Геотермальное отопление загородного дома: берем тепло из недр земли. Геотермальное отопление Принцип и технология отопления скважинами

Сегодня многие люди ищут альтернативные решения, позволяющие сэкономить на отоплении дома. Уже придуманы устройства, работающие на энергии солнца и ветра. Но первые можно использовать только в южных регионах, где преобладает ясная погода, а вторые нельзя применять в местах, где подолгу сохраняется штиль. Однако недавно придумано новое решение - использовать для обогрева тепло земли.

Преимущества и недостатки

Отопление дома теплом земли, называемое также геотермальным (от «геотермия» - тепло земли), не требует использования какого-либо топлива. Кроме того, для работы системы будет тратиться гораздо меньше электроэнергии, чем для тепловых электроприборов. Все это говорит об экономичности новой отопительной системы. Геотермальное отопление имеет ряд дополнительных достоинств:

Недостатком же такого отопления можно назвать относительно высокие первоначальные расходы на оборудование и его монтаж.

Кроме того, для установки потребуется бурение, которое удобнее делать при строительстве, когда еще не проведены ландшафтные работы на участке.

Также следует иметь в виду, что отопление за счет тепла земли наиболее эффективно в южных и умеренных широтах, а вот в северных регионах его возможно применять только для обогрева домов площадью не более 200 м².

Тепло из-под земли. Программа "Чудо техники" телеканала НТВ

Принцип работы

Температура средних и глубоких слоев земли, как правило, не опускается ниже +6 °C (именно поэтому допускается прокладывать трубопровод ниже уровня промерзания, не боясь, что вода в нем замерзнет). Этот факт и привел к мысли о том, чтобы использовать энергию земли для отопления дома. Естественно, для этого необходимо было создать специальное оборудование, способное не только получить тепло из недр, но и передать его теплоносителю.

Чтобы справиться с такими задачами, была придумана геотермальная система, принцип работы которой похож на функционирование кондиционеров в режиме нагрева. Система состоит из трех контуров:

• наружного;
• теплого насоса;
• внутреннего.

У каждого контура свои задачи и технические характеристики. Наружный контур заполнен антифризом, который под воздействием тепла, идущего от земли, нагревается до +6 °C и выше. Насос поднимает его в буферный бак, где он передает свою энергию хладагенту, температура испарения которого менее 6 градусов. Далее холодильный агент следует в компрессор, где его температура после сжатия возрастает до +70 °C. Во внутреннем контуре происходит отдача энергии от хладагента воде, которая движется в системе отопления внутри дома. Тем временем остывший антифриз возвращается в наружный контур.

Геотермальное отопление дома. Стоимость под ключ.

Сердцем отопительной системы является тепловой насос. Он состоит из нескольких отсеков - испарителя, компрессора, капилляра и системы управления. Каждый из них влияет не только на работу насоса в целом, но и на КПД всей системы.

Виды систем

Системы отопления с помощью тепла земли различаются по схемам внешнего контура. В настоящее время широкое использование получили вертикальные и горизонтальные схемы. Выбор того или иного варианта будет зависеть от нескольких факторов:

• глубины промерзания почвы;
• состава грунта;
• площади земельного участка;
• наличия подземных вод.

Для установки геотермальной системы чаще всего применяют горизонтальную схему расположения внешнего контура.

Ее преимуществом является более простой монтаж с возможностью установки отопления своими руками. Кроме того, горизонтальное расположение позволяет быстро и достаточно легко заменять неисправные участки, за счет чего отопление будет работать практически непрерывно.

Внешний контур в этом случае представляет собой коллекторную систему. Несколько контуров, расположенных на расстоянии не менее 30 см друг от друга, соединяются коллектором, по которому антифриз поступает в тепловой насос. Такая система обеспечивает максимальное получение энергии тепла земли в горизонтальной схеме.

Горизонтальное расположение предполагает несколько важных моментов:

• для этой схемы необходим большой земельный участок (к примеру, для дома 150 м² потребуется участок площадью 300 м²);
• глубина залегания труб должна быть больше глубины промерзания;
• для контуров следует использовать трубы с высоким показателем теплопроводности;
• схему нежелательно располагать на участках, где возможны обильные весенние паводки, поскольку движение почвы может сместить магистрали отопления.

Грунтовый Тепло Обменник своими руками

Вертикальная схема эффективней, чем горизонтальная, однако ее монтаж более трудоемок. Трубы располагают в скважинах, глубина которых достигает 50-200 м.

Большая эффективность вертикального отопления из земли объясняется увеличением степени нагрева - чем глубже расположены трубы, тем больше энергии можно получить из недр. Еще одно преимущество схемы состоит в том, что для ее монтажа не нужна обширная площадь земельного участка.

При монтаже вертикального контура могут возникнуть определенные трудности. Так, для установки в скальных грунтах потребуются специальные буровые машины, а в суглинистых - монтаж защитной оболочки из железобетона или толстостенного пластика. Кроме того, для работы такой системы потребуются мощные циркуляционные насосы.

