Геотермальное отопление дома: что это такое, как сделать своими руками и выбрать насос

Что такое геотермальное отопление?

Геотермальным отоплением называется система добычи тепла из постоянных источников – земли, воды. На определенных глубинах грунт и вода не промерзают, сохраняя плюсовые температуры, задача насосов взять тепловую энергию и направить ее на отопление дома.

Оборудование представляет собой кондиционер, но с обратной функцией, направленной не на выработку холода, а тепла. Алгоритм теплового насоса выстроен на передаче энергии от источника с низким потенциалом к теплоносителю. Источники низко потенциальной тепловой энергии – это как раз земля или вода.

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.

Несколько исторических фактов

Когда в 70-е годы прошедшего столетия разразился нефтяной кризис, на Западе возникла жгучая потребность в альтернативных источниках энергии. Именно в тут пору и стали создаваться первые геотермальные отопительные системы.

Сегодня они получили широкое распространение в Соединенных Штатах, в Канаде и в западноевропейских государствах.

Например, в Швеции активно используют воду Балтийского моря, температура которой составляет +4°С. В Германии внедрение геотермальных отопительных систем даже спонсируется на государственном уровне.

При упоминании геотермальных источников энергии мы всегда представляем себе долину гейзеров или вулканы, но нужные нам источники гораздо ближе. И они помогут нам согреться зимой и охладиться летом

В России действуют Паужетская, Верхне-Мутновская, Океанская и другие геотермальные электростанции. Но фактов использования энергии Земли в нашем частном секторе очень мало.

Описание технологии

Технология геотермального отопления появилась в Северной Америке, и в последующем стала пользоваться популярностью в странах Скандинавии, Европе и России. Использование специального теплового насоса и замкнутого контура, расположенного под землей на глубине в 20−40 метров, позволяет повысить эффективность обогрева помещения, сокращая расходы на коммунальные платежи. Дорогостоящее оборудование в скором времени окупается, гарантируя комфорт и уют проживания в частном доме.

Геотермальные установки используют естественное тепло земли, что позволяет разогревать теплоноситель в трубах на 8-10 градусов выше первоначальной температуры. В тепловом контуре и специальном насосе за счёт нагретого землёй теплоносителя происходит парообразование фреона, компрессор поднимает давление газа, обеспечивая быстрый разогрев наружного контура, отвечающего за тепло в помещении.

Из этого видео вы узнаете специфику геотермального отопления:

Преимущества геотермального отопления:

1. Высокая эффективность.
2. Надежность и долговечность оборудования.
3. Полная автоматизация.
4. Простота обслуживания техники.

К недостаткам можно отнести лишь энергозависимость используемых геотермальных котлов, которые могут функционировать лишь при наличии стабильного электроснабжения техники. Отчасти решить данную проблему можно путем установки дополнительных аккумуляторов, которые запитываются от солнечных панелей.

Также к недостаткам относят высокую стоимость используемых тепловых насосов, однако при длительной эксплуатации такое оборудование полностью окупается. В среднем стоимость геотермальной установки, построенной на надежных немецких комплектующих, составит около 10 000 евро. Сегодня на рынке представлены геотермальные установки для отопления частных домов от российских и китайских производителей, имеющие низкую стоимость, отличающиеся эффективностью и функциональностью.

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.

Общие отрицательные стороны геотермальных установок

Наиболее серьезная проблема – высокая стоимость подключения к низкопотенциальному источнику. Для отопления здания площадью в 300 кв. м инсталляция под ключ обойдется примерно в миллион рублей. При этом половина средств пойдет на покупку теплового насоса. Срок окупаемости самой эффективной системы, в сравнении с отоплением электричеством – от пяти лет. Еще один минус – сложность самостоятельного обустройства, о чем речь пойдет ниже.

