Геотермальная система обогрева: что это и как работает

Чтобы смонтировать для частного коттеджа геотермальную систему отопления, необходимо правильно провести расчеты и придерживаться технологии. Коэффициент полезного действия зависит от грамотного учета условий и площади жилья.

Что такое геотермальное отопление

Разновидность отопления, называемая геотермальной, представляет собой систему, использующую тепло недр. История ее внедрения в практику началась в первой половине XX века. В этот период была острая необходимость в альтернативных источниках тепла. В настоящее время геотермальное отопление не является редкостью в США, Канаде, европейских странах.

Устройство и виды расположения системы

Конструкция геотермальной системы отопления включает насос и два контура: внешний и внутренний. Отдача тепла может происходить через радиаторы или смонтированный теплый пол, который является частью внутреннего контура. Внешняя часть геотермальной системы отопления расположена в земле или в воде. Ее масштабы более значительны по сравнению с внутренним трубопроводом. Но этот факт имеет значение лишь во время монтажа. При эксплуатации внешний контур скрыт от глаз.

Внутри труб циркулирует теплоноситель, роль которого выполняет обычная вода или антифриз. Специалисты рекомендуют использовать этиленгликолевый антифриз. «Сердцем» геотермального отопления является тепловой насос. Он работает от электричества, но его потребности невелики. При затратах в 1 кВт насос выдает 4-5 кВт тепловой энергии. Это тепло идет на обогрев дома.

Теплообменник геотермальной системы отопления, работающий от низкотемпературного источника, может иметь разное расположение. Два компонента (насос и внутренний контур) остаются без изменения в любом случае. Отличия заключаются в локализации внешнего трубопровода. Она может быть:

При вертикальном расположении теплообменник находится в вытянутой сверху вниз шахте, пересекающей или не пересекающей водоносный горизонт. Для сохранения ландшафтных условий в районе бурения из одного места делают несколько скважин, идущих под наклоном. В них монтируют внешний контур. Точная глубина скважин зависит от геологических условий, но в среднем составляет 50-100 метров. Вертикальное расположение считается более эффективным по сравнению с горизонтальным.

Горизонтальное расположение предполагает наличие змеевика трубопровода в котловане или открытом водоеме. Чтобы смонтировать такую систему, требуется знать глубину промерзания грунта в регионе. Котлован расположен ниже этой отметки. Его размеры должны позволять уложить трубы значительной длины.

Закладкой горизонтального теплообменника целесообразно заниматься в том случае, если участок под дом только разрабатывается, и место позволяет вести масштабные земляные работы.

Внешний контур при горизонтальном геотермальном отоплении частного дома площадью 250 кв. метров занимает шесть соток

Какие источники используются

Для геотермального отопления используют высокотемпературные и низкотемпературные источники энергии земли. К первой разновидности относятся, например, гейзеры. Эффективность в этом случае высокая, но применение ограничено географическим расположением геотермических источников.

Низкотемпературные источники имеют более широкое применение, особенно в тех регионах, где отсутствуют горячие подземные воды. Температура внутренних слоев грунта на глубине 50-100 метров составляет от +10 до +15 градусов в зависимости от климата. Этот уровень стабилен вне зависимости от времени года. Именно поэтому земля может быть источником тепла. Водный ресурс востребован в районах, расположенных у моря. Так, в Швеции в отоплении многих частных домов используют воды Балтийского моря, температура в котором поддерживается на уровне +4 градуса.

Принцип работы геотермального обогрева

В основу геотермальной системы заложен принцип преобразования тепла в холод или, наоборот, холода в тепловую энергию. Именно так работает кондиционер или холодильная установка. Теплоноситель, находящийся во внешних трубах системы, приобретает температуру окружающей среды. В таком слегка «подогретом» состоянии он достигает насоса, в котором происходит окончательный разогрев или охлаждение.

Снижение давления в дросселе вызывает соответствующее понижение температуры воды или антифриза. Повышение давления в компрессоре влечет за собой сжатие теплоносителя и увеличение его температуры. Таким образом, тепло земли через трубы отопления поступает в дом.

