Принцип работы системы геотермального отопления

Порядок сборки и установки оборудования

Для работы оборудования вам понадобятся насосы. Принцип действия насосов следующий: он монтируется своими руками на поверхности, а в заранее подготовленную шахту опускаются теплообменники.

Через насос постоянно проходит грунтовая вода, она нагревается, а тепло, которая она дает, затем можно использовать для любых своих нужд.

На видео ниже представлен материал о принципе работы геотермальных насосов.

Видео:

Ввиду его экономичности, это оборудование идеально подходит для частного дома: оно дает тепло на 4-6 киловатт, в то время как насос на свою на работу расходует всего один.

Следовательно, использование этой системы не просто возвращает затраченную на работу насосов энергию, но и со временем полностью окупает себя.

Соорудить отопительное оборудование своими руками для своего частного дома вряд ли возможно, но это не повод отказываться от установки столь выгодной системы.

Чтобы поставить оборудование, нужно пробурить шахту. Размер ее зависит от площади вашего участка, земной коры в месте, где вы проживаете, климата и типа грунта.

Глубина шахты обычно не превышает 100 метров, но должна быть как минимум 25.

После того, как шахта готова, вниз опускаются специальные теплопоглощающие трубки.

Их смысл – поставлять жидкость непосредственно в сам насос. Этот насос ее сжимает, нагревает и отправляет дальше – в вашу отопительную систему.

Как видите, это вполне простой и понятный принцип работы.

При горизонтальном контуре трубы укладываются ниже уровня промерзания почвы, что гарантирует подачу тепла даже в очень холодный период года.

Но чтобы установить подобное оборудование, ваша территория должна быть внушительной. Для сравнения: чтобы отопить здание в 250 м2, понадобится около 600 м2 площади для труб.

Вертикальный теплообменник удобнее, но стоит дороже, т.к. для его установки требуется профессиональное бурильное оборудование.

Видео:

К тому же, он будет и более долговечным – срок эксплуатации может доходить до 100 лет. Установка вертикального теплообменника, в отличие от горизонтального, не требует никаких изменений ландшафта.

Следует помнить, что хотя установка любого геотермального отопительного оборудования недешева и практически невозможна своими руками, она гарантированно окупится уже через пару лет.

Воздушные коллекторы

Подземное теплоснабжение приватного дома можно осуществить и при помощи воздушных коллекторов. Это весьма простой способ отопления воздушного типа в приватном доме в сравнении с 2-мя предыдущими.

Чтобы подогреть воздух в помещении до оптимальной температуры, требуется некоторое количество тепла. Чем ниже первоначальная температура, тем выше расходы. При помощи системы вентиляции и тепла, полученного из грунта, можно бесплатно увеличить температуру воздуха в доме. Обогрев теплом земли в таком случае происходит очень просто.

Для организации отопительные системы необходимо:

• вывести забор воздуха вентиляции пониже уровня грунтового промерзания;
• провести выгнутый, прямой или многотрубный коллектор при помощи обыкновенных труб канализации (форма подбирается в зависимости от участка, на каждый метр квадратный площади дома должно приходиться 1,5 метра коллектора);
• выполнить воздухоотвод на дальнем от дома конце коллектора, выведя трубу на высоту минимум 1,5 метров от земли и оборудовав ее зонтом-дефлектором (конечно, воздушный приток в дом будет принудительным.

В данном случае земляное теплоснабжение не сумеет полностью обеспечить дом теплом.

Все таки, оно позволяет осуществить две идеи:

1. Поступающий через вентиляцию воздух можно нагревать любым обогревательным прибором (газовым, соляровым, электрическим и др.) и потом разводить по комнатам при помощи вентканалов. Полностью бесплатным подобное отопление от земли не будет, но все таки расходы уменьшатся: разогреваться станет не холодный воздух с улицы, а тот, который уже прогрет приблизительно до +10 градусов. Достаточно хорошо можно сэкономить, если зимы в регионе холодные.
2. Нагретый при помощи тепла земли воздух можно применять для обдува внешнего блока привычного кондиционера или теплового насоса типа «воздух-воздух». Любое устройство данного класса сумеет хорошо работать при температуре примерно +10 градусов. Сложность реализации заключается лишь в обеспечении необходимого потока воздуха. В результате воздух нагревается теплом грунта, поступает к тепловому насосу и отводится за пределы дома.