Перспективы развития геотермальных конструкций

Всего 25 лет назад в Европе для обогрева жилищ использовали тепло земли 25 млн. домовладельцев, сегодня эта цифра выросла в несколько раз. Это доказывает рентабельность геотермальных систем, окупаемых за несколько лет. К тому же правительства многих стран дотируют домовладельцев, пожелавших использовать энергию земли. В России такие конструкции распространены мало, что связано с большими изначальными затратами. Однако перспективы есть: с развитием конкуренции стоимость тепловых насосов будет уменьшаться, что приведет к удешевлению геотермального отопления. Но лучший вариант – государственная или хотя бы региональная поддержка. Особенно, если учитывать экологическую значимость подобного способа обогрева жилищ.

Геотермальное отопление по стоимости расходов на 2020 год и удобству эксплуатации, приравнивается к отоплению магистральным газом,  при этом полностью взрывобезопасно и устанавливается за пару недель.  Все остальные способы отопления либо существенно дороже, либо требуют больших ежедневных трудозатрат. Тенденции удорожания энергоносителей в обозримом будущем приведут к выравниванию российских цен с ценами для европейских потребителей. Разговоры об окупаемости в основном ведутся конкурентами по цеху, они не учитывают удобство такого способа отопления и инфляцию.

Сегодня условный потребитель зарабатывает достаточно денег, чтобы не замечать высокую стоимость обогрева своего жилища, но со временем,  все может измениться.
Так как мысли о загородном доме возникают у населения нашей страны старше 40 лет, то инвестиции в отопление ТН можно рассматривать как вложения в личный пенсионный фонд. Потратиться на инсталляцию один раз и в последующем получать на 1 кВт электроэнергии 4-5 кВт тепла.

То что сейчас кажется необоснованно дорогим, завтра будет оцениваться совсем по другому.

Об источниках геотермального отопления

Для геотермального отопления можно использовать следующие источники земной тепловой энергии:

• высокотемпературные;
• низкотемпературные.

К высокотемпературным относятся, например, термальные источники. Использовать-то их можно, но область их применения ограничивается фактическим местом нахождения таких источников.

Если в Исландии этот вид энергии активно применяется, то в России термальные воды находятся далеко от населенных пунктов. Максимально они сконцентрированы на Камчатке, где подземную воду применяют в качестве теплоносителя и поставляют в системы ГВС.

Для эффективного использования тепловой энергии земли не нужен вулкан. Достаточно использовать те ресурсы, которые находятся всего в 200 метрах от земной поверхности

Зато для применения низкотемпературных источников у нас имеются все необходимые предпосылки. Для этой цели подойдут окружающие воздушные массы, земля или вода.

Для извлечения нужной энергии используют тепловой насос. С его помощью происходит процедура преобразования температуры окружающей среды в тепловую энергию не только отопления, но и горячего водоснабжения частного домовладения.

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.

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.

Принцип функционирования

Такое явление, как геотермальное отопление, принцип работы которого напоминает обычный холодильник, только наоборот, — становится все популярнее. Земля сохраняет тепло постоянно, можно нагревать объекты, находящиеся на ее поверхности. Суть в том, что изнутри землю нагревает горячая магма, а сверху благодаря грунту она не промерзает.

Тепловую энергию, которая получается в процессе отопления, использует геотермальная система, основанная на специальном тепловом насосе.

И принцип функционирования здесь следующий: сверху ставится тепловой насос, в специальную земляную шахту опускается теплообменник. Грунтовая вода идет через насос и нагревается. Таким образом, тепло, которое получается при этом, используется для промышленных или бытовых целей. Так и работает отопление подземным теплом.

Принципиальная схема работы теплового насоса

Заметим, что главным преимуществом такой системы является то, что при затратах электроэнергии в 1 кВт получаем полезную тепловую энергию в диапазоне от 4 до 6 кВт. Для сравнения, обычный кондиционер не способен преобразовать 1 кВт электроэнергии в 1 кВт тепловой энергии (закон сохранения энергии, т.к. потери при преобразовании одного вида энергии в другую, увы пока никто не отменял). Отопление за счет тепла земли окупится достаточно быстро при правильном подходе к реализации геотермального отопления.