Также при установке системы с вертикальной схемой значительно усложнится ремонт, что при возникновении каких-либо неисправностей может привести к длительному отказу всей конструкции.

Существует еще один вариант геотермального отопления - с подводным расположением наружного контура. В этом случае трубы укладываются по дну ближайшего водоема, что исключает необходимость производить земельные работы. Но следует учитывать, что водоем должен:

• располагаться не далее 100 м от дома;
• иметь достаточный объем (для дома площадью 100 м² требуется водоем объемом 200 м³);
• не промерзать полностью в зимнее время.

Надо признать, что среднестатистический обыватель мало задумывался об истощении земных недр, загрязнении атмосферы и окружающей среды в целом от сжигания углеводородов. И только сейчас люди всерьез стали обращать внимание на экологически чистые и возобновляемые источники энергии, поскольку стоимость углеводородного топлива стала неуклонно расти. Один из способов использования таких неиссякаемых источников - отопление дома теплом земли. Информацию о том, как оно действует и каким образом претворяется в жизнь, вы найдете в этой статье.

Как это работает?

Общеизвестный факт, что температура грунта на глубине около 1.5 м и более постоянна в течение всего года. Ее значение лежит в диапазоне плюс 5-7 °С, причем температура постепенно повышается с ростом глубины. Благодаря такому явлению люди хранят продукты и овощи с огорода в подвалах.

Получается, что температура там всегда положительна и грех не использовать это тепло из земли для обогрева жилья.

Больше всего человека привлекает тот факт, что тепловая энергия грунта – бесплатная. Но вот извлечь ее и направить в дом обойдется в кругленькую сумму, о чем мы поговорим далее.

Перемещать в помещения такое слабенькое тепло, как +7 °С абсолютно бессмысленно. Задача стоит не так: нам нужна именно энергия, а не температура. И в этом может помочь обычный кондиционер, только перевернутый наоборот. Ведь что он делает? Летом берет энергию изнутри здания и перемещает его наружу, а зимой – в обратном направлении. Это происходит благодаря теплообменным процессам внутри холодильной машины (цикл Карно).

Если вкратце и простыми словами, то внутри кондиционера циркулирует между двумя теплообменниками жидкость – хладоноситель. В первом она испаряется, отбирая теплоту от воздуха помещения, а во втором – конденсируется, отдавая ее в окружающую среду. Переходу хладагента из одного агрегатного состояния в другое способствуют 2 главных агрегата – компрессор и расширительный клапан.

Таким же образом выделяется тепловая энергия земли. По контуру из труб, помещенному вглубь грунта, движется теплоноситель, нагретый до температуры +7 °С. В первом теплообменнике он встречается с рабочим телом – фреоном, заставляя его испариться. Во втором фреон конденсируется, передавая полученную тепловую энергию системе отопления.

В результате такого перемещения земля охлаждается на 2-3 °С, а вот дом прогревается на 20-40 °С. Не стоит обращать внимание на несоответствие температур, ведь в земляном контуре тоже циркулирует в 10 раз больше жидкости, чем в отопительном. Энергозатраты – мизерные, расходуется электричество для работы компрессора, насоса и автоматики. В целом соотношение затрат энергии к добытой из земли – примерно 1: 5-1: 7.

Установка, обеспечивающая использование энергии земли для отопления, имеет свое название – геотермальный тепловой насос.

Виды установок для отбора тепла земли

Внутреннее устройство теплового насоса, кратко описанное выше, остается неизменным в любом случае. А вот конструкция наружного контура, что извлекает энергию из грунта, бывает 2 типов:

• горизонтальный: в котлован расчетного размера и глубиной 1.5-2 м укладывается полимерная труба с определенным шагом;
• вертикальный: трубы контура опускаются в глубокие скважины. Их количество также определяется расчетом.

Рыть котлован удобно на этапе строительства частного дома, это делается как раз в том месте, где планируется возводить здание. Также горизонтальный контур можно устроить в том случае, если имеется достаточно большой участок земли у дома. Когда такого участка нет и места совсем мало, энергия земли отбирается геотермальными зондами из глубоких скважин. Их придется сделать несколько в разных местах.

Концы труб от одного или нескольких наружных контуров прокладываются к дому под землей и входят в подвальную часть здания, где и присоединяются собственно к тепловому насосу. Теплоносителем, протекающим в подземных змеевиках, обычно служит вода либо незамерзающая жидкость, в зависимости от региона строительства.

По эффективности получения энергии земли вертикальные контуры превосходят горизонтальные, так как часто проходят сквозь водоносные горизонты, а это улучшает отбор теплоты. Держат они первенство и по стоимости монтажа, особенно если бурение скважин происходит в затрудненных условиях.

Плюсы и минусы

Добытая из грунта тепловая энергия, как мы уже выяснили, практически ничего не стоит и это главный плюс. Но есть и другие:

• источник тепла – возобновляемый, проще говоря – неиссякаемый;
• экологичность и безопасность тепловой установки не имеют себе равных;
• хороший выход энергии при малых затратах;
• не требуется никаких разрешений на монтаж или подключение;
• высокая степень автоматизации, а значит, и комфорта;
• нечастое обслуживание;
• низкая степень пожарной опасности.

