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

Что такое геотермальное отопление?

Геотермальное отопление — это система генерации тепла из твердых источников — земли, воды. На определенной глубине грунт и вода не замерзают, поддерживая температуру выше нуля, задача насосов — собирать тепловую энергию и направлять ее на обогрев дома.

Устройство представляет собой кондиционер, но с противоположной функцией, предназначенный не для генерации холода, а тепла. Алгоритм работы теплового насоса построен на передаче энергии от низкопотенциального источника к теплоносителю. Источником низкопотенциальной тепловой энергии является только земля или вода.

Как устроено?

Принцип геотермального отопления основан на использовании тепловых насосов. Они работают по классическому циклу Карно, забирая холодный теплоноситель глубоко внизу и получая взамен поток жидкости, нагретой до 50 градусов внутри системы отопления. Аппарат работает с КПД от 350 до 450% (это не противоречит основным законам физики, почему — будет рассмотрено позже). Стандартный тепловой насос обогревает дом или другое здание теплом земли в течение 100 000 часов (это средний период между профилактическим обслуживанием).

Нагрев до 50 градусов не был случайным выбором. Именно эта цифра, по результатам специальных расчетов и изучения практически реализованных систем, была признана наиболее эффективной. Поэтому наземное отопление, использующее поток энергии из земли, чаще всего дополняется не радиаторами, а теплым полом или циркуляцией воздуха. В среднем, на каждые 1 000 ватт энергии, которая приводит в действие насос, можно поднять около 3 500 ватт тепловой энергии. На фоне неудержимого роста стоимости теплоносителя в сети и других методов отопления это очень приятная цифра.

Геотермальное отопление состоит из трех контуров:

• наземный коллектор;
• тепловой насос;
• Сама система отопления дома.

Коллектор представляет собой набор труб, которые дополняются рециркуляционным насосом. Теплоноситель во внешнем контуре имеет температуру от 3 до 7 градусов. И даже это небольшое отклонение снаружи позволяет системе эффективно справляться с задачей. Для теплообмена используется либо чистый этиленгликоль, либо смесь этиленгликоля и воды. Полностью водяные подземные отопительные контуры встречаются редко.

Причина проста — вода, находящаяся в достаточно нагретом слое почвы, быстро разъедает оборудование. И даже эту жидкость нельзя найти в произвольном месте. Выбор конкретного теплоносителя определяется проектными решениями инженеров. Насос выбирается в зависимости от расположения других компонентов в системе. Поскольку глубина скважины (уровень оборудования) определяется природными условиями, решающие различия между типами геотермальных систем связаны с конструкцией коллектора в земле.

Горизонтальная конструкция означает размещение коллектора ниже линии промерзания грунта. В зависимости от конкретного участка это означает глубину 150-200 см. Такие коллекторы могут быть оснащены различными трубами — медными (с внешним слоем из ПВХ) или из металла. Чтобы получить от 7 до 9 кВт тепла, необходимо уложить не менее 300 квадратных метров коллектора. Этот метод не позволяет располагать деревья ближе 150 см, и после установки придется озеленить территорию.

Коллектор, расположенный вертикально, предполагает бурение нескольких скважин, обязательно направленных в разные стороны и ведущих под разным углом. Геотермальные зонды расположены внутри скважин, а тепловая мощность в 1 п.м. достигает около 50 Вт. Нетрудно подсчитать, что для получения идентичного количества тепла (7-9 кВт) потребуется обустроить 150-200 метров скважин. Преимуществом в данном случае является не только экономия, но и то, что ландшафтная структура участка не меняется. Для установки кессонного блока и монтажа концентрирующего коллектора необходимо выделить лишь небольшую площадь.

Контур с водяным отоплением целесообразно использовать, если есть возможность опустить внешний теплообменник в озеро или пруд на глубину 200-300 см. Но обязательным условием является наличие водоема в пределах 0,1 км от отапливаемого здания и площадь водной поверхности не менее 200 кв. м. Существуют также воздушные теплообменники, в которых внешняя циркуляция получает тепло из атмосферы. Это решение хорошо работает в южных регионах страны и не требует проведения земляных работ. Слабые стороны системы — низкая эффективность при 15 градусах мороза и полная остановка при снижении температуры до 20 градусов.

Несколько исторических фактов

В 1970-х годах, после нефтяного кризиса, на Западе возникла острая необходимость в поиске альтернативных источников энергии. Именно здесь начали появляться первые геотермальные системы отопления.

В настоящее время они широко распространены в США, Канаде и странах Западной Европы.

В Швеции, например, активно используется вода из Балтийского моря, температура которой составляет +4°C. В Германии внедрение геотермальных систем отопления даже спонсируется на государственном уровне.

Когда мы упоминаем геотермальные источники энергии, мы всегда думаем о долине Гейзеров или вулканах, но нужные нам источники находятся гораздо ближе. Именно они будут согревать нас зимой и охлаждать летом.

В России есть Паужетская, Верхне-Мутновская, Океанская и другие геотермальные электростанции. Но существует очень мало свидетельств использования энергии земли в нашем частном секторе.

Описание технологии

Технология геотермального отопления впервые появилась в Северной Америке, а затем стала популярной в скандинавских странах, Европе и России. Использование специального теплового насоса и замкнутого контура, расположенного под землей на глубине 20-40 метров, позволяет повысить эффективность отопления, снижая расходы на коммунальные платежи. Дорогостоящее оборудование окупается за короткое время, обеспечивая комфортное и уютное проживание в частном доме.

Геотермальные установки используют естественное тепло земли, что позволяет нагреть теплоноситель в трубах на 8-10 градусов выше начальной температуры. В тепловом контуре и специальном насосе, за счет нагретого грунтом теплоносителя, испаряется фреон, компрессор повышает давление газа, обеспечивая быстрый нагрев внешнего контура, который отвечает за тепло в жилище.

