойдет для загородного дома площадью до 100 м 2. Труба укладывается по периметру помещения, а от нее ответвляется необходимое количество радиаторов;

двухтрубная. Такая система отопления подойдет для загородных домов площадью свыше 100 м 2. К радиатору подводятся две трубы – одна служит для приведения, а вторая – для отведения теплоносителя.

По способу подачи воды:

естественная. Теплоноситель движется по трубам за счет увеличения или уменьшения плотности в зависимости от температуры;

принудительная. Нагретый до необходимой температуры теплоноситель направляется к радиаторам, где отдает свою энергию, охлаждается и вновь поступает в котел для нагревания.

По способу прокладки труб:

открытый. Производится в загородных домах с деревянными перекрытиями при помощи специальных крепежных клипс;

скрытый. Производится внутри стен дома либо в стяжке пола.

По способу подводки труб:

плинтусный. Трубы устанавливаются внизу вдоль стен в пластиковом коробе;

коллекторный. Трубы от котла прокладываются к радиаторам под полом. Для работы данной системы отопления необходимо установить .

Принцип работы геотермального отопления схож с принципом работы кондиционера или холодильника. Основным элементом является тепловой насос, включенный в два контура.

Принцип работы геотермального (теплового) насоса

Внутренний контур представляет собой традиционную систему отопления, состоящую из труб и радиаторов. Внешний – внушительных размеров теплообменник, находящийся под землей или толщей воды. Внутри него может циркулировать как специальная жидкость с антифризом, так и обычная вода. Теплоноситель принимает на себя температуру среды и «подогретый» поступает в тепловой насос, аккумулированное тепло передается внутреннему контуру. Таким образом происходит нагрев воды в трубах и радиаторах.

Геотермальный (тепловой) насос – ключевой элемент системы. Это компактный агрегат, занимает места не больше, чем привычная нашему взгляду стиральная машина. Если говорить о производительности, то на каждый 1 кВт потребленной электроэнергии, насос «выдает» до 4-5 кВт тепловой энергии. В то время как обычный кондиционер, который имеет схожий принцип работы, на 1 кВт затраченной электроэнергии «ответит» 1 кВт тепловой.

Схема устройства геотермального отопления в частном доме

Как это работает

Вся конструкция состоит из 3 контуров, которые завязаны на так называемый тепловой насос — сердце системы. Тепловым насосом называют агрегат обеспечивающий теплообмен между контурами и циркуляцию теплоносителей внутри контуров.

Схема теплонасоса в разрезе.

Назначение контуров

1. Наружный контур — этот контур расположен непосредственно в земле ниже уровня промерзания или воде. Заполняется этот контур какой-нибудь незамерзающей жидкостью, в самом простом варианте рассолом. Жидкость, нагреваясь под землей, поднимается в теплонасос и отдает тепло второму контуру;

Наружный контур имеет достаточно большую длину.

1. Второй контур заполнен фреоном и полностью спрятан внутри теплонасоса. Температура кипения у фреона достаточно низкая, нагреваясь от первого контура, он превращается в пар и разогревает внутренний, третий контур. Именно поэтому такую систему называют холодильником наоборот;
2. В качестве внутреннего контура выступает отопительная система дома. Название условное, так как этих контуров может быть несколько — отопление радиаторов, теплого пола, обогрев теплицы, нагрев воды для бытового пользования и прочее.

Аппаратура для геотермального отопления не требует отдельного помещения.

Принцип действия

1. Незамерзающая жидкость нагревается на глубине, под землей до температуры, к примеру, 5–7ºС и поступает в тело теплового насоса;
2. Внутри агрегата стоит теплообменник и нагретая жидкость, проходя через него, отдает тепло второму контуру, после чего уходит под землю за новой «порцией тепла»;
3. Фреон, который испаряется во втором конуре попадает в компрессор и при сжатии его температура доходит до 100ºС, чего вполне хватает чтобы разогреть жидкость в третьем контуре, кстати, для этих целей тоже есть теплообменник;
4. С третьим контуром более-менее ясно, он обогревает дом, а вот разогретый фреон поступает в расширительный экран, где давление и температура нормализуются и все начинается снова.

Принцип работы теплонасоса.

Достоинства и недостатки системы

Достоинств у геотермальной системы масса:

• Энергия земли неисчерпаема, это не заправочная станция и тепло там не кончается;
• Система полностью безопасна в пожарном отношении;
• Раз топлива как такового нет, значит доставлять и складировать его не нужно;
• Система экологически безопасная и полностью безотходная;
• Пока в вашем доме есть электроэнергия, тепловой насос работает в автономном режиме. Кстати инструкция по настойке там элементарно простая;
• Для загородного дома средних размеров расчет потребления электроэнергии составляет порядка 300–400 Вт. Образно говоря, вы, оплачиваете работу лампочки в 300 Вт и при этом обогреваете весь дом, плюс получаете горячую воду.

Характеристики одной из моделей теплонасоса.