Есть еще одно важное достоинство геотермальной системы. Поскольку температура грунта на глубине остается неизменной круглогодично, то летом насос перестает быть тепловым, а становится охлаждающим. Установка переключается в летний режим, хладагент движется в другую сторону, а теплообменники функционально меняются местами. Если частный дом оборудован агрегатами воздушного отопления – фанкойлами, то система подает к ним холодную воду, от которой охлаждается воздух в помещениях.

Недостаток у гелиосистем только один, но настолько существенный, что зачастую перечеркивает все достоинства. Как нетрудно догадаться, это стоимость оборудования и монтажных работ. Всякий поймет, что рытье котлованов и бурение скважин влетит в копеечку, такую работу своими руками не сделаешь. Трубы длиной около километра, сама установка, автоматика, - все это обойдется в кругленькую сумму. Вот почему использование тепла земли до сих пор доступно очень немногим людям.

Заключение

Совершенно ясно, что применение тепловой энергии грунта для обогрева дома имеет долгосрочные перспективы. Это в Европе подобные системы стали обыденностью, у наших граждан доходы пока что не достигли необходимого уровня. Но за тепловыми насосами – будущее, это тоже не вызывает сомнений.

Развитие любой цивилизации связано с удовлетворением требований, предъявляемых к своему жилищу. Где бы ни жил человек в пещере или современном небоскрёбе, забота о тепле, уюте была такой же важной, как и добыча пищи. Согреваясь маленьким костром, печкой или современной системой отопления он вынужден был использовать дрова, уголь, торф, солярку, сжигая бесценные дары природы.

Техническое развитие позволило построить мощные гидроэлектростанции, научиться использовать энергию ветра, а постигнув тайны внутренних слоёв земли, задуматься над созданием альтернативного метода использования накопленного тепла в виде геотермальных энергетических систем.

В основе решения принципиального действия геотермальной системы отопления лежат законы физики открытые учеными. Поиск материалов, способных изменять свои свойства, выделяя при этом определённое количество тепла, дал возможность создать не только обычные холодильные установки, кондиционеры, но и мощные

Именно с их помощью можно передать тепло, всегда существующее в недрах земли, в наш дом, осуществляя координированное управление трёх специальных контуров, составляющих систему отопления. Назначением внешнего контура служит забор тепловой энергии из грунта или воды. Теплоносителем в нём является незамерзающая жидкость.

Это тепло через теплообменник передаётся фреону, которым заполнен второй контур системы. Его физические свойства, заключающиеся в низком значении температуры кипения позволяют получить энергию во время перехода в газообразное состояние. Причём для этого вполне достаточно температуры, поступающей из внешнего контура. Третий внутренний контур системы отопления представляет собой необходимое количество радиаторов, труб, используемых в доме. Он может быть раздельным или общим с контуром горячего водоснабжения, заложенным в проекте.

Функциональные особенности системы

Принцип действия и функциональные особенности системы геотермального отопления дома заключаются в выполнении следующих этапов:

1. Раствор, находящийся во внешнем контуре, приобретает дополнительный нагрев в земле примерно на 5 градусов. Его окончательная температура может находиться в районе 3.
2. Поступив в теплообменник насоса, раствор передаёт свою даже небольшую энергию фреону, которому её вполне достаточно для испарения. Перейдя в газообразное состояние, фреон поступает в компрессор, где происходит его сжатие. Термодинамические процессы, происходящие при этом, приводят к подъёму температуры до 100. И уже горячий газ подается в теплообменник, где передает энергию теплоносителю внутреннего контура, чаще всего воде. Благодаря научным работам физиков и инженеров, этот процесс детально изучен и заложен в принципиальных основах работы различного типа современного оборудования.
3. Теплоноситель внутреннего контура достигает температуры 50-70 и поступает в радиаторы, трубы. Охлаждённый фреон, поступает в расширительный экран, его температура и давление падают до первоначальных значений и весь цикл можно повторить заново. Раствор внешнего контура таким же образом передвигается в глубину земли за новой порцией энергии.

Конструкции и виды геотермальных систем отопления

Первым вопросом, который приходится решать в процессе создания высокоэкономичной системы геотермального отопления является выбор типа внешнего контура, представляющего собой теплообменник, находящийся под землёй или в воде. При этом необходимо учитывать не только свои желания архитектурных фантазий нового дома, но и подробные геодезические исследования местности, в которой этот дом будет стоять или уже возведен.

Далеко не везде есть горячие источники, гейзеры, вулканы, но возможность использовать тепло матушки земли нам дана почти в любом месте планеты. Главное, иметь чёткое представление о технической стороне дела и о величине необходимых финансовых вложений в любой проект по созданию геотермальной системы отопления.