Способы работы системы

Это эффективная и экологичная система – термальное отопление, принцип работы ее может протекать в трех основных способах:

1. Используется тепловая энергия глубоких грунтовых вод. Такая вода – высокой температуры, тепловой насос ее поднимает и нагревает. Далее вода идет через теплообменник, отдавая основную часть своей энергии.
2. Данный способ требует от владельцев дополнительных расходов. В глубину грунта от 75 м и ниже спускают резервуар, в котором находится антифриз. Он нагревается и при помощи теплового насоса поднимается к теплообменнику. После того, как тепло отдается теплообменнику, антифриз идет обратно в резервуар.
3. А для третьего способа работы системы вообще не требуется оборудовать грунтовую шахту. Такое отопление из земли подойдет для обогрева зданий, имеющих выход на водоем. Так, по дну водоема от теплообменника ставятся зонды горизонтального типа и преобразовывают тепло воды на дне.

Классификация по конструкционному типу

Если в случае с кондиционером газ-хладагент сам проходит через среду-источник, то в системе геотермального отопления он получает тепло от посредника – воды или антифриза.

Последний циркулирует по так называемому наружному контуру, представляющему собой длинную трубу.

Именно эта труба и помещается в среду источник.

По виду наружного контура различают три исполнения систем геотермального отопления:

1. С горизонтальным контуром: труба укладывается «змейкой» (в грунте) или в виде спирали (на дне водоема) ниже глубины промерзания, то есть примерно в паре метров от поверхности земли. Такой контур занимает большую площадь, но зато его может соорудить сам владелец.
2. С вертикальным контуром: трубы опускаются в глубокие скважины. Более удобный вариант, так как не требует значительного пространства, но для строительства скважины придется нанимать специалистов с особым оборудованием.
3. Комбинированный вариант: еще один тип контура, который можно построить самостоятельно, при этом он занимает меньше места, чем горизонтальный. Используется полимерная труба, которая укладывается в грунт в виде цилиндрической пружины. Получается нечто среднее между вертикальным и горизонтальным контурами с уклоном в сторону последнего.

Не всегда есть возможность проложить трубы ниже глубины промерзания почвы. Утеплитель для труб в земле поможет защитить отопительную систему от мороза.

Об альтернативных источниках энергии расскажем в этой теме. Энергия ветра и солнца, а также тепло земли в качестве источников тепла.

Два вида расположения теплообменника

Имеются два варианта отопления частного дома с использованием низкотемпературной энергии элементов окружающей среды. Основу системы во всех трех случаях составляет геотермальный насос.

Внутренний контур остаётся без изменений для любого способа отопления, а основное различие заключается в расположении внешнего контура.

Геотермальное отопление бывает с теплообменником, расположенным:

• вертикально – располагаются в скважинах, вскрывающих или не вскрывающих водоносный пласт;
• горизонтально – теплообменники систем укладывают в котлован или открытый водоем в виде своеобразного змеевика.

Каждый из приведенных здесь видов отопления характеризуется своими особенностями, недостатками и преимуществами.

Вариант #1. Вертикальное размещение внешнего коллектора

Этот вид отопления основан на интересном природном явлении: на глубине 50-100 м и более от своей поверхности земля круглогодично имеет одинаковую и постоянную температуру 10-12°С.

Чтобы иметь возможность использовать эту энергию земли, необходимо бурить вертикальные скважины. Технология практически аналогична с подготовкой водозаборного источника.

С целью максимального сохранения ландшафта можно пробурить несколько труб с одной исходной точки, но под разными углами.

Внешний контур системы будет смонтирован непосредственно в этих скважинах. Это позволит эффективно отобрать у земли её тепло. Разумеется, этот способ трудно назвать простым и малобюджетным.

Для создания вертикальной системы геотермального отопления нужно использовать оборудование для бурения скважин, без применения буровой установки решение задач по устройству системы будет довольно трудоемким (+)

Актуален он в том случае, когда прилегающая к дому территория уже обустроена, и нарушение её ландшафта нецелесообразно. Глубина бурения скважины может достигать от 50 до 200 метров.

Конкретные параметры скважины зависят от геологической обстановки на участке и параметров будущего сооружения. Срок службы такой конструкции составляет примерно 100 лет.

Для устройства вертикального варианта системы с теплообменником, извлекающим энергию подземной воды, потребуется пробурить две водоносные скважины.