Теплоснабжение теплом земли – хорошая замена обычным способам обогревания, но сейчас оно не считается широко популярным (прочтите также: «Альтернативное теплоснабжение приватного дома — выбор очень большой»). Связано это, как правило, со сложностью процесса установки и большими первыми затратами. Прекрасным вариантом считается бурение колодцев и расположение в них труб, но обходится система такого типа отопления очень дорого. С другой стороны, это дает возможность обогревать дом, пользуясь бесплатным тепловым источником.

Также нужно всегда помнить про то, что подобный вариант теплоснабжения является чистым в экологическом плане и очень эффективным, потому как температура почвы на глубине более десяти метров остается постоянной. Видео про то, как применить тепло земли для отапливания дома:

Плюсы и минусы геотермальной энергии

Популярность геотермальное отопление приобрело в Америке в кризисные 80 года. Такое отопление было доступно только богатым людям, так как монтаж такого отопления стоял не малых денег, но со временем его может себе позволить любая категория населения.

Основные преимущества геотермального отопления в собственном доме такие:

• Эту тепловую энергию можно получать и использовать почти в любом месте;
• Вид такого тепла неограничен и считается самым устойчивым;
• Геотермальная энергия не содержит вредные вещества разного рода при сгорании углекислого газа;
• Установка такой системы не требует регулярного обслуживания;
• Такое отопление бесплатное для хозяина дома;
• Установка насоса занимает меньше места, чем подобные тепловые системы;
• Система такого типа может прогревать и охлаждать помещение и с принципом работы как у кондиционера;
• При необходимости монтаж такой системы может быть выполнен с другой системой отопления, к примеру: газовая, дизельная система.

Даже такое количество положительных сторон геотермальной системы отопления не затмевает и минуса.

Основными минусами такой системы отопления являются:

• Монтаж всей системы имеет очень высокие показатели стоимости;
• Геотермальная система отопления долгое время себя окупает.

Геоотопление имеет и еще минусы, самый главный заключаются не только в том, что все выполняемые действия дорогостоящие, но и, то что, пользуясь грунтовыми водами, вы исчерпываете естественные источники. Но эти недостатки по сравнению с нашими ценами на разные виды топлива не сильно заметны. Окупаемость такой установки идет долгий срок, но через длительное время геотермальная система покажет вам все свои плюсы и докажет свою экономность. Этот вид отопления имеет достойные оценки во многих странах Европы. Например, в Швеции более 70 процентов хозяев собственных домов выбирают именно эту систему отопления.

Принцип получения геотермальной энергии

   Работу геотермальных отопительных станций часто сравнивают с принципом действия систем кондиционирования или обычного холодильника. Любая из схем состоит из двух контуров теплообмена. Принято считать, что в расположенном в грунте контуре происходит нагрев носителя (чаще всего в этой роли выступает незамерзающий фреон), которое впоследствии в испарителе теплообменника передается в «домашний контур».

   Остывшая после циркуляции по дому жидкость для повтора цикла должна вновь нагреться примерно до +7°C. В то же время, летом система действует по обратному принципу, охлаждая воздух в доме, поэтому правильнее было бы называть ее не отопительной, а кондиционирующей.

Использование теплового насоса

Долговечность системы зависит от характеристик и условий, в которых работает тепловой насос. В геотермальных установках он способен работать примерно 1800 часов в год. Это является средним значением для широт без термальных подземных источников.

Принцип работы теплового насоса

Принцип работы системы термального отопления идентичен и никак не связан со страной производителя или брендом. Геотермальные насосы могут различаться по дизайну исполнения, размеру, внешнему виду, но коэффициент производства тепла всегда будет одинаков у насосов разных фирм и разных стран. Связано это именно с особенностью переработки природной энергии в тепловую.

Последствия таких просчетов в итоге приводят к пагубным последствиям – грунт проседает неравномерно, в каких-то местах уходит очень глубоко, в результате чего повреждаются защитные пластиковые трубы. Если дом располагается рядом, то может произойти деформация фундамента или стен за счет геологических изменений.

Периодически необходимо принимать меры по «регенерации» грунта, для чего в теплообменник поставляют дополнительную тепловую энергию. Это может быть энергия солнечного коллектора либо подогрев зонда, когда используется тепловой насос в режиме охлаждения помещений.

В заключение необходимо отметить, что геотермальная установка пока доступна не всем. В некоторых случаях срок окупаемости может продлиться более 10 лет, но в конечно итоге именно такие способы обогрева дома в скором будущем станут не просто альтернативными, но единственно возможными.