В этом видео вы узнаете об особенностях геотермального отопления:

Преимущества геотермального отопления:

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

Единственным недостатком является энергозависимость используемых геотермальных котлов, которые могут функционировать только при наличии стабильного электроснабжения оборудования. Эту проблему можно частично решить, установив дополнительные батареи, питающиеся от солнечных панелей.

К недостаткам также относится высокая стоимость используемых тепловых насосов, но при длительной эксплуатации такое оборудование окупается. В среднем стоимость геотермальной установки, построенной на надежных немецких компонентах, составит около 10 000 евро. Сегодня на рынке представлены геотермальные установки для отопления частных домов от российских и китайских производителей, отличающиеся низкой стоимостью и выдающимися эксплуатационными и функциональными характеристиками.

Особенности

Геотермальное отопление дома в сельской местности в основном не использует дорогое и загрязняющее воздух минеральное топливо. Уже 7 из 10 новых домов, построенных в Швеции, отапливаются таким образом. В жаркие дни геотермальное оборудование превращается из обогревателя в пассивный кондиционер. Вопреки распространенному мнению, для работы такой системы отопления не нужны вулканы или гейзеры. Он работает так же хорошо на самой обычной ровной местности.

Единственным условием является достижение контуром отопления точки ниже линии замерзания, где температура грунта всегда составляет от 3 до 15 градусов Цельсия. Сверхвысокая эффективность только на первый взгляд противоречит законам природы; тепловой насос насыщен фреоном, который испаряется при контакте даже с, казалось бы, «ледяной» водой. Пар нагревает третий контур. Это устройство представляет собой холодильник, вывернутый наизнанку. Таким образом, эффективность насоса зависит только от количественного соотношения электрической энергии и тепловых ресурсов. Сам привод работает «как положено», с неизбежными потерями энергии.

Достоинства и недостатки

Объективные преимущества геотермального отопления включают

• превосходная эффективность
• длительный срок службы (тепловой насос работает 2-3 десятилетия, а геотермальные зонды могут работать до 100 лет);
• стабильность работы практически при любых условиях;
• отсутствие какой-либо связи с энергетическими ресурсами;
• полная автономия.

Существует одна серьезная проблема, которая не позволяет геотермальному отоплению стать действительно широко распространенным решением. Именно в этом, по мнению владельцев, заключается высокая цена получившейся конструкции. Для отопления обычного дома площадью 200 м2 (не такая уж редкость) потребуется построить систему «под ключ» за 1 млн. рублей, до 1/3 этой суммы стоит тепловой насос. Автоматизированные системы очень удобны и, если все правильно отрегулировано, могут работать годами без вмешательства человека. Все упирается только в наличие свободных средств. Другим недостатком является зависимость от источника питания насосного агрегата.

Риск возгорания геотермальной системы отопления равен нулю. Не нужно беспокоиться о том, что она займет лишнее место: в доме необходимые детали займут примерно столько же места, сколько и обычная стиральная машина. Это также освобождает место, которое обычно занимают запасы топлива. Создание необходимых схем собственными силами вряд ли будет успешным. Планирование также лучше доверить профессионалам, поскольку малейшая ошибка может привести к неприятным последствиям.

Общие отрицательные стороны геотермальных установок

Наиболее серьезной проблемой является высокая стоимость подключения к низкопотенциальному источнику. Для отопления здания площадью 300 квадратных метров установка «под ключ» обойдется примерно в один миллион рублей. При этом половина денег будет потрачена на приобретение теплового насоса. Срок окупаемости наиболее эффективной системы, по сравнению с отоплением на электричестве, — от пяти лет. Еще одним недостатком является сложность заказного оборудования, о чем будет сказано ниже.

Перспективы развития геотермальных конструкций

Еще 25 лет назад 25 миллионов домовладельцев в Европе использовали тепло земли для обогрева своих домов, сегодня это число увеличилось в несколько раз. Это доказывает, что геотермальные системы экономически эффективны и окупаются в течение нескольких лет. Кроме того, правительства многих стран субсидируют домовладельцев, которые хотят использовать энергию земли. В России такие конструкции не получили широкого распространения из-за высоких первоначальных затрат. Однако есть и перспективы: по мере роста конкуренции стоимость тепловых насосов будет снижаться, что сделает геотермальное отопление более дешевым. Но лучшее решение — это государственная или хотя бы региональная поддержка. Особенно если учесть экологическую важность такого способа отопления домов.

Геотермальное отопление находится на одном уровне с магистральным газовым отоплением по стоимости затрат на 2020 год и удобству эксплуатации, при этом оно полностью взрывобезопасно и устанавливается за несколько недель.  Все остальные методы отопления либо значительно дороже, либо требуют больше ежедневной работы. Тенденции роста стоимости энергоносителей в обозримом будущем приведут российские цены в соответствие с европейскими потребителями. Дискуссии о возмещении затрат в основном обусловлены конкуренцией в отрасли; они не учитывают удобство этого метода отопления и инфляцию.

Сегодня обычный потребитель зарабатывает достаточно денег, чтобы не обращать внимания на высокую стоимость отопления дома, но со временем ситуация может измениться.
Поскольку мысль о сельском доме возникает у населения нашей страны после 40 лет, инвестиции в отопление TN можно рассматривать как инвестиции в личный пенсионный фонд. Потратив один раз на установку, вы получите 4-5 кВт тепла на 1 кВт электроэнергии.

То, что сейчас кажется неоправданно дорогим, завтра будет стоить совсем по-другому.

Об источниках геотермального отопления

Для геотермального отопления можно использовать следующие источники тепловой энергии грунта:

• высокотемпературный;
• низкая температура.