Из одной из них, именуемой дебетовой, с помощью насоса производится забор воды, которая после передачи тепла сливается во вторую, приемную выработку.

Минус геотермальной системы с двумя скважинами в недостаточной эффективности для обогрева загородного дома. Слишком много энергии тратит циркуляционный насос. Зато для поставки теплоносителя контуру теплого пола получаемой тепловой энергии вполне достаточно

Вариант #2. Горизонтальное расположение грунтового коллектора

Чтобы уложить внешний контур при горизонтальном виде отопления, нужно знать, на какую глубину промерзает земля в вашей местности.

Трубы укладывают ниже уровня промерзания в заранее подготовленные траншеи, захватывая при этом довольно большое пространство: чтобы отопить дом, площадь которого составляет 200-250 кв. м, нужно использовать примерно 600 кв. м теплообменника. То есть шесть соток.

Недостатком этой конструкции является большая площадь, которую она занимает. Если вам нужна на участке лужайка, покрытая травой и цветами – это ваш вариант. А от плодоносящих деревьев трубы коллектора лучше держать подальше (+)

Понятно, что при таких условиях, объём земляных работ будет значительным. Кроме того, нужно учесть в плане расположение деревьев и прочей растительности на участке, чтобы не заморозить их. Например, нельзя располагать трубы коллектора ближе, чем в полутора метрах от деревьев.

Этот способ монтажа используют, как правило, в тех случаях, когда участок только осваивается под строительство. Все расчеты и планы по постройке коттеджа, организации его отопления и планировке земельного участка лучше всего выполнять одновременно.

Эффективно ли геотермальное отопление на Севере

Чтобы создать минимальные условия необходимые для работы геотермальной установки, достаточно соблюдения следующих условий:

• Температура слоя грунта, в котором расположены теплообменники, не должна опускаться ниже +5,+7°C градусов.
• На протяжении всей системы, по которой протекает антифриз, созданы условия, позволяющие избежать его замерзания.
• Геотермальный обогрев загородного дома выполнен после проведения всех необходимых расчетов и проектной документации.

Если учесть все описанные требования становится ясно, что такие установки могут быть эффективными, при соблюдении вышеперечисленных условий. Все же для северных регионов более целесообразно использовать такие установки для нагрева небольших площадей до 150-200 кв. м.

Необходимое геотермальное оборудование

Отопление от земли работает за счет поглощения и выделения ее энергии, и основано на использовании специального оборудования. Данные устройства накапливают тепло из окружения и передают его теплоносителю отопительной системы частного дома. Для этого применяются следующие отопительные приборы:

1. Испаритель — помещается глубоко под грунт, чтобы аккумулировать тепловую энергию, которая находится в окружающей среде.
2. Конденсатор — доводит незамерзающую жидкость до нужных температурных показателей.
3. Геотермальная насосная станция — отвечает за циркуляцию теплоносителя в контуре и контролирует функционирование всей отопительной установки.
4. Буферный бак — сосредоточивает нагретую незамерзающую жидкость в одном месте для последующей передачи теплового состояния. Внутри содержится бак, в котором содержится вода из контура и змеевик, внутри которого циркулирует прогретый антифриз.

Теперь стало еще понятнее, как работает геотермия, благодаря которой осуществляется обогрев частного дома теплом из земли или водной среды.

Отметим, что производительность теплового насоса зависит от температуры среды, в которую помещен теплообменник. В этом случае жителям Камчатки крупно повезло, так как здесь очень много гейзеров.

Перед тем, как установить оборудование для термального отопления, нужно обязательно провести геологическую разведку. Если источник тепла находится на участке возле дома, то лучше сделать водоем в этом месте и расположить теплообменник на его дне. Тогда геотермальное отопление частного дома окупится намного раньше.

Эксплуатация системы

В доме необходимо установит тепловой насос. Он будет отбирать энергию от грунта или грунтовых вод, отдавая ее циркулирующему в доме по трубам теплоносителю. Этот принцип работы был выявлен еще в 19 веке французским физиком Сади Карно.

Составными элементами базового узла являются:

• компрессор;
• испаритель;
• конденсатор;
• дроссельный клапан.