ВИДЕО: Геотермальные тепловые насосы

Как сделать своими руками?

Самостоятельно сделать геотермальное отопление, некоторое подобие электростанций (геоэс), довольно трудно, но вполне возможно. Рядок с домом нужно соорудить конструкцию из замкнутой обвязки труб и поместить ее на значительную глубину. Размер коллектора и конструкция змеевика зависит от степени теплопроводности и глубины залегания грунта. Если браться за монтаж геотермального обогрева дома своими руками, то внешний контур лучше приобрести уже готовым.

Для создания минимальных условий функционирования геотермальной системы, нужно соблюсти следующие условия:

1. Температура слоя почвы, где будет находиться контур труб, не должна опускаться ниже +5°C.
2. На протяжении всей обвязки с антифризом должна быть сделана изоляция, которая защитит контур от промерзания.
3. Термальный обогрев здания выполняется после тщательных расчетов и создания проекта.

С учетом данных требований становится понятно, что геотермальное отопление может быть эффективным. Однако для северных регионов применение подобной установки оправдано для обогрева зданий небольшой площади – до 200 кв.м.

Рассмотрим только способы, как создать горизонтальное геотермальное отопление дома своими руками под грунтом или водой. Монтировать коллектор вертикально намного сложнее и очень затратно.

Тепловой насос – не займет много пространства, ведь это оборудование по размеру сопоставимо с обычным котлом. Подсоединить нанос к внутреннему контуру здания – тоже не трудно. Основная задача – обустроить внешний контур.

Лучше всего установить коллектор в водоеме на расстоянии не больше 100 метров. Нужно, чтобы площадь пруда была больше 200 кв.м., а глубина – не менее 3-3,5 метров. Если у вас нет прав на пользование данным водоемом, то вам придется сначала получить разрешение на установку необходимого оборудования.

Если же пруд находится в вашей собственности, то вам не составит труда на время осушить его, чтобы без проблем по спирали уложить и закрепить трубы на его дне. Земляные работы заключаются только в рытье траншеи, необходимой для подключения к геотермальному насосу внешнего контура. Завершив все монтажные работы, водоем снова можно заполнить.

Если на вашем участке еще нет зеленых насаждений и множества сооружений, то можно спроектировать горизонтальный способ размещения теплообменника под землей. Для этого нужно рассчитать, какую площадь займет будущий коллектор, учитывая параметры, указанные выше: 250-300 кв.м. контура на 100 кв.м. площади здания.

Если же на вашем участке есть деревья и временные постройки, но вы очень хотите сделать горизонтальное геотермальное отопление, то все сооружения и зеленые насаждения придется вырубить и снести. Процесс сложный, трудоемкий, но необходимый.

Технология отопления зданий подземным теплом очень распространена на Западе, так как жители западных стран умеют делать долгосрочные инвестиции, окупающиеся через 5-10 лет. В нашей стране не так много желающих заплатить за обустройство такой системы около 20 000 $. Однако альтернативное геотермальное отопление частного дома становится все более популярным.

Особенности отопительной системы

В отличие от газового котла, тепловому насосу не требуется нагревать теплоноситель системы отопления до высокой температуры, так как образование конденсата при холодной «обратке» ему не грозит. К тому же работа в низкотемпературном режиме потребует меньших энергозатрат.

Чтобы компенсировать низкую температуру теплоносителя, поверхность радиаторов пришлось бы сильно увеличивать, поэтому вместо них лучше использовать систему «теплый пол». Этот вид отопления является и наиболее рациональным, так как нагреваемый воздух в первую очередь поступает, так сказать, в зону обитания, а не под потолок.

Тепло от земли

Еще один аргумент в пользу «теплого пола» – минимальные теплопотери. Ведь их величина зависит, в первую очередь, от перепада температур, а он при низкотемпературном режиме является наименьшим. Второй фактор – площадь контакта нагретого воздуха с наружными стенами. Поднимающийся от «теплого пола» воздух наружных стен не касается (при использовании обычных радиаторов он буквально омывает остекление окна и прилегающие участки наружной стены).

Основной недостаток «теплого пола» – энергозависимость – в данном случае неактуален, так как тепловой насос тоже не сможет работать без электричества.

Опасность скрытой протечки также можно не принимать во внимание, если контур делать цельным из гибких полимерных труб.