Высокотемпературные источники включают, например, тепловые источники. Их можно использовать, но сфера их применения ограничена фактическим расположением таких источников.

Если в Исландии этот вид энергии активно используется, то в России термальные воды расположены вдали от населенных пунктов. Большинство из них сосредоточено на Камчатке, где подземные воды используются в качестве охлаждающей среды и подаются в системы ГВС.

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

Но для низкотемпературного применения у нас есть все предпосылки. Для этого подходят окружающие воздушные массы, земля или вода.

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

Принцип работы такого отопления

Если вы знакомы с тем, как работает кондиционер или холодильник, то сходство этих процессов с принципом работы геотермального отопления очевидно. Основой системы является тепловой насос, который включен в два контура — внешний и внутренний.

Чтобы организовать традиционную систему отопления в любом доме, необходимо установить трубы для транспортировки теплоносителя, а также радиаторы, от которых отопление будет поступать в помещения. В нашем случае также необходимы трубы и радиаторы. Они образуют внутренний контур системы. В контур можно добавить подогрев пола.

Внешний контур выглядит намного больше внутреннего, хотя его размеры можно оценить только на этапе планирования и монтажа. Его не видно во время работы, так как он находится под землей или под водой. Внутри этого контура циркулирует обычная вода или антифриз на основе этиленгликоля, что гораздо предпочтительнее.

Геотермальная система отопления состоит из двух контуров, внутреннего и внешнего, а сердцем системы отопления является тепловой насос, который путем сжатия хладагента повышает его температуру (+) Хладагент во внешнем контуре нагревается до состояния среды, в которую он погружен, и в «нагретом» виде передается тепловому насосу. Через него концентрированное тепло передается во внутренний контур, вызывая нагрев воды в трубах, радиаторах и напольном отоплении.

Поэтому ключевым элементом, оживляющим всю систему, является тепловой насос. Если у вас дома стоит обычная стиральная машина, знайте, что этот насос займет примерно столько же места.

Для его работы необходимо электричество, но он потребляет всего 1 кВт и производит 4-5 кВт тепла. И это не чудо, потому что источник «лишней» энергии известен — это окружающая среда.

Принцип функционирования

Такое явление, как геотермальное отопление, принцип работы которого напоминает работу обычного холодильника, только в обратном направлении, становится все более популярным. Земля постоянно сохраняет тепло, и можно нагревать предметы на ее поверхности. Идея заключается в том, что горячая магма нагревает землю изнутри, а гора, благодаря земле, не замерзает.

Геотермальная система основана на специальном тепловом насосе, который использует тепловую энергию, вырабатываемую в процессе отопления.

Принцип работы следующий: тепловой насос устанавливается сверху, а теплообменник опускается в специальную земляную шахту. Грунтовые воды проходят через насос и нагревают его. Полученное тепло затем используется в промышленных или бытовых целях. Именно так работает подземное тепловое отопление.

Принципиальная схема теплового насоса

Стоит отметить, что основным преимуществом такой системы является то, что при потреблении электроэнергии в 1 кВт, мы 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, поскольку потери при преобразовании одного вида энергии в другой, к сожалению, еще никто не отменял). Отопление за счет тепла земли довольно быстро окупится при правильном подходе к внедрению геотермального отопления.

Способы работы системы

Эта эффективная и экологически чистая система — тепловое отопление — работает по трем основным направлениям:

1. Она использует тепловую энергию глубоко залегающих грунтовых вод. Эта вода имеет высокую температуру, тепловой насос поднимает ее и нагревает. Затем вода проходит через теплообменник, высвобождая большую часть своей энергии.
2. Этот метод требует от владельцев дополнительных затрат. Емкость с антифризом опускается на 75 или более метров в землю. Он нагревается и поднимается к теплообменнику с помощью теплового насоса. После передачи тепла в теплообменник антифриз возвращается в бак.
3. При третьем режиме работы система вообще не требует скважины на грунт. Этот тип отопления от земли подходит для обогрева зданий, имеющих доступ к водоему. Таким образом, горизонтальные зонды располагаются вдоль дна резервуара от теплообменника и преобразуют тепло от воды на дне.

Классификация по конструкционному типу

Если в случае с кондиционером воздуха газ-хладагент сам проходит через исходную среду, то в геотермальной системе отопления он получает тепло от посредника — воды или антифриза.

Последний циркулирует по так называемому внешнему контуру — длинной трубе.

Именно эта трубка помещается в исходную среду.

Существует три варианта геотермальных систем отопления в зависимости от типа внешнего контура:

1. С горизонтальной циркуляцией: труба прокладывается «в шланге» (в земле) или в виде спирали (на дне водоема) ниже глубины промерзания, т.е. примерно в нескольких метрах от поверхности земли. Этот тип трубопровода занимает много места, но может быть построен владельцем.
2. С вертикальным контуром: Трубы опускаются в глубокие колодцы. Это более удобный вариант, поскольку он не требует много места, но для строительства колодца вам придется нанять специалистов со специализированным оборудованием.
3. Комбинированный вариант: Еще один тип схемы, которую можно построить самостоятельно, занимая меньше места, чем горизонтальная. Используется полимерная труба, которая укладывается в землю в виде цилиндрической пружины. В результате получается нечто среднее между вертикальной и горизонтальной петлей, с уклоном в сторону последней.

Не всегда возможно проложить трубы ниже глубины промерзшего грунта. Изоляция труб в земле может помочь защитить систему отопления от мороза.

Более подробную информацию об альтернативных источниках энергии см. в этой теме. Энергия ветра и солнца, а также тепло земли в качестве источника тепла.

Два вида расположения теплообменника

Существует два варианта отопления одноквартирного дома с использованием низкотемпературной энергии элементов окружающей среды. Основой системы во всех трех случаях является геотермальный насос.