Компрессор занимается «сжатием» тепла и перемещением его к потребителям. Сам прибор нуждается во внешнем источнике электропитания.

Работа теплового насоса проводится по следующему алгоритму:

1. Коллектор-теплозаборник должен содержать внутри жидкость, имеющую низкую температуру замерзания. Часто при изготовлении геотермального отопления своими руками внутрь заливают воду с повышенным содержанием солей, разбавленный водой спирт, гликолевые смеси.
2. В модуле испарителя тепло отдается хладагенту, имеющему невысокую температуру кипения, в это время он закипает и переходит в парообразное состояние.
3. Установленный в цепи компрессор способствует повышению давления пара, из этого следует повышение температуры вещества до 78-80 0 С.
4. Попадая в конденсатор вещество-хладагент переходит в жидкую фазу, одновременно с этим выделяется энергия для контура отопления.
5. Возврат образовавшейся жидкости в компрессор осуществляется сквозь дроссельный клапан.

Так как тепловой насос для отопления дома работает по принципу рефрижератора, то его часто называют «холодильником наоборот». Во многих случаях энергия из земли применяется для монтажа теплых полов.

Правильно проведенные расчеты и грамотно выполненный монтаж теплообменника способны обеспечить отдачу от одного потребленного насосом киловатта пятикратное увеличение мощности на выходе.

Бурение скважин

Для эффективного использования тепловой энергии земли, если участок возле строения небольшой, необходимо бурить глубинные скважины. В глубине земли на нескольких метрах сохраняется стабильная положительная температура. Применение таких геотермальных скважин обеспечивает теплом контур теплообменника. Далее это тепло передается второму внутреннему контуру, расположенному в помещении.

Часто бурение нескольких скважин обходится даже ниже, чем проведение укладки по дну водоема. Благодаря этому процесс становится доступным для большего количества желающих.

Процесс проводится малогабаритной буровой установкой и небольшим количеством вспомогательной техники. Это практически не затрагивает окружающую территорию. Обустройство скважины допускается даже в воде, но она не должна быть ближе, чем на 2-3 м от жилого строения.

Максимальная используемая глубина составляет до 200 м, но часто эффективность появляется с уровня в 50 м. На следующем этапе выполняется обустройство скважины. Внутрь полости ставится трубка из пластика, диаметром от 40 мм. В нее пропускают от одной до четырех петель коллектора.

Полость между грунтом и наружной стенкой трубки необходимо заполнить теплопроводным материалом. Выполняется проводка теплотрассы с подключением к тепловому насосу.

Энергия воды

Этот вариант по стоимости – самый рациональный, поскольку не требует подготовки траншей, котлована и прочих земельных работ. Но такой способен доступен далеко не для каждого – минимальный объем водоема, достаточный для отопление дома 100 кв.м. должен быть не менее 200 куб.м и располагаться не далее, чем 100 метров от домостроения.

В водоемы трубы прокладываются по дну, чтобы не допустить их промерзания в пик морозов.

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-+10 0 С;
• 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.

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.

Нельзя допускать слишком большую выработку насоса, так как этот процесс способен привести к значительному понижению температуры грунта вокруг скважины, а иногда доходит до ее промерзания.

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.

Самостоятельная организация геотермального отопления

Как уже упоминалось ранее, подобная система является наиболее доступной, а значит, каждый владелец дома может воспользоваться энергоресурсами земли. При этом организация геотермального отопления не потребует значительных вложений или человеческих ресурсов. Монтаж системы своими руками довольно прост. В данном случае главное – выполнить правильные расчеты.

Естественно, установка оборудования и самих тепловых насосов зависит от выбранного типа теплообменника.

• Проще всего выполнить монтаж при условии. что дом расположен возле водоема. В таком случае достаточно нанять нескольких помощников и спецтехнику, чтобы проложить трубу на дне. После этого останется лишь подключить тепловой насос, после чего в доме станет тепло.
• Если вы отдали предпочтение горизонтальному теплообменнику. то придется перекопать участок. Впоследствии здесь не удастся организовать сад или огород.
• Наиболее сложной считается установка вертикального теплообменника. Выполнение такой работы стоит доверить специалистам, имеющим соответствующий опыт и профессиональное бурильное оборудование.