Наибольшее распространение получили следующие варианты теплообменников:

1. Горизонтальный теплообменник. Этот вариант можно рассматривать в качестве эффективного предложения, только при наличии большой свободной территории рядом с домом. Использовать её можно только в виде простой зелёной лужайки. Причём при площади дома, например, 220 кв. м. теплообменник будет располагаться на площади 600 кв.м. Трубы укладываются в специальные траншеи, глубина которых должна быть ниже уровня промерзания грунта в этой местности.
2. Вертикальный теплообменник. С точки зрения экономии места этот вариант, конечно, имеет определённые преимущества. Проблемой может стать создание специальных скважин, глубина, которых, достигает 200 м, при диаметре около 150 мм. Земляные работы с буровыми установками не являются дешёвыми в любом регионе. Но грунт на такой глубине всегда имеет температуру около 15, что обеспечивает надежную работу системы с вертикальным теплообменником.
3. Теплообменник на дне водоёма. Самый экономичный и простой метод создания внешнего контура системы геотермального отопления. Особенно если есть свой надежный пруд или разрешение для использования общественного водоема. Расстояние до водоема от дома не должно превышать 100 м, а его глубина составляет 3 м.
4. Существует вариант открытой системы отопления, основанной на использовании воды, идущей из артезианской скважины. Её в качестве теплоносителя прогоняют через тепловой насос. Для обратного сброса воды необходимо строительство второй артезианской скважины. Но подобная система возможна не в любом месте. При этом очень важным фактором является возврат воды в прежнем количестве в глубокие слои грунта для поддержания давления в пластах.

Интересно, что первые попытки бурения скважин с целью использования тепла были предприняты в середине XVIII века, но только в 1907 году исландский фермер смог направить горячий пар от источника, расположенного рядом, по цементной трубе в свой дом.

Следующий шаг был сделан также в Исландии и только в 1903 году появился первый трубопровод длиной в 3 км в Рейкьявике. В настоящее время геотермальная система отопления очень популярна во многих странах Европы, США, Мексика, Япония, Новая Зеландия.

Преимущества и недостатки

Геотермальная энергия, запасы которой настолько велики, что лишь 1%, скрытый в земной коре общей глубиной в10 км может обеспечить объём в 500 раз, превышающий все мировые запасы нефти и газа.

Выделяют четыре основных типа геотермальной энергии:

1. Это тепло земли из небольших глубин, используемое тепловыми насосами.
2. Энергия горячего пара, воды в земной коре, используемая в настоящее время для производства электроэнергии.
3. Тепло, идущее с глубоких слоев без наличия воды и энергия магмы, накапливаемая в вулканических зонах.
4. Использование этого удивительного дара природы определяется только существующим уровнем техники, возможностями технологии и экономическим расчётом.

Современные конструкции геотермальных отопительных систем имеют как положительные, так и отрицательные моменты.

Основным отрицательным моментом является стоимость. Но это только кажется в начальный момент. Все затраты окупаются по различным данным за 4, 5 лет. Это связано с тем фактом, что современные модели тепловых насосов используют для своей работы гораздо меньше энергии, чем любые другие системы отопления. При потреблении 1 кВт электроэнергии их отдача составляет 5 кВт.

Положительные моменты:

1. Они не сжигают топливо и не производят вредные выбросы различных соединений в окружающую среду.
2. Минимальные затраты на обслуживание с высоким значением КПД.
3. Экологическая безопасность.
4. Надёжные свойства пожарной безопасности системы.

Эффективность и окупаемость

Нельзя называть геотермальную энергию бесплатным подарком природы. Создание систем отопления на её основе может составить свыше миллиона рублей без учёта стоимости теплового насоса. Всё зависит от требуемых объёмов отопления, его функционального назначения и типа. Обычно экономическая целесообразность геотермальных систем отопления рассчитывается по сравнению затрат на её содержание.

Стоимость любого вида используемой энергии не является величиной постоянной и никогда не станет уменьшаться. В этом плане альтернативная замена их на использование тепла внутренних слоёв, конечно, экономически выгодна и целесообразна, так как тепловые насосы не потребляют много энергии, а для извлечения и переработки тепловых запасов не надо строить дорогих заводов, электростанций.

Тем более что каждое поколение ученых находит новые решения для создания оборудования и технологий в этом направлении. Кроме этого, правильнее производить оценку стоимости отопительных систем одинаково для всех видов топлива с нулевой отметки без применения существующих централизованных систем подачи, например, газа. И тогда окупаемость системы за 5 лет станет реальной величиной.

Использование геотермальных систем отопления напоминает вопрос, а почему не ездить на автомобиле «Запорожец» в настоящее время. Конечно, можно, особенно по бездорожью и в лес за грибами. Но ведь хочется быстрее и комфортней. Так и в этом случае. Одна мысль о том, что собственная система отопления не нарушает экологию, не мешает жить даже самым маленьким и неизвестным существам в природе подтвердит правильность выбора именно геотермальной системы.

Монтаж и установка

Установку подобной системы отопления лучше производить не самостоятельно, а привлекая специалистов хотя бы на отдельные виды работ при уверенности в собственных силах.