Внутренний контур остается одинаковым для обоих методов нагрева, основное различие заключается в расположении внешнего контура.

Геотермальное отопление оснащено теплообменником, расположенным

• вертикальные — расположенные в скважинах, независимо от того, проникают они в водоносный горизонт или нет;
• горизонтальная — теплообменники системы расположены в траншее или открытом резервуаре по типу змеевика.

Каждый из представленных здесь вариантов отопления имеет свои особенности, преимущества и недостатки.

Вариант #1. Вертикальное размещение внешнего коллектора

Этот тип отопления основан на интересном природном явлении: на глубине 50-100 м и более от поверхности земля имеет одинаковую и постоянную температуру 10-12°C круглый год.

Чтобы использовать эту энергию земли, необходимо пробурить вертикальные скважины. Технология почти такая же, как и при подготовке источника воды.

Несколько труб могут быть пробурены из одной и той же исходной точки, но под разными углами, чтобы максимально сохранить ландшафт.

Внешний контур системы будет установлен непосредственно в этих колодцах. Это позволит эффективно отводить тепло от земли. Конечно, этот метод вряд ли можно назвать простым и малобюджетным.

Для создания вертикальной геотермальной системы отопления необходимо использовать оборудование для бурения скважин; без использования буровой установки решение задач, связанных с созданием системы, было бы довольно трудоемким (+).

Это актуально, когда прилегающая к дому территория уже застроена и нарушать ландшафт нежелательно. Глубина бурения может составлять от 50 до 200 метров.

Конкретные параметры скважины зависят от геологических условий местности и параметров будущего сооружения. Срок службы такого сооружения составляет около 100 лет.

Для вертикального варианта системы с теплообменником, извлекающим энергию подземных вод, потребуется пробурить две водяные скважины.

Из одной из них, называемой дебетовой скважиной, насос забирает воду, которая после теплообмена подается во вторую, приемную скважину.

Недостатком геотермальной системы с двумя скважинами является то, что она недостаточно эффективна для отопления загородного дома. Циркуляционный насос потребляет слишком много энергии. Однако для доставки теплоносителя к контуру теплого пола полученной тепловой энергии достаточно

Вариант #2. Горизонтальное расположение грунтового коллектора

Если вы хотите проложить внешний отопительный контур горизонтально, вам необходимо знать, насколько глубоко промерзает грунт в вашем регионе.

Трубы прокладываются ниже уровня промерзания в заранее подготовленных траншеях, захватывая довольно большое пространство: для отопления дома площадью 200-250 квадратных метров потребуется около 600 квадратных метров теплообменника. Это шесть квадратных метров.

Недостатком этой конструкции является большая площадь, которую она занимает. Если вы хотите, чтобы на участке была лужайка, покрытая травой и цветами, это ваш вариант. А трубы коллектора лучше держать подальше от фруктовых деревьев (+)

Понятно, что в таких условиях объем земляных работ будет значительным. Кроме того, необходимо учитывать расположение деревьев и другой растительности на участке, чтобы не заморозить их. Например, трубы коллектора не должны располагаться ближе полутора метров от деревьев.

Этот способ установки обычно используется, когда земля только осваивается под строительство. Все расчеты и планы по строительству коттеджа, организации его отопления и благоустройству территории лучше всего проводить одновременно.

Эффективно ли геотермальное отопление на Севере

Для создания минимальных условий, необходимых для работы геотермальной установки, достаточно соблюдения следующих условий:

• Температура слоя грунта, в котором расположены теплообменники, не должна опускаться ниже +5, +7 градусов Цельсия.
• Во всей системе, по которой течет антифриз, создаются условия для предотвращения замерзания.
• Геотермальное отопление загородного дома осуществляется после проведения всех необходимых расчетов и составления проектной документации.

Если принять во внимание все вышеперечисленные требования, то можно увидеть, что такие установки могут быть успешными при условии соблюдения вышеуказанных условий. Однако для северных регионов такие установки целесообразнее использовать для обогрева небольших площадей до 150-200 квадратных метров.

Необходимое геотермальное оборудование

Нагрев от земли работает путем поглощения и высвобождения ее энергии и основан на использовании специальных устройств. Эти устройства аккумулируют тепло из окружающей среды и передают его теплоносителю в системе отопления частного дома. Для этого используются следующие нагревательные приборы:

1. Испаритель — размещается глубоко под землей для хранения тепловой энергии, находящейся в окружающей среде.
2. Конденсатор — доводит незамерзающую жидкость до нужного уровня температуры.
3. Геотермальная насосная станция — отвечает за циркуляцию теплоносителя в контуре и управляет работой всей системы отопления.
4. Буферный бак — концентрирует нагретый антифриз в одном месте для последующей передачи теплового состояния. Он содержит бак, в котором находится циркулирующая вода, и змеевик, внутри которого циркулирует нагретый антифриз.

Теперь стало еще более понятно, как работает геотермальная система, в которой для отопления частного дома используется тепло земли или водяного центра.

Обратите внимание, что производительность теплового насоса зависит от температуры окружающей среды теплообменника. В этом случае жителям Камчатки очень повезло, так как гейзеров там очень много.

Перед установкой теплового отопительного оборудования следует позаботиться о проведении геологического исследования. Если источник тепла расположен на участке земли рядом с домом, лучше сделать в этом месте пруд, а на его дне разместить теплообменник. Тогда геотермальное отопление частного дома окупится гораздо быстрее.

Эксплуатация системы

Необходимо установить в доме тепловой насос. Он будет извлекать энергию из земли или грунтовых вод и возвращать ее в теплоноситель, который циркулирует по трубам в доме. Этот принцип работы был открыт еще в 19 веке французским физиком Сади Карно.