Помимо укладки труб, необходимо обратить внимание на монтаж самого теплового насоса. Подобный прибор должен быть правильно установлен, иначе система окажется неэффективной.

Геотермальное отопление стало использоваться совсем недавно. Благодаря ему удается получить дешевую энергию с минимумом расходов. Чтобы такой альтернативный вариант оказался эффективным, необходимо учесть все требования, а также правильно установить тепловой насос.

Геотермальная система отопления своими руками – пошаговая инструкция

Рассмотрим сооружение геотермального отопления дома своими руками с горизонтальным наружным контуром (укладка в грунте). Работы разобьем на два этапа.

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.

Изготовление теплового насоса

На стене следует закрепить компрессор от кондиционера или холодильника.

При наличии слабой проводки используйте два компрессора с меньшей мощностью – это позволит уменьшить пусковой ток (компрессоры будут включаться последовательно).

Конденсатор, в котором будет сжиматься хладагент, изготавливаем из сантехнической медной трубы наружным диаметром около 12 мм и толщиной стенки 1 – 1,2 мм. Она наматывается на цилиндрическую болванку, так чтобы получился змеевик.

Испаритель делается из того же материала.

В качестве теплообменников следует использовать две емкости: для системы отопления – нержавеющую (здесь устанавливается конденсатор), для наружного контура – пластиковую (в ней установим испаритель).

Конденсатор устанавливаем так, чтобы фреон в нем двигался сверху вниз. Благодаря этому при его конденсации не будут образовываться пузырьки. В испарителе газ должен двигаться в противоположном направлении.

Один конец конденсатора присоединяется к выходу компрессора, на другом – устанавливается редукционный клапан. К выходному отверстию этого клапана присоединяется испаритель, второй конец которого следует подключить ко входу компрессора.

Каждую емкость при помощи штуцеров следует врезать в соответствующий контур.

Строительство наружного контура

Контур представляет собой пластиковую трубу, уложенную в траншею ниже глубины промерзания грунта в виде «змейки». Расстояние между соседними участками должно составлять около 70 см.

Длина контура будет зависеть от влажности грунта. При сухом грунте с каждого метра трубы удается снять 10 Вт тепла, во влажных глинистых почвах этот показатель возрастает до 35 Вт. Таким образом, на каждый кВт тепловой мощности понадобится контур площадью от 25 до 50 кв. м.

Монтаж и установка геотермального отопления

Основная сложность относительно монтажа геотермального оборудования связана с установкой контура теплообменника в грунте-земле. Хотя в интернете можно найти большое количество советов как выполнить эти работы самостоятельно, практика показывает, что большинство советов невозможно применить без специального профильного образования, следовательно, все работы должны выполнять профессиональные монтажники, являющиеся представителями производителя.

После обращения к специалистам, геотермальные системы отопления частных домов за счет тепла земли устанавливаются в следующие несколько этапов:

1. 1. Выезд инженера на дом. Во время первого визита берутся пробы грунта, определяются особенности местности и принимается решение о наиболее эффективном монтаже геотермальной системы. На эффективность установки может влиять также источник предполагаемого тепла. Более производительным считается монтаж теплообменников на дне водоема или у истоков термических источников.

1. 1. Заключение договора и приобретение необходимого оборудования. Расценки могут существенно отличаться в зависимости от сложности проведения монтажных работ и других нюансов. Но в среднем, если выбран качественный немецкий производитель, стоимость установки будет приблизительно равняться его цене. Приобретение под ключ установки Vaillant для дома в 350 кв. м. обойдется приблизительно в 21 тыс. $

1. 1. Монтажные работы. Отопление частного дома подземными геотермальными источниками тепла, а точнее, его эффективность во многом зависит от правильного проведения работ на этапе монтажа. После того как водяные теплообменники будут установлены в грунт, выполняется подключение к геотермальной установке и системе отопления дома.

1. Пуско-наладочные работы. Инженер запускает систему и выполняет точную регулировку устройства. После настройки подписывается Акт о сдаче работ.