Плюсы и минусы отопительной системы

Отопление дома посредством тепла, сконцентрированного глубоко в грунте земли, считается эффективным, малозатратным, безопасным. Если детально разложить все плюсы, то получится весомый список:

Простая установка оборудования. Доступный монтаж подкрепляется длительным сроком эксплуатации.

Абсолютная пожаробезопасность. При работе оборудования исключено сжигание топлива, поэтому нет причин для пожара.

Бюджетность после запуска. Финансовые расходы при длительной эксплуатации теплового насоса минимальны.

Экологичность. Система не выделяет токсичных веществ, поэтому нагрузка на природу исключена.

Функциональность. Геотермальное отопление способно не только продуцировать тепло, но и создавать эффект охлаждения в жару.

К недостаткам отопительной системы относят высокие первоначальные затраты на установку оборудования и его запуск в работу. Этот минус можно было бы отнести к условным, так как в будущем вложения окупаются экономией текущих расходов. Но этот период составляет в среднем 5-15 лет.

Выбирая геотермальное отопление, следует также учитывать его зависимость от электропитания. В случае проблем с электричеством, насос прекращает выполнять свои функции.

К отрицательным моментам относят также ограниченность применения геотермального отопления. В районах плотной застройки получить разрешение на необходимые земляные работы проблематично. Кроме того, из-за низкого уровня теплоотдачи для создания тепла в большом домовладении потребуется значительное количество подземного трубопровода.

Геотермальное отопление дома своими руками

Смонтировать и запустить в эксплуатацию геотермальное отопление вполне реально самостоятельно. Однако в процессе работы могут возникать сложности. В первую очередь это касается установки внешнего контура в земле. Поэтому при отсутствии необходимых навыков наладку системы рекомендуется доверить профессионалам, которые сделают грамотный расчет и смонтируют всю геотермальную систему отопления.

Предварительные расчёты

Чтобы геотермальное отопление приносило запланированный эффект, необходимо произвести расчеты. Они помогут выбрать мощность насосного оборудования. Примерные цифры для построек с разным уровнем теплоизоляции отличаются. Так, для обогрева одного квадратного метра понадобится:

без теплоизоляции – 120 Вт;

с обычной теплоизоляцией – 80 Вт;

с энергосберегающим утеплителем – 40 Вт.

Для расчетов понадобятся также цифры, определяющие потери тепла в доме. Например, если для жилого здания площадью 180 кв. метров с качественной теплоизоляцией теплопотери составляют 9 кВт/сутки, то оборудование должно обеспечивать мощность 216 кВт-ч (9 кВт х 24 часа). С учетом того, что потери тепла могут в разное время отличаться, делают надбавку в 10-20%. Таким образом, окончательная мощность насоса геотермальной отопительной системы должна быть 10,8 кВт.

При расчетах важно учитывать некоторые моменты. К ним относится температура грунта на уровне скважины. В средней полосе России она держится в пределах +8…+10 градусов (на глубине 15-20 метров). При горизонтальном расположении внешнего контура системы отопления берут в расчет мощность 50 кВт на метр. Точные цифры зависят от геологических условий (влажности, присутствия подземных вод). Разные грунты дают разные показатели:

Сухой грунт – 25 Вт/м;

Влажный субстрат – 45-55 Вт/м;

Твердые породы – 85 Вт/м;

Присутствие грунтовых вод – 110 Вт/м.

Как происходит монтаж системы отопления

Водяные системы являются редкостью, больше всего востребовано геотермальное отопление посредством грунта. Поэтому первый этап работ связан с бурением скважин или рытьем котлована. Углубления делают на глубину от 20 до 100 метров, применяя специальную технику. Дно котлована засыпают песком. Далее в готовые углубления или траншеи закладывают пластиковые трубы, которые способны выдерживать давление около 6 бар. Эти трубы будут выполнять роль зондов.

При монтаже используют обвязки труб из трех или четырех линий, при этом краевые участки связывают в виде буквы «U». Внешний контур можно приобрести уж в готовом виде или собрать самостоятельно.

При монтаже внешнего контура необходимо принимать во внимание, что скважина не должна располагаться ближе 2-3 метров к дому.