Компонентами базового блока являются:

• компрессор;
• испаритель
• конденсатор;
• амортизатор.

Компрессор «сжимает» тепло и передает его потребителям. Само устройство требует внешнего источника питания.

Тепловой насос работает по следующему алгоритму:

1. Тепловой коллектор должен содержать внутри жидкость с низкой температурой замерзания. Часто при производстве геотермального отопления своими руками внутрь заливается вода с высоким содержанием солей, вода, разбавленная спиртом, гликолевые смеси.
2. В модуле испарителя тепло передается хладагенту, который имеет низкую температуру кипения, в это время он закипает и превращается в пар.
3. Установленный в контуре компрессор повышает давление паров, и температура вещества повышается до 78-80°C.
4. В конденсаторе хладагент переходит в жидкую фазу, при этом выделяется энергия для отопительного контура.
5. Образующаяся жидкость возвращается в компрессор через дроссельный клапан.

Поскольку тепловой насос для отопления дома работает по принципу холодильника, его часто называют «перевернутым холодильником». Во многих случаях для системы напольного отопления используется энергия земли.

Правильно проведенные расчеты и грамотно выполненная установка теплообменника способны обеспечить возврат одного киловатта, потребляемого насосом, в пятикратном размере.

Бурение скважин

Если участок земли перед домом слишком мал, необходимо пробурить глубокую скважину, чтобы эффективно использовать тепловую энергию земли. На несколько метров ниже уровня земли поддерживается стабильная положительная температура. Использование таких геотермальных скважин обеспечивает подачу тепла в контур теплообменника. Затем это тепло передается второму внутреннему контуру, расположенному внутри.

Бурение нескольких скважин зачастую обходится даже дешевле, чем закладка водохранилища. Это делает процесс доступным для большего числа людей.

Процесс происходит с помощью небольшой буровой установки и небольшого количества вспомогательного оборудования. Воздействие на окружающую территорию практически отсутствует. Скважину можно бурить даже в воде, но не ближе 2-3 метров от жилого дома.

Максимальная полезная глубина достигает 200 м, но эффективность часто начинается с 50 м. Следующим шагом является строительство скважины. Внутрь ямы помещается пластиковая труба диаметром 40 мм или более. Вставляется от одной до четырех петель сбора.

Полость между землей и внешней стенкой трубы должна быть заполнена теплопроводящим материалом. Тепловая труба подключается к тепловому насосу.

Энергия воды

Этот вариант является наиболее экономичным, так как не требует подготовки траншей, котлованов и других земляных работ. Однако этот вариант доступен не всем — минимальный объем воды, достаточный для отопления дома площадью 100 кв. м, должен составлять не менее 200 куб. м и располагаться не более чем в 100 метрах от дома.

Трубы следует укладывать в емкости по дну, чтобы предотвратить их замерзание в самые сильные морозы.

Проведение расчетов

Для расчета системы необходимо учесть следующие основные параметры

• на глубине более 15-20 м в средней полосе России температура поддерживается на уровне +8-+10 0 С;
• Для вертикальных конструкций принято рассчитывать значение мощности 50 Вт на 1 м высоты; более точные значения зависят от влажности породы, наличия грунтовых вод и т.д;
• сухой породы дает 20-25 Вт/м;
• влажная глина или песчаник 45-55 Вт/м;
• твердые гранитные породы обеспечат до 85 Вт/м;
• Грунтовые воды обеспечат до 110 Вт/м.

Использование теплового насоса

Долговечность системы зависит от характеристик и условий, в которых работает тепловой насос. В геотермальных системах он способен работать примерно 1 800 часов в год. Это среднее значение для широт, где нет тепловых подземных источников.

Принцип работы теплового насоса

Принцип работы тепловой системы отопления идентичен и не связан со страной-производителем или брендом. Геотермальные насосы могут отличаться по конструкции, размеру и внешнему виду, но скорость производства тепла всегда будет одинаковой для насосов разных компаний и разных стран. Это связано именно с тем, как природная энергия преобразуется в тепло.

Производительность насоса не должна быть слишком высокой, так как этот процесс может привести к тому, что температура грунта вокруг скважины значительно снизится, а иногда даже достигнет точки замерзания.

Последствия таких просчетов в конечном итоге могут быть катастрофическими — грунт обрушивается неравномерно, в некоторых местах уходит очень глубоко, в результате чего повреждаются защитные пластиковые трубы. Если дом примыкает к дому, фундамент или стены могут деформироваться из-за геологических изменений.

Периодически следует принимать меры по «регенерации» грунта, для чего в теплообменник подается дополнительная тепловая энергия. Это может быть энергия солнечных коллекторов или нагрев зонда, когда тепловой насос работает в режиме охлаждения помещения.

В заключение следует отметить, что геотермальная установка пока доступна не каждому. В некоторых случаях срок окупаемости может составлять более 10 лет, но в конечном итоге именно эти способы отопления дома в ближайшем будущем не только как альтернатива, но и как единственно возможный способ.

Самостоятельная организация геотермального отопления

Как упоминалось ранее, эта система является наиболее доступной, что означает, что любой домовладелец может воспользоваться энергетическими ресурсами Земли. В то же время, организация геотермального отопления не потребует значительных инвестиций или человеческих ресурсов. Установка системы своими руками довольно проста. В этом случае самое главное — сделать правильные расчеты.

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

• Легче всего это сделать в случае дома, расположенного рядом с водоемом. В этом случае вам достаточно нанять несколько помощников и специальное оборудование для укладки трубы на дно. Затем вам остается только подключить тепловой насос, и в вашем доме будет тепло.
• Если вы выбрали горизонтальный теплообменник, вам придется копать землю на участке. После этого вы не сможете посадить сад или огород.
• Вертикальный теплообменник считается самым сложным в установке. Эта работа должна выполняться специалистами, имеющими необходимый опыт и профессиональное буровое оборудование.