Гейзерное отопление частного дома

Производительность геотермального насоса во многом зависит от температуры грунта или воды, в которых находится теплообменник. В этом отношении жители Камчатки находятся в более выгодном положении. На полуострое Камчатка находится огромное количество термальных источников — гейзеров, которые не остывают даже в зимнее время года. Перед монтажом оборудования обязательно проводится геологическая разведка. Если теплый источник находится на территории дома, имеет смысл расположить теплообменники на дне этого водоема. Геотермальная энергия в таком случае окупится значительно быстрее.

Основные схемы развязки

Существует три схемы, как можно организовать термальное альтернативное отопление, то есть обустроить контур для аккумуляции энергии тепла:

1. Самой эффективной обвязкой считается вертикальная система со скважинным насосом. Однако обустройство такого контура требует использования специальной техники и бурения скважин глубиной от 50 до 200 метров. При этом данный способ оправдывает траты, так как срок эксплуатации скважины составляет около 100 лет.
2. Менее затратной и более простой является горизонтальная обвязка, при которой трубы находятся под слоем земли ниже уровня промерзания грунта. Основной минус этого варианта является то, что контур занимает очень большой периметр. К примеру, для сооружения площадью 180 кв.м. потребуется 450 кв.м. свободной площади на участке так, чтобы ближайшее дерево находилось в двух метрах от труб.
3. Самый дешевый и удобный способ – разместить теплообменник на достаточной глубине водоема так, чтобы грунт там не промерзал. Обустройство такой системы не потребует работы дорогостоящей спецтехники. Этот вариант самый оптимальный для создания геотермального обогрева дома, при условии, что водоем находится не дальше 100-120 метров от здания.

Внешний контур собирается из труб, сделанных из полиэтилена, с расчетом из соотношения 40-50 Вт теплоэнергии на один метр коллектора. Так, при мощности насосного оборудования 10 кВт, необходимо будет обустроить скважину глубиной около 165-195 метров. Чтобы получить нужную расчетную длину, вместо одной скважины можно пробурить 2-3 менее глубоких из одной точки, однако в разных направлениях, то есть кластерным методом.

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.

Применяем тепло земли для отапливания дома

Энергия земли для отапливания дома сейчас применяется нечасто – очень многие люди предпочитает использовать классические источники энергии. Но расценки на горючее регулярно становятся больше, а залежи газа, угля и нефти когда-то, пускай даже спустя много лет, но завершатся. Из-за этой причины появляется необходимость искать альтернативные тепловые источники, в особенности — тепло земли для отапливания дома.

Обогрев дома теплом земли является одним из лучших если сравнивать с солнечной и ветряной энергетикой. В странах Европы прямо сейчас очень популярны гелиосистемы, разрешающие применить лучи солнца для отапливания дома и подогрева воды (прочтите также: «Гелиосистемы для отапливания собственными руками»). Но их использование ограничено – если в государствах с тёплым климатом их хватает для настоящего обогревания жилья, то в регионах с климатом умеренных широт очень много пасмурных дней. Более того, солнечные коллекторы должны содержать приличную площадь и емкий теплоаккумулятор, и в результате создание отопительные системы обходится в немалую сумму (прочтите: «Солнечный обогревательный прибор собственными руками»).

Тоже не помешает иметь добавочный тепловой источник на случай затянувшейся непогоды. Энергия ветра тоже считается не очень хорошим вариантом: его сила меняется, а складочки ландшафта помогают появлению мест с неизменным штилем. Если применять тепло земли для отапливания дома, то добавочный энергетический источник не понадобится – в любой день почва на глубине от нескольких метров хранит стабильную температуру. Чем больше глубина погружения геотермального насоса, тем выше температура грунта, а исходя из этого, и результативность теплоснабжения (подробнее: «Геотермальное теплоснабжение: рабочий принцип на примерах»). Но не забывайте о глубине обмерзания – в самых разнообразных регионах она выделяется.

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.

Стоимость геотермального отопления и цена его монтажа

Общие капиталовложения в систему отопления складываются из нескольких частей:

• цена теплового насоса;
• цена комплектующих;
• монтаж и пусконаладочные работы;
• текущие затраты на электроэнергию в течение отопительного сезона.