Основные этапы следующие:

1. Расчёт внутреннего контура отопительной системы. Сюда подробно входит общая длина трубопровода, количество радиаторов, создание подогреваемых полов, использование тепла для получения горячей воды в доме.
2. Расчёт глубины закладки труб внешнего контура по выбранному типу теплообменника. Нужно учесть геодезические данные местности.
3. Бурение необходимой шахты и установка труб. В случае отсутствия централизованной подачи воды в это же время проще всего решить вопрос о создании других скважин для воды. Технология их создания отличается и требует специальных знаний.
4. Выбор и установка необходимой модели теплового насоса.
5. Монтаж автоматических устройств , следящих за работой всей системы и регулирующих микроклимат в любой зоне помещения.

Обзор насосов: производители и модели

Эффективное функционирование всей системы определяется правильным выбором теплового насоса. По принципам действия насосы относятся к современному экологически чистому типу оборудования. В процессе их работы не происходит выделения вредных веществ в окружающую среду.

Они подразделяются на:

• компрессионные;
• абсорбционные тепловые насосы;

Первые приводятся в действие за счет питания электричеством, вторые могут использовать энергию других видов топлива.

В настоящее время на рынке такого типа оборудования существует довольно большое количество фирм. Это позволяет приобрести тепловой насос для любой мощности за счет комбинации различных моделей, что удобно для создания геотермальных систем отопления в промышленных масштабах.

Классическим вариантом считается применение тепловых насосов фирмы Waterkotte Германия. Это оборудование с постоянным значением КПД до 500%, не зависящим от внешних факторов. Начав выпуск тепловых насосов с 1970 года, компания постоянно обновляет большой ряд современных моделей, не теряя при этом высокого качества.

Новая серия насосов EcoTouch, завоевавшая многочисленные премии, подтверждает этот факт. В нее входят модели типа DC 5027 с выходной мощностью от 6 до 26 кВт и удобным сенсорным интуитивным управлением. В число лучших современных насосов входят модель Nibe F1245 (Швеция), «Корса», Россия. В таблице приведена ориентировочная стоимость отдельных моделей насосов.

Стоимость теплонасоса

Обзор цен на геотермальное отопление дома

Полный расчёт создания геотермальной системы отопления можно провести только по конкретной заявке с учётом всех требований. Правильным является выбрать ближайшую компанию, работающую в этом направлении, и все мелочи проработать под руководством специалистов. В качестве примера можно привести стоимость спектра услуг российской компании «Геотерм-Комфорт».

Стоимость затрат на устройство геотермального отопления:

Перспективы развития

Современные технологии в промышленности, применяемые для создания нового оборудования, позволяют воспользоваться теплом глубинных слоёв земли почти каждому владельцу собственного дома. Значение возможности снижения энергетических затрат на содержание жилища со временем будет только возрастать. Поэтому процесс развития и внедрения геотермальных отопительных систем не остановить даже дорогостоящими проектами. Ибо, в конечном счёте, это несомненный выигрыш и ещё забота об экологическом наследии последующим поколениям нашей планеты.

Существует много различных вариантов обогрева жилища. Внимание людей закономерно сосредоточено на поисках таких способов, которые потребляют меньше всего энергии. Ожесточенные споры вызывает такой прогрессивный способ получения тепла, как использование подземных источников.

Как устроено?

Принцип работы геотермального отопления подразумевает использование тепловых насосов. Они действуют по классическому циклу Карно, беря глубоко внизу холодный теплоноситель и получая взамен нагретый до 50 градусов поток жидкости внутри отопительной системы. Аппаратура работает с коэффициентом полезного действия от 350 до 450% (это не противоречит фундаментальным физическим законам, почему – будет сказано позже). Стандартный тепловой насос обогревает дом или иное здание за счет тепла земли на протяжении 100 тысяч часов (именно таков средний промежуток между профилактическими капитальными ремонтами).

Нагрев до 50 градусов выбран неслучайно. Именно такой показатель по результатам специальных расчетов и при изучении практически реализованных систем был признан наиболее эффективным. Поэтому земляное отопление, использующее поток энергии из недр, в основном дополняется не радиаторами, а теплым полом или воздушным контуром. В среднем, на 1000 Вт энергии, приводящей в работу насос, удается поднять наверх примерно 3500 Вт тепловой энергии. На фоне безудержного роста стоимости теплоносителя в магистральной сети и иных способов отопления это очень приятный показатель.

Геотермическое отопление образовано тремя контурами:

• грунтовым коллектором;
• тепловым насосом;
• собственно, греющим комплексом дома.

Коллектором называется подборка труб, которые дополнили насосом для рециркуляции. Теплоноситель во внешнем контуре имеет температуру от 3 до 7 градусов. И даже такой незначительный внешне разброс позволяет системе эффективно решать поставленные задачи. Для передачи тепла используют либо этиленгликоль в чистом виде, либо его смесь с водой. Полностью водные контуры подземного обогрева встречаются редко.