Помимо прокладки труб, следует уделить внимание установке самого теплового насоса. Такое устройство должно быть установлено правильно, иначе система будет неэффективной.

Использование геотермального отопления очень своевременно. Она обеспечивает дешевую энергию по очень низкой цене. Для того чтобы эта альтернатива была эффективной, важно учитывать требования и правильно установить тепловой насос.

Геотермальная система отопления своими руками – пошаговая инструкция

Рассмотрим возможность строительства геотермальной системы отопления своими руками с горизонтальным внешним контуром (прокладка в земле). Работа будет разделена на два этапа.

Обустройство

Многие люди пытаются создать геотермальное отопление своими руками. Но чтобы такая система работала, необходимо произвести тщательные расчеты, а также составить схему электрических трубопроводов. Скважина не должна быть ближе 2-3 метров к дому. Максимальная допустимая глубина бурения составляет 200 м, но скважины до 50 м показывают хорошие результаты.

Расчеты

Основными параметрами, которые учитываются при любом расчете, являются.

• температура (глубина 15-20 м и больше тепла от 8 до 100 градусов, в зависимости от созданных условий);
• величина потребляемой мощности (в среднем 0,05 кВт на 1 м);
• влияние климата, влажности и контакта с грунтовыми водами на теплоотдачу.

Интересно, что абсолютно сухие породы дают не более 25 Вт с 1 м, а если есть грунтовые воды, то значение возрастает до 100-110 Вт. Не забывайте, что стандартное время работы теплового насоса составляет 1800 часов в год. Если вы превысите это число, система не станет более эффективной, но ее потребление резко возрастет. Хуже того, чрезмерная эксплуатация подповерхностных тепловых ресурсов приведет к их охлаждению или даже замерзанию на эксплуатируемых глубинах. Это может привести к проседанию почвы, а иногда и к повреждению рабочих труб и надземных сооружений.

Восстановление свойств почвы должно быть тщательно продумано. Только периодически подавая тепло в скважину, вместо того чтобы выводить его наружу, можно гарантировать стабильную работу системы в течение многих лет. Расчеты, сделанные опытными планировщиками, подскажут вам, как часто это делать и что еще необходимо сделать. Срок окупаемости геотермального отопления, даже при самой высокой эффективности, составляет не менее 10 лет. Поэтому, помимо инженерных аспектов, необходимо тщательно проанализировать экономику проекта.

Последовательность работ

Подогрев грунта должен осуществляться по четко определенному алгоритму. Поскольку водяные и воздушные системы имеют ограниченное применение, большинство практических вариантов предполагает бурение скважин. Это еще одна причина, по которой невозможно все сделать своими руками. Только специализированная технология позволяет проникать на глубину 20-100 метров, где создаются необходимые условия для обогрева. В качестве зондов можно использовать пластиковые трубы, рассчитанные на давление около 6 бар.

Для повышения эффективности системы используются системы трубопроводов из 3 или 4 линий, концевые участки которых соединяются в U-образной форме. Обогрев контуров очень важен, так как он предотвращает разрыв труб при сильных морозах. Этот нагрев осуществляется с помощью провода, который протягивается в центр воздуховода и используется для подачи электроэнергии. Если нет возможности использовать силовые сваи, необходимо использовать горизонтальные приемники. Для них необходимо подготовить участок размером 15 x 15 м и удалить почву на глубину 0,5 м.

Вся эта площадь необходима для укладки позы зонда. Часто используются электрические маты или теплообменные трубы. Для повышения эффективности системы отопления трубы укладываются в виде спирали или серпантина. Невозможно сказать, что лучше — сборные системы, производимые серийно, или самостоятельная сборка. В первом случае автоматически решается проблема совместимости, а во втором — повышается гибкость, увеличивается потенциал для модернизации (однако при этом необходимо уделить больше внимания проектированию).

Строители-любители могут избежать типичного теплового аккумулятора, заменив его бетонной стяжкой. Геотермальное отопление в такой системе позволяет избежать значительных колебаний температуры. Можно экспериментировать с различными теплоносителями и устанавливать компрессоры с различной производительностью. Правильно рассчитав нагрузки и распределив тепло по потребляющим контурам, можно повысить эффективность системы на 15-20 %. При этом значительно снижаются затраты на электроэнергию.

Горизонтально проложенные трубы укладываются на глубину 50-300 см. Чтобы площадь поверхности труб была как можно меньше, они изготавливаются в виде бухт. Однако между двумя отдельными магистралями должно быть не менее 200 мм. Любые строительные работы должны предваряться определением теплоемкости грунта. Если он составляет менее 20 ватт на квадратный метр, то нет смысла в геотермальном контуре. Для обеспечения дренажа грунтовых вод дно котлованов покрывается слоем песка. Трубы на основе сшитого полиэтилена работают очень хорошо.

Изготовление теплового насоса

Прикрепите компрессор от кондиционера или чиллера к стене.

Если проводка плохая, используйте два компрессора меньшей мощности — это уменьшит пусковой ток (компрессоры будут соединены последовательно).

Конденсатор, в котором будет сжиматься хладагент, изготавливается из медной трубки с внешним диаметром около 12 мм и толщиной стенки 1 — 1,2 мм. Он наматывается на цилиндрическую заготовку, образуя катушку.

Испаритель изготовлен из того же материала.

В качестве теплообменников следует использовать два сосуда: сосуд из нержавеющей стали для системы отопления (в котором установлен конденсатор) и пластиковый сосуд для внешнего контура (в котором установлен испаритель).