Цена теплового насоса

На рынке России представлена продукция импортного и отечественного производства:

1. Henk, — отечественный производитель, расположенный в Подмосковье. Представляет линейку тепловых насосов различной мощности и производительности. Число выпускаемых моделей доходит до 82 шт. Цена на продукцию начинается с 243000 рублей.
2. Mammoth, — производитель из США. Поставляет на рынок России около двух десятков насосов. Стоимость от 2800 долларов.
3. NIBE, — шведская компания. Цена на грунтовые модели исходит от 485000 рублей.
4. Waterkotte, — немецкая фирма. Стоимость комплекта из насоса и блока для ГВС начинается от 680000 рублей.

Цена комплектующих

В состав комплектующих геотермальной системы отопления входят (основные элементы):

1. Полипропиленовая труба для внешнего контура Ø32 или 40мм. Средняя цена за метр начинается с 35 рублей.
2. Труба для «тёплого» пола из сшивного полиэтилена диаметром 16мм со стоимостью от 45 руб/м.
3. Антифриз и тосол в качестве теплоносителей. Цена на первый 100–180 руб/литр, на второй 100–200 руб/литр.

Кроме этого, необходимы различные краны, клапаны, теплоизоляторы для труб и другое.

Стоимость монтажных работ

Основные и существенные затраты при укладке внешнего контура – это производство земляных или бурильных работ. Траншею глубиной до 1,5 метров и длиной до 300 метров можно выполнить своими силами с помощью, например, гастарбайтеров или «деревенского» тракториста.

С укладкой труб и засыпкой общая стоимость внешних работ составит 120000–240000 рублей. То же самое, но с бурением, может увеличиться до 250000–600000 рублей.

Услуги по оборудованию геотермального отопления под ключ

Список некоторых фирм и их услуг:

1. Геометро, — на рынке с2006 года. Стоимость отопления под ключ начинается с 400000 рублей. Работают с американскими тепловыми насосами Mammoth.
2. Теплодаром, — обеспечивает полное комплектование дома отопительной системой. Например, стоимость «под ключ» для дома полезной площадью 120м² составит 550000 рублей.
3. Геотепло, работают с несколькими производителями тепловых насосов. Цена монтажных и пусконаладочных работ начинается с 580000 рублей.

[spoiler title="Источники"]

• https://dizain-vannoy.ru/sistema-otopleniya/sistemy-otopleniya/avtonomnoe-geotermalnoe/geotermalnoe-otoplenie.html
• https://stroy-podskazka.ru/otoplenie/geotermalnoe-otoplenie/
• https://sovet-ingenera.com/eco-energy/teplovye-nasosy/geotermalnoe-otoplenie-doma-svoimi-rukami.html
• https://kaminguru.com/sistema-otoplenija/sistemy-geotermalnogo-otoplenija.html
• https://geotermal54.ru/stati/geotermalnoe-otoplenie-printsip-raboty-ispolzovanie-perspektivy
• https://otoplenie-doma.org/geotermalnoe-otoplenie.html
• https://microklimat.pro/sistemy-otopleniya/alternativnoe-otoplenie/geotermalnoe-svoimi-rukami.html
• http://teplosten24.ru/otoplenie-ot-zemli-kak-rabotaet.html
• https://SantehnikPortal.ru/otoplenie/geotermalnoe.html
• https://msklimat.ru/teplo-iz-zemli-dlya-otopleniya-doma.html
• http://teplosten24.ru/geotermalnoe-otoplenie-doma-printsip-raboty.html
• https://AvtonomnoeTeplo.ru/altenergiya/102-geotermalnoe-otoplenie-chastnogo-doma.html
• https://fugar-kamin.ru/otoplenie/geotermal-noe-otoplenie-zagorodnogo-doma-svoimi-rukami.html
• https://OtoplenieBlog.ru/tsentralnoe-otoplenie/geotermalnoe/kak-ustroeno-geotermalnoe-otoplenie-doma.html
• https://ekopower.ru/geotermalnoe-otoplenie-doma-kak-pravilno-vyibrat-i-raschet-stoimosti-pod-klyuch/

[/spoiler]