Причина проста – та вода, которая встречается в достаточно разогретом слое почвы, быстро разъедает оборудование. И даже такую жидкость можно найти далеко не в любом произвольно взятом месте. Выбор конкретного теплоносителя определяется конструктивными решениями инженеров. Насос подбирается в зависимости от устройства остальных частей системы. Поскольку глубина скважины (уровень заложения оборудования) определяется природными условиями, решающие отличия между типами геотермальных систем связаны с устройством коллектора в грунте.

Горизонтальная структура подразумевает расположение коллектора под линией промерзания почвы. В зависимости от конкретной местности это означает углубление на 150-200 см. Такие коллекторы могут оснащаться различными трубами, как медными (с внешним слоем из ПВХ), так и сделанными из металлопластика. Чтобы получить от 7 до 9 кВт тепла, придется уложить не менее 300 кв. м коллектора. Такая методика не позволяет приближаться к деревьям более чем на 150 см, а по окончании монтажа придется благоустраивать территорию.

Вертикально выставленный коллектор подразумевает бурение нескольких скважин, причем обязательно устремленных в разные стороны, и каждую ведут под своим углом. Внутри скважин располагаются геотермальные зонды, тепловая отдача от 1 пог. м достигает примерно 50 Вт. Нетрудно подсчитать, что для идентичного количества тепла (7-9 кВт) придется поставить 150-200 м скважин. Преимущество в этом случае не только в экономии, но и в том, что ландшафтная структура территории не изменяется. Надо будет только выделить небольшой участок для монтажа кессонного блока и для выставления концентрирующего коллектора.

Нагреваемый от воды контур практичен, если можно вывести наружный узел обмена теплом в озеро или пруд на глубину от 200 до 300 см. Но обязательным условием будет расположение водоема в радиусе 0,1 км от отапливаемого строения и площадь водного зеркала минимум 200 кв. м. Существуют также воздушные теплообменники, когда получение тепла внешним контуром происходит из атмосферы. Подобное решение отлично проявляет себя в южных областях страны и не требует никаких земляных работ. Слабости системы – низкий КПД при морозе в 15 градусов и полная остановка, если температура понизится до 20 градусов.

Особенности

Геотермальное отопление дома, загородного в первую очередь, не расходует дорогостоящее и загрязняющее воздух минеральное топливо. Вот уже 7 из 10 новых домов, возводимых в Швеции, отапливаются именно таким образом. В жаркие дни геотермальное оборудование из нагревателя становится средством пассивного кондиционирования. Вопреки распространенному мнению, для работы такой отопительной системы не нужны ни вулканы, ни гейзеры. В самой обычной равнинной местности она действует ничуть не хуже.

Единственным условием оказывается достижение тепловым контуром точки ниже линии промерзания , где температура почвы всегда составляет от 3 до 15 градусов. Сверхвысокий КПД только кажется противоречащим законам природы; тепловой насос насыщен фреоном, который испаряется под действием даже кажущейся людям «ледяной» воды. Пар согревает третий контур. Такая схема представляет собой вывернутый наизнанку холодильник. Потому эффективность насоса относится только к количественному соотношению электрической энергии и тепловых ресурсов. Сама по себе работа привода производится «как полагается», с неотвратимыми потерями энергии.

Достоинства и недостатки

Объективными плюсами геотермального обогрева можно считать:

• превосходный КПД;
• солидный период службы (тепловой насос работает 2-3 десятилетия, а геологические зонды и вовсе до 100 лет);
• стабильность работы практически при любых условиях;
• отсутствие привязки к энергоносителям;
• полная автономность.

Есть одна серьезная проблема, мешающая сделать геотермальное отопление действительно распространенным решением. Это, как показывают отзывы владельцев, высокая цена создаваемой конструкции. Чтобы обогреть обычный дом площадью 200 кв. м (не так уж и редко встречающийся), надо будет строить систему под ключ за 1 млн рублей, до 1/3 этой суммы стоит тепловой насос. Автоматизированные установки очень комфортны, и если все настроено правильно, могут работать годами без вмешательства людей. Все упирается только в наличие свободных средств. Еще одним минусом является зависимость от электропитания насосного узла.

Риск воспламенения геотермальной отопительной системы нулевой. Опасаться занятия ею излишнего места не стоит, в самом доме необходимые части потребуют примерно той же площади, что и рядовая стиральная машина. Более того, высвобождается пространство, которое обычно приходится отводить под запасы топлива. Собственноручно построить необходимые контуры вряд ли получится. Проектирование тоже лучше поручить профессионалам, поскольку малейшая ошибка может привести к неприятным последствиям.

Обустройство

Геотермальный обогрев своими руками пытаются создать достаточно многие люди. Но чтобы такая система работала, должны быть произведены тщательные расчеты, требуется также составление схемы разводки труб. Нельзя приближать скважину к дому больше чем на 2-3 м. Наибольшая допустимая глубина бурения достигает 200 м, однако неплохую эффективность демонстрируют скважины, достигающие и 50 м.