Конденсатор должен быть установлен так, чтобы фреон в нем двигался сверху вниз. Это предотвратит образование пузырьков воздуха во время конденсации. В испарителе газ должен двигаться в противоположном направлении.

Один конец конденсатора соединен с выходом компрессора, а на другом конце установлен редукционный клапан. К выходу этого клапана подключается испаритель, другой конец которого должен быть подключен к входу компрессора.

Каждая емкость должна быть подключена к соответствующему контуру с помощью фитинга.

Строительство наружного контура

Контур — это пластиковая труба, уложенная в форме «змеи» в траншею ниже глубины промерзания грунта. Расстояние между соседними секциями должно составлять примерно 70 см.

Длина контура будет зависеть от влажности почвы. Если земля сухая, каждый метр трубы отводит 10 Вт тепла; если земля влажная, эта цифра возрастает до 35 Вт. Таким образом, на каждый кВт тепловой мощности требуется площадь от 25 до 50 кв. м.

Монтаж и установка геотермального отопления

Основная сложность при установке геотермального оборудования связана с монтажом контура теплообменника в грунте — земле. Хотя в Интернете можно найти множество руководств о том, как выполнить эту работу самостоятельно, практика показывает, что большинство советов невозможно применить без специальной подготовки, поэтому любые работы должны выполняться профессиональными монтажниками, которые являются представителями производителя.

После обращения к специалистам геотермальные системы отопления от тепла земли устанавливаются в частных домах на следующих этапах:

1. 1. Выезд инженера на дом. Во время первого визита берутся пробы грунта, определяются особенности участка и принимается решение о наиболее эффективной установке геотермальной системы. Источник тепла также может влиять на эффективность установки. Считается более эффективным устанавливать теплообменники на дне водоема или у тепловых источников.

1. 1. Заключение договора и приобретение необходимого оборудования. Цены могут значительно варьироваться в зависимости от сложности монтажных работ и других нюансов. Но в среднем, если выбран качественный немецкий производитель, стоимость установки будет более или менее соответствовать его цене. Покупка установки Vaillant «под ключ» для дома площадью 350 кв. м обойдется примерно в $21 000.

1. 1. Монтажные работы. Отопление частного дома с помощью подземных геотермальных источников тепла, а точнее его эффективность, во многом зависит от правильного выполнения работ на этапе монтажа. После установки водяных теплообменников в грунт производится подключение к геотермальной системе и системе отопления дома.

1. Пусконаладочные работы. Инженер запускает систему и настраивает устройство. После корректировки подписывается протокол приемки.

Гейзерное отопление частного дома

Производительность геотермального насоса в значительной степени зависит от температуры грунта или воды, в которых находится теплообменник. Жители Камчатки в этом отношении находятся в лучшем положении. На полуострове Камчатка много термальных источников — гейзеров, которые не замерзают даже зимой. Перед установкой оборудования всегда проводится геологическое исследование. Если на участке есть теплый источник, имеет смысл разместить теплообменники на дне этого водоема. В этом случае геотермальная энергия окупается гораздо быстрее.

Основные схемы развязки

Существует три возможных варианта организации альтернативного теплового отопления, т.е. установки контура накопления тепловой энергии:

1. Вертикальная система со скважинным насосом считается наиболее эффективной комбинацией. Однако этот метод требует использования специализированного оборудования и бурения скважин глубиной от 50 до 200 метров. Однако этот метод оправдывает затраты, поскольку срок службы скважины составляет около 100 лет.
2. Менее дорогостоящим и более простым является горизонтальная обвязка, при которой трубы прокладываются под землей ниже уровня промерзания. Основной недостаток этого варианта заключается в том, что контур занимает очень большой периметр. Например, для сооружения площадью 180 квадратных метров потребуется 450 квадратных метров свободного пространства на участке, чтобы ближайшее дерево находилось в пределах двух метров от труб.
3. Самый дешевый и удобный способ сделать это — разместить теплообменник на нужной глубине резервуара, чтобы грунт там не промерзал. Для создания такой системы не требуется дорогостоящее специализированное оборудование. Это лучший вариант для создания геотермального отопления в доме, при условии, что резервуар находится на расстоянии не более 100-120 метров от здания.

Внешний контур собирается из труб из полиэтилена, с соотношением 40-50 Вт тепловой энергии на метр коллектора. Таким образом, для получения мощности насоса 10 кВт необходимо пробурить скважину длиной примерно 165-195 метров. Для достижения необходимой проектной длины вместо одной скважины можно пробурить 2-3 более мелкие скважины из одной точки, но в разных направлениях, т.е. по кластерному методу.

Геотермия с использованием горизонтальной схемы

В этом случае теплообменник, как следует из названия, укладывается горизонтально. Однако прежде чем выбрать этот метод, стоит поинтересоваться глубиной промерзания почвы в конкретном месте. Очевидно, что трубы теплообменника должны быть заглублены ниже линии промерзания грунта. Очевидно, что для системы требуется больше места, чем для вертикальной установки.

Для сравнения, если у вас загородный дом площадью двести пятьдесят квадратных метров, то для теплообменника потребуется площадь шестьсот квадратных метров; это, пожалуй, главный недостаток таких систем. Но если у вас достаточно места перед домом, почему бы не использовать эту схему. Но если вы уже разбили свой сад, вам нужно выбрать его.

Если вы устанавливаете горизонтальную систему, вам придется проделать большую работу. Поэтому этот вариант используется, когда строительство уже идет, а на участке еще ничего не посажено и не возведено. Хорошо, если участок, дом и проект отопления выполняются одновременно.