Принцип работы геотермальной системы

Земля даже в зимнее время не промерзает насквозь. Данная особенность используется монтажными бригадами, которые прокладывают трубопровод ниже точки замерзания. На удивление температура в данных слоях земли редко падает ниже +5 +7оС. Есть ли возможность накопления землей тепла, после чего извлечь его и применять для нагрева теплоносителя? Естественно!

Но прежде чем воплотить альтернативное отопление частного дома при помощи тепла земли, необходимо разобраться со следующими проблемами:

1. Получение тепла – необходимо будет собирать теплоэнергию для последующего ее направления в специальный накопитель.
2. Нагрев теплоносителя. Нагретый антифриз должен передавать теплоэнергию жидкости циркулирующей в отопительной системе и ГВС.
3. Остывший антифриз должен отводиться к обратно к теплообменнику для последующего нагрева.

Для разрешения данных проблем разработали геотермальный насос, который использует тепло земли. Данное устройство дает возможность извлечь необходимый объем тепловой энергии, которого хватить для того чтобы произвести большое количество тепла и использовать в качестве основного либо дополнительного оборудования для отопления.

Геотермальное отопление дома использует принцип работы схожий с кондиционера в режиме обогрева. Основным элементом является тепловой насос, габариты которого приблизительно схожи с габаритами стиральной машины, в данный элемент включено два контура.

Первый контур (внутренний) выглядит, как уже привычная для нас отопительная система частного дома в конструкцию, которой входят обычные трубы и батареи отопления. Второй (внешний) – теплообменник, который находится под землей либо водой. По данному контуру может циркулировать как обычная вода, так и специальная жидкость с добавлением антифриза.

Внешний контур, в котором циркулирует теплоноситель (вода), который принимает температуру среды, после чего поступает в тепловой насос, который можно настроить, как на обогрев, так и на кондиционирование. Тепло, которое аккумулируется в насосе во время обогрева, передается внутреннему контуру, а при охлаждении – внешнему.

В нижние слои грунта, на дне реки либо озера монтируют водяные коллекторы, по которым циркулирует антифриз. Коллекторы высвобождают холод и поглощают тепло. При помощи насоса антифриз поднимается вверх. В буферном баке производится теплообмен. Нагретый антифриз передает теплоэнергию теплоносителю либо греет воду. Остывший антифриз идет обратно к коллекторам.

Есть установки способные самостоятельно обогревать большие помещения, остальные применяются как вспомогательное оборудование, которое может обеспечить от 50% до 75% потребности в тепле для помещения.

Монтаж геотермального отопления своими руками

Конструкция теплового насоса

На практике сделать теплоснабжение этого типа – задача сложная. Особенностью  проектирования и монтажа геотермального отопления своими руками является наличие теплового насоса – основного агрегата системы.

В конструкцию этого устройства включен внутренний контур с хладагентом, компрессор, дроссель и испаритель. Для управления работой обязательно предусматривается электронный блок

На что необходимо обращать внимание при выборе геотермального теплового насоса для отопления?

Тип устройства. В теплоснабжении применяются модели «грунт-вода». Помимо них существуют «вода-вода» и «воздух-вода»;

Номинальная тепловая мощность. Она напрямую зависит от расчетных параметров. Стоит учитывать, что практически все модели имеют значение этой характеристики до 18 кВт;

Потребляемая мощность. Это сумма электрической энергии, необходимой для работы компрессора, насоса и электронного блока управления. Напрямую зависит от номинальной мощности устройства;

Параметры отопительной системы – температурный режим и оптимальный показатель давления. Для всех геотермальных систем отопления своими руками последний показатель обычно не превышает 3 бар;

Стоимость. В настоящее время обустройство геотермального отопления частного дома является самым дорогим. И большая часть расходов – это приобретение теплового насоса

Поэтому нужно особое внимание уделить правильному выбору этого компонента системы.

Трубы для геотермального отопления

Кроме геотермального теплового насоса для отопления – следует правильно подобрать трубы для наружного контура. Они должны отвечать определенным требованиям. В частности – иметь минимальный показатель сопротивления теплопередачи. В идеале для этого следовало бы использовать стальные магистрали. Однако их эксплуатация в этой среде связана с множественными проблемами. Поэтому зачастую сделают геотермальное отопление из полимерных гибких трубопроводов.

После анализа отзывов о геотермальном отоплении дома можно выделить следующие положительные качества полимерных труб для этого типа теплоснабжения:

Достаточная гибкость

Это важно при обустройстве горизонтального геотермального отопление загородного дома своими силами.
Простота установки и состыковки отдельных контуров. Для этого применяются механические муфты.
Возможность оперативной замены поврежденного участка в случае аварийной ситуации.