Расчеты

Основными параметрами, которые учитываются при любых расчетах, являются:

• температура (глубина от 15-20 м и больше прогревается от 8 до 100 градусов в зависимости от создающихся условий);
• значение извлекаемой мощности (средний показатель – 0,05 кВт на 1 м);
• влияние климата, влажности и контакта с грунтовыми водами на теплоотдачу.

Что весьма интересно, полностью сухие породы отдают не более 25 Вт с 1 м , а если есть грунтовые воды, этот показатель вырастает до 100-110 Вт. Нельзя забывать, что стандартным временем работы теплового насоса является 1800 часов за год. Если превысить этот показатель, система не станет более эффективной, зато износ ее стремительно вырастет. Что гораздо хуже, чрезмерная эксплуатация теплового ресурса недр приводит к их остыванию и даже к промерзанию пород на рабочей глубине. Вслед за этим может проседать грунт, иногда повреждаются рабочие трубы и надземные сооружения.

Нужно внимательно рассчитывать действия по регенерации свойств грунта. Только подавая периодически в скважину тепло вместо извлечения его наружу, можно гарантировать стабильную работу системы на многие годы вперед. Как часто это делать и что еще предпринять – подскажут как раз расчеты, производимые опытными проектировщиками. Время окупаемости геотермального обогрева даже при высочайшей эффективности составляет не меньше 10 лет. Так что кроме инженерных моментов, следует внимательно просчитывать и экономику проекта.

Последовательность работ

Теплоснабжение за счет подземных источников должно создаваться по строго проработанному алгоритму. Поскольку водяные и воздушные системы применяются ограниченно, большинство практически используемых вариантов подразумевает бурение скважин. И это еще одна причина, по которой не получится все сделать своими руками. Только специальная техника позволяет проникнуть на глубину 20-100 м, где и создаются необходимые условия для отопления. В качестве зондов допускается применение пластмассовых труб, рассчитанных на давление около 6 бар.

Чтобы повысить результативность системы, используют обвязки из 3 или 4 линий , конечные участки которых связываются в виде буквы U. Подогрев по контуру очень важен, благодаря ему исключается растрескивание труб при суровом морозе. Этот подогрев производится через протянутый в центр канала провод, по которому подается ток. Если не удается применить энергетические сваи, приходится использовать горизонтальные приемники. Для них готовится площадка с габаритами от 15х15 м, с нее убирают почву на глубину до 0,5 м.

Вся эта площадь нужна для укладки подобия зондов. Используют часто электротехнические маты либо трубы, обменивающие тепло. Чтобы повысить эффективность работы отопительной системы, применяют раскладку труб по спирали либо в виде «змейки». Нельзя точно сказать, что лучше – готовые комплексы, выпущенные серийно, либо самостоятельная сборка. В первом случае автоматически решается проблема совместимости, зато во втором возрастает гибкость, повышается потенциал модернизации (правда, внимания проектированию надо уделить больше).

Самодеятельные строители могут уйти от типового аккумулятора тепла с заменой его на стяжку из бетона. Геотермальный обогрев в подобной системе позволяет обойтись без значительных рывков температуры. Можно проводить эксперименты с различными теплоносителями, а также монтировать компрессоры с меняющейся производительностью. Рассчитав нагрузки как следует и правильно распределив тепло по потребляющим контурам, можно сделать систему эффективнее на 15-20%. Параллельно расходы на электропитание заметно сокращаются.

Горизонтально размещенные трубы закладываются на глубину 50-300 см. Чтобы площадь магистралей была наименьшей, их делают в виде витков. Но между отдельными двумя магистралями должно быть минимум 200 мм. Любым строительным работам должно предшествовать определение тепловой отдачи грунта. Если она менее 20 Вт на 1 кв. м, никакого смысла в геотермальном контуре нет. Чтобы обеспечить отвод грунтовых вод, дно котлованов покрывают слоем песка. Отлично проявляют себя трубы на основе сшитого полиэтилена.

Общеизвестен факт, что обогрев частного дома с помощью теплового насоса – самый эффективный способ из всех ныне существующих. Тема интересует многих домовладельцев в силу постоянного удорожания энергоносителей либо их отсутствия в той или иной местности. Рассмотрим подробнее, что собой представляет геотермальное отопление частного дома, как оно функционирует и что нужно для его монтажа.

Принцип действия геотермальных систем

Если вы никогда не прикасались к задней части своего домашнего холодильника, где расположена решетка теплообменника, то попробуйте это сделать. Вы обнаружите, что решетка горячая. Она нагревается оттого что передает наружу тепло из внутреннего пространства, где хранятся продукты. В результате температура внутри снижается, а снаружи тепло рассеивается в помещении кухни. То есть, холодильная машина переносит тепловую энергию из одного места в другое.

Тепловой насос – это та же холодильная машина, только действует наоборот. В том и состоит принцип работы геотермального отопления, чтобы тепло, имеющееся снаружи дома, перенести внутрь для его обогрева. Теоретически любое вещество или тело, чья температура выше абсолютного нуля (минус 273 ºС), содержит тепло в виде энергии движения молекул. Что уж говорить о температуре грунта ниже глубины промерзания, которая всегда постоянна и держится в пределах плюс 5-7 ºС.