Когда самая сложная часть работы по устройству геотермальной системы отопления закончена, приступают к подключению насоса. Разводка при таком способе аналогична разводке традиционной отопительной системы.

Окупаемость геотермального отопления дома

Все финансовые траты при монтаже оборудования и всей геотермальной системы отопления зависят от типа используемого хладагента, уровня КПД, мощности агрегата и его производителя. Выбор бренда – это индивидуальное решение владельца жилья. Мощность теплонасоса в свою очередь определяется не желанием, а общей квадратурой помещений. От этого зависит цена устанавливаемого оборудования. В среднем она на несколько порядков выше, чем у отопительных котлов. К этой сумме прибавляют расходы на сам монтаж.

В результате получается достаточно высокая цифра, которая многих пользователей пугает. Однако она окупается минимум через 5-7 лет и максимум через 15. Практика применения геотермального отопления показывает, что такой способ обогрева имеет смысл для коттеджей площадью около 150 кв. метров. Они получают достаточно тепла и окупаются гораздо раньше.

Эффективность и экономическая рентабельность геотермической конструкции значительно выше, если внешний контур проходит не через сухой грунт, а через термальный источник. Но в этом случае необходимо разделение отопительного контура и водоснабжения, если для него также используется горячая вода источника.

Эксплуатация и содержание оборудования

Геотермальное отопление, смонтированное своими руками или с помощью специалистов, рекомендуется в качестве вспомогательного к основной системе обогрева. При исключении других источников подогрева воздуха данная установка может не справиться с поставленной задачей, так как не нагревает внутренние трубы до горячего состояния. Монтаж целесообразен, если в помещениях будет поддерживаться температура выше 15 градусов тепла.

Техническое обслуживание оборудования довольно простое и не составляет труда для пользователей. Так как работа теплового насоса автоматизирована, он не нуждается в ежесуточном контроле. Чтобы компрессор проработал установленный по инструкции период, который составляет от 15 до 25 лет, необходима правильная установка и эксплуатация.

Основные правила заключаются в осмотре агрегата перед началом отопительного сезона и после его завершения. Периодически во время эксплуатации насос и кабели проверяют на предмет целостности. Специалисты рекомендуют периодически (один раз в полгода или в квартал) брать пробу теплоносителя на определение кислотности, плотности, химического состава. Раз в полгода досмотру подлежат также водяные фильтры, теплообменники. При необходимости производят их чистку.

Мировой опыт показывает, что использование тепловой энергии, заключенной в недрах земли, для поддержания тепла в доме является перспективным и эффективным способом. Но перед тем как выбрать геотермическую систему, необходимо взвесить все плюсы и минусы, экономическую выгоду и возможности практического применения в конкретных условиях.

Тепловой насос это отопительный прибор, для работы которого требуется источник тепла. Таким источником для геотермального теплового насоса является грунт вокруг дома или строения, именно поэтому он называется «геотермальным» (в переводе с греческого «гео» означает земля). Тепловой насос использует массив грунта как большой теплоаккумулятор «перекачивая» тепло из источника преобразуя довольно низкую температуру (в грунте, ниже 1.6 метра постоянно около +8 градусов) в более высокую, подходящую для нагрева системы отопления. Принцип работы теплового насоса.

Геотермальный контур представляет собой несколько петель из пластиковой трубы уложенные в грунте ниже глубины промерзания. Кратко работа геотермального контура выглядит следующим образом:

Тепловой насос охлаждает незамерзающий теплоноситель до -2 градусов и направляет его в петли из трубы уложенные в грунте (наподобие тёплого пола, только в земле). Теплоноситель протекая по трубам подогревается от грунта и возвращается в тепловой насос подогретый до +2 градусов. Таким образом вокруг трубы геотермального контура происходит охлаждение грунта на несколько градусов, что приводит к «перетоку» тепла от тёплого грунта, к самой трубе и далее к теплоносителю.

Существует несколько способов уложить трубу в грунт, но сделать это аккуратно и с минимальными разрушениями на участке возможно только с технологией наклонно-кластерного бурения скважин Мы используем ТОЛЬКО такую технологию.