Отопительная система с теплообменником в водоеме

Иногда, хотя и довольно редко, горизонтальный теплообменник помещают в водоем — естественный или искусственный. Последний, однако, не должен промерзать до дна зимой; в итоге контур укладывается на дно пруда. Для организации такой схемы отопления площадь поверхности резервуара должна составлять не менее двухсот квадратных метров. Кстати, этот метод считается наименее затратным, так как при нем не нужно ничего сверлить. Однако не все односемейные дома строятся на берегу водоема достаточного размера. Кроме того, если водный объект является общественным, любая деятельность, связанная с ним, должна осуществляться только в рамках закона, что также не всегда возможно.

Применяем тепло земли для отапливания дома

Энергия земли для отопления дома в наши дни используется нечасто — многие предпочитают использовать классические источники энергии. Но цены на топливо неуклонно растут, а запасы газа, угля и нефти иссякнут, хотя зачастую через много лет. По этой причине становится необходимым искать альтернативные источники тепла, в частности, грунтовое тепло для отопления домов.

Тепло земли для отопления дома является одним из лучших по сравнению с солнечной и ветровой энергией. Солнечные тепловые системы, позволяющие использовать солнечные лучи для отопления дома и нагрева воды, в настоящее время очень популярны в европейских странах (читайте также: «Солнечные тепловые системы для отопления своими руками»). Однако их применение ограничено — хотя в теплом климате их достаточно для настоящего домашнего отопления, в регионах с умеренным климатом бывает много пасмурных дней. Кроме того, солнечные коллекторы должны иметь приличную площадь поверхности и большую теплоемкость, в результате чего создание системы отопления обходится недешево (читайте: «Устройство солнечного отопления своими руками»).

Также не помешает иметь дополнительный источник тепла на случай затяжной непогоды. Энергия ветра также не является хорошим вариантом: его сила варьируется, а волнистость ландшафта способствует созданию зон постоянного дрейфа. Если вы используете тепло земли для отопления дома, вам не понадобится дополнительный источник энергии — в любой день почва на глубине нескольких метров поддерживает стабильную температуру. Чем глубже погружен геотермальный насос, тем выше температура грунта и, следовательно, лучше производительность отопления (подробнее: «Геотермальное отопление: принцип работы с примерами»). Однако не забывайте о глубине промерзания почвы — она варьируется в зависимости от региона.

Выполнение гидротермальных скважин

Бурение геотермальных скважин для автономного отопления — лучший вариант, который может значительно сократить расходы домовладельца. Скважина бурится на глубину 30-50 метров, что повышает эффективность отопления, поскольку на большей глубине температура грунта будет выше, чем на самой поверхности.

Бурение скважины — один из самых эффективных методов установки такого отопления.

Сегодня многие домовладельцы при организации автономной геотермальной системы отопления для частного дома выбирают вариант бурения скважины, что значительно упрощает схему контура. При этом обеспечивается максимальная эффективность используемого оборудования, что позволяет использовать все возможности таких современных технологий даже при наличии небольшого участка земли.

Реализация отопления частного дома с прокладкой внешнего контура в глубоких скважинах позволяет снизить общие затраты на организацию автономного отопления в доме на 20-30%. Благодаря высокой температуре теплоносителя в глубоком контуре, можно использовать небольшие отопительные системы, что упрощает монтаж оборудования, снижает его стоимость, обеспечивая при этом максимальный комфорт проживания в частном доме.

Стоимость геотермального отопления и цена его монтажа

Общие инвестиции в систему отопления состоят из нескольких частей:

• цена теплового насоса;
• цена аксессуаров;
• затраты на установку и ввод в эксплуатацию;
• периодические затраты на электроэнергию во время отопительного сезона.

Цена теплового насоса

На российском рынке представлена продукция импортного и отечественного производства:

1. Хенк» — отечественный производитель, расположенный в Московской области. Она представляет линейку тепловых насосов с различной мощностью и эффективностью. Количество моделей достигает 82 единиц. Стоимость продукции начинается от 243 000 рублей.
2. Компания Mammoth является производителем из США. Она поставляет около двух десятков насосов на российский рынок. Стоимость начинается от 2 800 долларов.
3. NIBE — шведская компания. Цена наземных моделей начинается от 485 000 рублей.
4. Waterkotte — это немецкая компания. Стоимость полного комплекта с насосом и блоком для ГВС начинается от 680000 рублей.

Цена комплектующих

В комплект принадлежностей геотермальной системы отопления входят (основные компоненты):

1. Полипропиленовая труба для внешнего контура Ø32 или 40 мм. Средняя цена за метр начинается от 35 рублей.
2. Труба для напольного отопления из сшитого полиэтилена Ø16 мм по цене от 45 руб/м.
3. Антифриз и тосол как теплоносители. Цена первого 100-180 рублей/литр, второго 100-200 рублей/литр.

Кроме того, необходимы различные краны, клапаны, изоляторы для труб и др.

Стоимость монтажных работ

Основными и значительными затратами при прокладке внешнего контура являются земляные работы или бурение. Котлован глубиной до 1,5 м и длиной до 300 м можно выполнить своими силами — например, с помощью рабочих-мигрантов или «сельского» тракториста.

С учетом прокладки труб и обратной засыпки общая стоимость внешних работ составит от 120 000 до 240 000 рублей. То же самое, но с бурением, может подорожать до 250 000-600 000 рублей.

Услуги по оборудованию геотермального отопления под ключ

Список некоторых компаний и их услуг:

1. Geometro — на рынке с 2006 года. Стоимость отопления «под ключ» начинается от 400 000 рублей. Они работают с тепловыми насосами American Mammoth.
2. Теплодаром, — предоставляет полный комплект системы отопления дома. Например, стоимость «под ключ» для дома площадью 120 м² составляет 550000 рублей.
3. Geoteplo, работает с несколькими производителями тепловых насосов. Стоимость монтажных работ и ввода в эксплуатацию начинается от 580000 рублей.