Минусы у геотермальной системы также есть и самым главным считается высокая цена. В среднем обустройство подобного отопления для загородного дома обойдется порядка 10 тысяч евро, прием стоимость оборудования в этой сумме занимает примерно половину, остальное возьмут за монтаж.

Способы реализации геотермальной установки

Такое отопление отличается между собой по способам установки теплообменника. На сегодня используются три разновидности:

1. Вертикальный теплообменник: отличается компактностью и более высокой себестоимостью установки в сравнении с другими видами. Для установки вертикального теплообменника не нужно использовать большую площадь, но понадобится использование специализированных бурильных установок. В зависимости от выбранной технологии глубина готовой скважины может достигать показателя до 200 метров, минимальный показатель — 50 метров. Срок службы системы составляет до одной сотни лет. Выгодно устанавливать такой вид геотермального отопления в случае монтажа на уже обустроенном участке. Ландшафт местности останется практически не тронутым.
2. Горизонтальный теплообменник: такой тип используется довольно часто. При монтаже горизонтального теплообменника трубы укладываются на большую достаточно глубину, которая обязательно превышает уровень промерзания грунта. Основной минус использования именно такой разводки заключается в том, что под монтаж коллектора необходимо использовать большую площадь. Трудно проложить такую систему на уже обустроенном участке.
3. Водоразмещенный теплообменник: такая установка является наиболее экономной по затратам среди всего разнообразия геотермального отопления, так как работает за счет энергии водных массивов. Такая система актуальна для тех домовладельцев, у которых на расстоянии сотни метров есть какой-либо водоем. Такой теплообменник наиболее выгодный, что делает его монтаж наиболее целесообразным среди всех разновидностей подобного отопления.

Конструкции геотермальных систем отопления

При монтаже геотермальной системы, различия в основном касаются только внешнего грунтового коллектора. Существует четыре основные схемы размещения контура:

Горизонтальная – грунтовой коллектор размещают ниже глубины промерзания грунта (от одного до полутора метров – для разных регионов страны). В качестве труб внешнего коллектора используется: металлопластик, медь в оболочке ПВХ. Теплоотдача земли составляет 10-25 Вт/м2 и до 50 Вт/м2 , для почвы с высоким уровнем грунтовых вод. Для получения 7-9 кВт тепловой энергии, площадь коллектора будет составлять 300-500 м2 , в зависимости от условий монтажа. При подобной укладке коллектора не допускается рытье траншей возле деревьев ближе, чем на 1,5 м. Осуществлять благоустройство территории и ландшафтные работы необходимо по завершению монтажа системы.

Вертикальное размещение – для монтажа бурят несколько скважин, в разные стороны и под разными углами. В скважины закладывают геотермальные зонды. В этом случае теплоотдача составляет около 50 Вт/мп. Таким образом, для получения тех же 7-9 кВт тепловой энергии, необходимо 150-200 метров скважин. При этом ландшафтный дизайн участка не пострадает, нужно совсем немного места для установки кессона и размещения в нем сборного коллектора.

Водоразмещенный контур – внешний теплообменник монтируют в близлежащем водоеме на глубине 2-3 метра. Одним из основных требований к такому расположению теплообменника является близость дома к водоему до 100 м, а площадь поверхности водоема должна составлять не менее 200 м2.

Воздушный теплообменник – внешний контур берет тепло из воздуха. Их эффективно устанавливать в южных регионах страны. Главным преимуществом такой схемы является отсутствие каких либо земляных работ, а недостатком такого размещения оборудования – падение КПД установки до 100% при температуре воздуха -15°С. И полностью не возможности работать при температуре -20°С.

Разновидности конструкций внешнего контура

Расположить трубы наружного контура можно горизонтально и вертикально.

Горизонтальный способ

Такой контур называется коллектором. При всей своей трудоемкости горизонтальный способ размещения труб является самым простым, а потому он может быть осуществлен самим домовладельцем без привлечения высококвалифицированных специалистов и специальной техники. В среднем с одного метра горизонтального коллектора удается снять 20 Вт тепловой энергии. Устройство контура можно произвести по одному из двух вариантов:

Размещение в грунте

Трубы контура, имеющего вид змеевика, укладывают в траншеи ниже глубины промерзания.

Расстояние между соседними участками должно составлять не менее 0,7 м. Максимальная длина контура ограничивается значением в 150 м.

При большей длине гидравлическое сопротивление трубопровода достигнет значительных величин, что потребует применения более мощного насоса. Рентабельность системы при этом ощутимо сократится.

Если необходимо использовать несколько контуров, их длина должна быть одинаковой.

Площадка, отводимая под грунтовый коллектор, обычно имеет весьма значительные размеры. В среднем на каждый 100 кв. м отапливаемой площади приходится задействовать 240 кв. м угодий, на которых не допускается высадка деревьев и размещение построек (вся территория должна быть хорошо освещена солнцем).

С размещением в водоеме

Если не далее, чем в 100 м от дома имеется водоем, задача по устройству наружного контура существенно упрощается. Трубы можно расположить прямо на дне, не прибегая в этом случае к трудоемким и дорогостоящим земляным работам. Контур имеет вид спирали, что способствует снижению его гидравлического сопротивления. Благодаря высокой теплопроводности воды, а также ее перемешиванию в результате конвекции процесс теплообмена происходит интенсивнее.