Также не нужно забывать о стоимости. Учитывая, что в основе принципа работы геотермального теплоснабжения лежит тепловой насос – следует уменьшить затраты, чтобы приобрести оптимальную модель этого устройства.

Реальные преимущества и недостатки

Если в России геотермальное отопление частного сектора получило сравнительно малое распространение, значит ли это, что идея не стоит затрат на её воплощение? Может быть, и заниматься этим вопросом не стоит? Оказалось, что это не так.

Использование системы геотермального отопления жилища – решение выгодное. И тому есть несколько причин. В их числе и быстрая установка оборудования, которое способно длительное время работать без каких-либо перебоев.

Если использовать в отопительной системе не воду, а качественный антифриз, она не будет промерзать и её износ будет минимальным.

Перечислим и прочие преимущества этого вида отопления.

• Исключена процедура сжигания топлива. Мы создаём абсолютно пожаробезопасную систему, которая, в процессе своей эксплуатации, не сможет нанести жилью никакого ущерба. Кроме того, исключается ряд других моментов, связанных с присутствием топлива: теперь не нужно искать место для его хранения, заниматься его заготовкой или доставкой.
• Существенная экономическая выгода. В процессе эксплуатации системы не потребуется никаких дополнительных вложений. Ежегодный обогрев обеспечивают силы природы, которые мы не покупаем. Конечно, при функционировании теплового насоса затрачивается электрическая энергия, но при этом объём производимой энергии существенно превышает размеры потребления.
• Экологический фактор. Геотермальное отопление частного загородного дома – это экологически безопасное решение. Отсутствие процесса горения исключает поступление в атмосферу продуктов сгорания. Если это осознают многие, и такая система теплоснабжения получит должное повсеместное распространение, негативное влияние людей на природу многократно уменьшится.
• Компактность системы. Вам не придется организовывать в своём доме обособленное помещение котельной. Всё, что будет необходимо – это тепловой насос, который можно разместить, например, в подвале. Наиболее объёмный контур системы будет располагаться под землей или под водой, на поверхности вашего участка вы его не увидите.
• Многофункциональность. Система может работать как на отопление в холодное время года, так и на охлаждение в период летней жары. То есть, по сути, она заменит вам не только обогреватель, но и кондиционер.
• Акустический комфорт. Тепловой насос работает практически бесшумно.

Выбор геотермальной системы отопления экономически выгоден, несмотря на то, что придется потратиться на покупку и установку оборудования.

Кстати, в качестве недостатка системы упоминают именно затраты, на которые придется пойти, чтобы установить систему и подготовить её к работе. Нужно будет купить сам насос и некоторые материалы, выполнить работы по монтажу наружного коллектора и внутреннего контура.

Не секрет, что ресурсы дорожают год от года, поэтому автономная система отопления, которая способна окупиться в течение нескольких лет, всегда будет экономически выгодна для её владельца

Впрочем, эти расходы окупаются всего за несколько первых лет эксплуатации. Последующее использование уложенного в грунт или погруженного в воду коллектора позволяет сэкономить значительные средства.

К тому же, сам процесс монтажа не настолько сложен, чтобы приглашать для его выполнения сторонних специалистов. Если не заниматься бурением, то всё остальное можно сделать самостоятельно.

Надо отметить, что некоторые умельцы, в стремлении сэкономить научились собирать геотермальный тепловой насос собственноручно.

Выводы

1. Геотермальное отопление для российского потребителя остается дорогим и массово используется только в развитых странах. При этом технология, лежащая в основе такого отопления, очень перспективна.
2. Усовершенствование и удешевление технологии получения тепла должно стать главным фактором распространения этого метода отопления в нашей стране.

Проведение расчетов

Чтобы выполнить расчет системы, необходимо учитывать базовые параметры:

• на глубине, превышающей в средней полосе России 15-20 м, температура выдерживается на уровне +8-+100С;
• для вертикальных конструкций принято брать в расчетах получаемое значение мощности в 50 Вт на 1 м высоты, а более точные значения зависят от степени влажности породы, присутствия грунтовых вод и пр.;
• сухая порода дает 20-25 Вт/м;
• увлажненная глина либо песчаник 45-55 Вт/м;
• твердые гранитные породы обеспечат до 85 Вт/м;
• наличие грунтовой воды дает до 110 Вт/м.