Ниже краткое описание преимуществ и недостатков несколько видов геотермальных контуров.

Горизонтальный геотермальный контур.

На участке выкапывают траншеи на расстоянии 1 метра друг от друга. В траншеи укладывают пластиковые трубы и засыпают (похоже на «тёплый пол», только уложенный в грунте).

Преимущества такого метода — небольшие сроки проведения работ и относительно невысоки затраты.

К недостаткам можно отнести следующее:

• объём грунта для получения тепла ограничен сверху, поэтому площадь занимаемая горизонтальным геотермальным контуром должна быть большая. Для теплового насоса мощностью 10 кВт понадобиться перекопать от 3 до 5 соток участка
• ландшафту участка наноситься сильный ущерб. Глубина траншей для укладки трубы не менее 1.6 метра и «просаживаться» такие траншеи будут от 3-х до 5 лет
• деревья над трубами геотермального контура сажать нежелательно, дорожки укладывать пока грунт не сядет — тоже.
• большие по площади строения над трубами геотермального контура будут мешать регенерации контура в летний период, грунт может не успеть за летний период восстановить свою температуру
• проседание траншей которое потребует подсыпать грунт в провалы и возможно даже ремонтировать просевшие дорожки дорожки.

На первой фотографии с просторов Интернета видно как производится укладка горизонтального геотермального контура, а на второй ремонт просевшей дорожки в том месте, где проходит траншея.

Метод с горизонтальным геотермальным контуром подходит в том случае, если есть «лишний» участок земли на котором благоустройство не будет вестись ближайшие 5 лет и строений на нём не предусматривается.

Вертикальный геотермальный контур.

Более компактный метод устройства геотермального контура, позволяет разместиться на небольшой территории. Для этого бурят вертикальные скважины и опускают в них геотермальные зонды (геотермальный зонд — та же петля из трубы, но занимающая меньше места). Для того, чтобы охватить геотермальными зондами большой объём грунта нужно пробурить несколько скважин. Например, для теплового насоса мощностью 10 кВт необходимо 250 метров зондов. Пробурить одну скважину глубиной 250 метров будет очень проблематично, поэтому бурят несколько, но менее глубоких, например 10 шт по 25 метров. Для вовлечения большого объёма грунта в процесс переноса тепла расстояние между такими вертикальными скважинами должно быть не менее 5 метров. После бурения и опускания в скважины геотермальных зондов копают траншеи соединяя скважины между собой. Такие траншеи нужны для подвода труб от геотермальных зондов до сборного коллектора с кранами на каждую трубу и для 10 скважин с расстоянием между ними 5 метров потребуется выкопать 50 метров траншей.

На первой фотографии видна общая траншея соединяющая скважины между собой. Трубы с синими заглушками — геотермальные зонды опущенные в вертикальные скважины. На второй расположение зондов и траншей на участке. Фото не наши, взяты с просторов Интернета, но общее расположение видно.

В итоге — значительно меньшие разрушений на участке, но «перекапывать» участок всё же придётся, так как нужно сводить в коллектор концы труб от геотермальных зондов. На облагороженном участке бывает затруднительно копать траншеи, могут мешать деревья и дорожки, а так же как и с горизонтальным контуром траншеи будут просаживаться в течение 3-5 лет и требовать подсыпки и выравнивания.

Наклонно — кластерный геотермальный контур.

Такой вид геотермального контура пришёл на смену вертикальному бурению именно из-за аккуратности выполнения работ и после появления специализированных буровых установок. Обозначение «наклонный» говорит о бурении наклонной скважины (например, под углом 45 градусов к горизонту), а кластерный означает «имеющий общее начало». Для выполнения работ по такой технологии в грунт закапывают бетонное кольцо диаметром 1.5 метра и на нём монтируют компактную буровую установку. Далее, внутри бетонного кольца бурят наклонную скважину и опускают в неё геотермальный зонд. После окончания бурения первой скважины буровую установку поворачивают вокруг вертикальной оси на кольце и бурят следующую скважину и так далее, до достижения необходимого общего метража зондов.