Подходящим является любой водоем с достаточной площадью, который даже в самые суровые зимы не промерзает на всю глубину.

При сильных морозах глубина промерзания грунта или поверхностных вод может превышать среднее значение. Поэтому при определении глубины заложения коллектора на этот счет следует предусматривать запас в 20%.

Вертикальный

В этом варианте трубы внешнего контура помещают в скважины. Такую конструкцию называют зондом.

Вертикальный способ применяют при отсутствии достаточно обширной территории, необходимой для расположения горизонтального коллектора, а также в том случае, если на участке уже имеются элементы благоустройства, которые не хотелось бы разрушать.

Недостаток данной технологии состоит в отсутствии возможности самостоятельной реализации: придется потратиться на найм бригады бурильщиков, имеющих специальные механизмы.

Скважины имеют диаметр от 120 до 200 мм, а их глубина варьируется в пределах от 20 до 300 м. Сам контур чаще всего выполняют из полимерных труб диаметром не менее 32 мм. После погружения зонда скважину заполняют составом, имеющим высокую теплопроводность, например, бентонитом. Срок службы выполненной по всем правилам скважины достигает 100 лет.

Важное преимущество вертикальной конструкции наружного контура состоит в более высокой теплоотдаче. Здесь она в среднем составляет уже 50 Вт/м

Разумеется, так бывает не всегда. Конкретное значение зависит от типа грунта, его влажности и объема грунтовых вод.

Сама по себе геотермальная энергия относится к возобновляемым видам, тем не менее, объем ее потребления не является бесконечным. Геотермальные тепловые насосы для отопления рекомендуется эксплуатировать не более 1800 часов в год. В противном случае скорость отвода тепла настолько превысит скорость тепловой регенерации грунта, что некоторые его участки вокруг скважины могут даже промерзать. Данное явление может сопровождаться проседанием отдельных слоев, разрушением наружного контура и целым рядом других нежелательных последствий.

Во избежание переохлаждения грунта его рекомендуют с приходом лета насыщать теплом путем переключения теплового насоса в реверсный режим (кондиционирование) либо с применением солнечных коллекторов.

В этом случае трубопровод имеет вид цилиндрической пружины. Он занимает меньше места, чем горизонтальный, но также может быть изготовлен собственными силами.

Своими руками: что и как

Если уж монтировать геотермальное отопление своими руками, то внешний контур лучше все-таки купить в готовом виде. Конечно, мы рассматриваем лишь способы горизонтального расположения внешнего теплообменника: под поверхностью почвы или под водой. Скважинный вертикальный коллектор смонтировать самостоятельно гораздо сложнее, если вы не обладаете оборудованием и навыками бурения.

Тепловой насос – не слишком габаритное оборудование. В вашем доме он не займет много места. Ведь по размеру он сопоставим, например, с обычным твердотопливным котлом. Подключить к нему внутренний контур вашего дома – задача не сложная. Вообще-то делается всё точно так же, как и при организации отопления с использованием традиционных источников тепла. Главная трудность – устройство внешнего контура.

Такое расположение дома относительно пруда встречается чаще. Главное, чтобы водоём был не дальше, чем в 100 метрах от коттеджа

Лучшим вариантом будет использование водоёма, если такой найдется на расстоянии не более 100 метров. Необходимо, чтобы его площадь превышала 200 квадратных метров, а глубина – 3 метра, составляющие средний параметр промерзания. Если этот водоём вам не принадлежит, то проблемой может стать получение разрешения на его использование.

Если же водоём – это пруд, который находится у вас в собственности, то дело упрощается. Воду из пруда можно временно откачать. Тогда работы на его дне можно будет выполнять легко: нужно будет уложить трубы по спирали, закрепив их в этом положении. Земляные работы понадобятся только для рытья траншеи, которая нужна будет для присоединения внешнего контура к тепловому насосу.

После выполнения всех работ, пруд может быть снова заполнен водой. В ближайшие лет сто внешний теплообменник должен работать исправно и не доставлять хлопот его владельцу.

Если в вашем распоряжении оказался земельный участок, на котором вам только предстоит возводить жильё и растить сад, имеет смысл распланировать горизонтальный теплообменник грунтового типа. Для этого следует сделать предварительный расчет площади будущего коллектора, исходя из параметров, которые уже указаны выше: 250-300 квадратных метров коллектора на 100 кв. метров отапливаемой площади дома.

Если вам достался участок без строений и растительности, которую бы хотелось сохранить, грунт при сооружении внешнего горизонтального почвенного контура можно просто снять: это легче, чем выкапывать траншеи

Траншеи, в которые предстоит укладывать трубы контура, нужно выкапывать ниже уровня промерзания почвы. А ещё лучше – просто снять грунт на глубину его промерзания, уложить трубы, а после вернуть грунт на место. Работа трудоёмкая, сложная, но, имея большое желание и целеустремленность, вы сможете её выполнить.