Для справки. Убедиться в этом можно, опустившись в глубокий подвал. В нем температура воздуха одинакова круглогодично. Благодаря этому в летнюю пору геотермальные системы отопления могут работать наоборот, принося в дом прохладу вместо тепла.

Сама по себе температура +7 ºС для обогрева здания непригодна, это понятно. Задача, которую решает геотермальная система отопления, как раз и заключается в том, чтобы взять часть этого тепла, преобразовать и перенести в дом. С этой целью в земле устраивается теплосъемный контур из множества труб, проложенных ниже глубины промерзания. По контуру постоянно движется незамерзающая жидкость, побуждаемая циркуляционным насосом.

Нагревшись до температуры земли, жидкость попадает в теплообменник – испаритель. Там она обменивается теплом со вторым контуром, где циркулирует хладагент (фреон), находящийся под давлением, создаваемым компрессором. Благодаря этому хладагент испаряется при низкой температуре, отбирая большое количество тепла из первичного контура.

Далее, проходя расширительный клапан, фреон поступает во второй теплообменник – конденсатор. При этом его давление падает и хладагент конденсируется, передавая тепло уже третьему контуру – нашей системе отопления. В этом и заключается принцип геотермального отопления, когда система переносит энергию извне в дом с минимальными затратами. Ведь получается, что для ее работы нужна электроэнергия для вращения роторов двигателей компрессора и насосов. В среднем на обогрев частного дома площадью 300 м2 будет использоваться 3 кВт/ч электричества. Подробнее о принципе работы рассказано на видео:

Виды геотермальных систем

По сути, системы могут отличаться только строением наружного контура, в остальном оборудование используется одинаковое. На данный момент существует 3 вида внешних контуров:

• прокладываемый в земле горизонтально;
• вертикальные геотермальные зонды;
• погружаемый на дно ближайшего водоема.

В первом случае множество труб прокладывается по дну горизонтального котлована расчетной площади. Минус этого способа в том, что монтаж геотермального отопления потребует много места на земельном участке и рекомендован к применению на этапе строительства дома, когда вырыть котлован и закопать трубы можно прямо под будущим домом.

Вертикальные зонды в виде пучков труб с теплоносителем опускаются внутрь глубоких скважин. Данный метод – наиболее распространен, поскольку доступен на небольших участках, уже застроенных хозяином. Погружение контура на дно водоема используется по мере возможности, то есть, при наличии такого водоема. По эффективности работы системы эти 3 способа практически не отличаются, есть разница только в стоимости строительства.

Вывод. Главное достоинство, которым обладают геотермальные тепловые насосы для отопления – чрезвычайно высокая эффективность. Но это преимущество нивелируется таким недостатком, как сложность и слишком высокая стоимость работ и оборудования. Помимо этого система зависит от электричества, так что придется дополнительно потратиться на дизельный генератор, чтобы не замерзнуть в случае отключения.

Сразу оговоримся, что геотермальное отопление, сделанное своими руками – это миф. Работы, связанные с расчетами длины контуров и мощности теплообменной установки, да и разработкой проекта в целом может выполнить только специалист в этой области, имеющий инженерное образование и опыт. Что касается внедрения проекта, то здесь не обойтись без землеройной или бурильной техники, не станете же вы копать котлован вручную. То же касается и монтажа труб, их прокладки в дом и установки оборудования.

Единственное, что вы можете сделать своими руками, - это собрать домашнюю систему отопления. На эту тему можно почерпнуть достаточно информации в других статьях. Мы же дадим несколько общих рекомендаций:

• с компанией – подрядчиком следует заключить официальный договор и оговорить в нем все моменты;
• в силу особенностей работы гелиосистем для обогрева частного дома лучше всего подойдет низкотемпературная схема отопления. К таковым относятся теплые полы и плинтусные водяные конвекторы. Можно поставить и традиционные радиаторы, но об этом намерении надо заблаговременно сообщить специалистам, занимающимся расчетами теплового насоса;
• для подстраховки не помешало бы иметь в доме резервный котел, желательно – энергонезависимый, работающий на дровах или дизельном топливе. Это позволит избежать ситуаций, когда вы можете остаться без отопления посреди зимы в результате какой-либо неисправности системы или аварии;
• с той же целью надо приобрести дизельный или бензиновый генератор электроэнергии. Обычные бесперебойники не подойдут, им не хватит мощности или заряда;

лучше всего, когда теплообменная установка геотермального отопления располагается в подвале или цокольном этаже дома, вместе с другим тепловым оборудованием. Так удобнее и дешевле подводить коммуникации.

Заключение

Тепловой насос, как детище самых передовых технологий, довольно распространен в странах западной Европы. У нас он считается малодоступной роскошью ввиду немалой стоимости. Даже состоятельные граждане не торопятся вкладывать средства в подобное отопление, поскольку владеют коттеджами большой площади, где геотермальный обогрев будет окупаться слишком долго. С этой точки зрения оптимальным вариантом считается дом 150 м2 площади.