В итоге — все концы геотермальных зондов уже сразу находятся в кольце и копать траншеи соединяющие зонды не нужно. В этом же кольце собирают сборный коллектор с кранами для каждого зонда, а затем закрывают стандартной бетонной крышкой с полимербетонным люком. На поверхности останется только люк. Обычно располагают такой колодец не далее 5 метров от дома (минимальное расстояние от края кольца до дома 2 метра) и траншея для теплотрассы от коллектора до ввода в помещение котельной тоже 5 метров.

Начиная с 2010 года компания EnergyLEX разрабатывает специализированные буровые установки для геотермального бурения. Для того, чтобы воплотить в жизнь технологию позволяющую производить буровые работы аккуратно и не разрушая участок пришлось прилично постараться и на сегодняшний день итогом этих стараний стало получение международного патента на изобретение технологии «Способ установки геотермальных теплообменников для извлечения низкопотенциального тепла» описание патента.

Модульная и компактная буровая установка занимает мало места.

После окончания работ на поверхности остался только зелёный люк.

Классификация геотермальных зондов, виды монтажа и «замораживание» грунта.

U-образный «классический» зонд.

Геотермальный зонд представляет собой компактный вариант петли из трубы для удобства опускания в скважину. По своей сути зонд является теплообменником передающим тепло из грунта через стенку трубы теплоносителю циркулирующему в зонде. При всей кажущейся простоте исполнения (вроде ничего сложного, одна труба вниз, вторая вверх) существует масса отличий как в конструкции зонда, так и в материалах для его изготовления.

Классическим вариантом считается U-образный зонд состоящий из двух пластиковых труб и наконечника для соединения этих труб внизу зонда.

Конструкция логически понятная, а наконечник нужен для более плотного расположения двух основных труб в скважине. Не секрет, что чем больше диаметр бурения скважины, тем больше расходуется ресурсов для бурения и тем выше стоимость бурения. Поэтому плотное расположение труб нужно для уменьшения диаметра бурения. Однако, при определённых режимах работы именно плотное расположение этих труб в «классическом» зонде негативно сказывается на способности передавать тепло и ухудшает работу зонда.

Рассмотрим ситуацию. Вертикальная скважина, в неё опущен U-образный зонд, пространство между трубами зонда и стенками скважины заполнено теплопроводящим раствором (произведён тампонаж межтрубного пространства). В одну из труб зонда из теплообменника теплового насоса подаётся охлаждённый теплоноситель с температурой -2 градуса, протекая по трубе охлаждает стенку трубы и соответственно грунт вокруг этой трубы. Грунт находящийся в плотном контакте с трубой охлаждается, но при этом и подогревает теплоноситель — происходит обмен тепловой энергией. На выходе из геотермального зонда теплоноситель будет уже подогрет до +2 градусов. Но что будет если сильно увеличить нагрузку на геотермальный зонд, например подавать теплоноситель температурой -4 градуса или прокачивать больше теплоносителя? Произойдёт понижение температуры теплоносителя на выходе из зонда. Тогда температура подачи в зонд будет -4 градуса, а температура выходящего теплоносителя -2 градуса, то есть зонд будет работать с отрицательными температурами. Для работы теплового насоса это совершенно нормальные температуры, а вот с работой U- образного зонда произойдут некоторые изменения.

Грунт обжимающий зонд имеет неоднородную структуру состоящую из разного вида глин, песков, минералов и прочего (может даже гранит), а так же воды. Теплопроводность средних по составу глин составляет около 2 Вт/мК. При работе зонда в отрицательных температурах поверхность труб будет тоже иметь температуру ниже нуля градусов и вода входящая в состав грунта начнёт намерзать на трубе образуя лёд. Теплопроводность льда 2.34 Вт/мК, что немного больше, чем у среднестатистической глины. Если до этого между двумя трубами был небольшой теплообмен (порядка 30%), то после образования льда между трубами U-образного зонда увеличивается «паразитный» теплообмен между трубами зонда и несколько ухудшаются его характеристики как теплообменника. Частичным решением этой ситуации является установка пластиковых распорок между трубами зонда при его монтаже в скважину для «разведение» труб на максимально возможное в расстояние в скважине.

Коаксиальный зонд.

Ещё одно название коаксиального зонда — «труба в трубе». Данный вид зонда тоже состоит из пластиковых труб, но конструктивно отличается от U-образного. Состоит из внешней трубы большого диаметра и внутренней трубы меньшего диаметра, при этом нижняя часть большой трубы имеет заглушку. Подача холодного теплоносителя производиться в тонкую внутреннюю утеплённую трубу. Теплоноситель протекает по внутренней трубе до нижней части зонда, далее на выходе и тонкой трубы разворачивается и начинает подниматься между внутренней трубой зонда и внешней. К колодцу с зондами теплоноситель приходит максимально подогретым.

Преимуществами использования такого вида зонда является снижение диаметра бурения скважины, меньший объём буровых работ и выноса выбуренной породы, а так же конструктивно заданный «паразитный» теплообмен между подающей трубой и обратной. Внутренняя труба коаксиального зонда обычно имеет бОльшую толщину стенки чем наружная или изготавливается из материала с заранее низкой теплопроводностью. В качестве теплоносителя используются незамерзающие жидкости с точкой кристаллизации -18 градусов, поэтому при работе такого вида зонда с отрицательными температурами не происходит увеличения «паразитного» теплообмена между входящим теплоносителем в зонд и выходящим.

Есть ещё одна особенность при работе коаксиальных зондов именно из-за которой мы их и применяем при технологии наклонно-кластерного бурения. Об этой особенности будет ниже.

Виды монтажа геотермальных зондов и мифы про «замораживание» грунта.

Геотермальный зонд это теплообменник основной задачей которого является передавать тепло от грунта теплоносителю внутри зонда, а так как зонд опускается в скважину, то разные виды монтажа в большей степени относятся к виду скважин в которые этот зонд и опускают. Вообщем-то вариантов направления скважин не так-то уж и много: вертикальные, горизонтальные, наклонные. Часть из них уже были рассмотрены выше. Больший интерес представляет расположение начала скважины или «устье скважины». При использовании вертикальных скважин трубы зонда должны продлеваться до сборного коллектора к запорными кранами и регуляторами потока. Вертикальные скважины находятся на разном удалении от коллектора, длина магистралей будет разная и гидравлические потери в магистралях — тоже разные, использование регуляторов потока необходимое условия для обеспечения равномерного расхода теплоносителя через каждый зонд. Так же большое скопление труб с отрицательными температурами в одном месте требует обязательного утепления места подхода к коллектору.

Горизонтальные скважины используются редко в связи с дороговизной горизонтально-направленного бурения и малой эффективностью самих зондов. Такая технология существует, но обоснованна к использованию только при наличии сильно обводнённого песка на глубинах 5-8 метров.

Наклонные скважины в бурении сложнее строго вертикальных, но позволяют проходить водонасыщенные слои под углом, что увеличивает протяжённость зонда в породах с большой отдачей тепла. При бурении наклонных скважин из одной точки не требуется копать траншеи для соединения в коллектор — скважины изначально расположены в колодце.

Технология наклонно-кластерного бурения и два вида зондов.

Мы применяем ТОЛЬКО коаксиальные зонды зонды при наклонно-кластерном бурении из одного колодца!

Только с такими зондами зона вокруг колодца не замораживается и нет никаких проблем с ростом травы и деревьев. Мы это подтверждаем 9-ти летней практикой.

Использование U-образных зондов совместно с технологией наклонно-кластерного бурения приведёт к вымораживанию зоны вокруг колодца на расстоянии до нескольких метров от колодца!

Связанно это с близким расположением подающих холодных труб в колодце. На рис.№1 синими стрелочками показаны холодные трубы выходящие из колодца. Расстояние между ними в колодце 15-20 см. Такого недостатка лишён коаксиальный зонд, он конструктивно работает иначе. На рис.№2 синими стрелочками показаны внутренние утеплённые трубы зонда, а красными наружная труба зонда приходящая в колодец.

Подача холодного теплоносителя производится во внутреннюю утеплённую трубу зонда, в которой теплоноситель с низкой температурой течёт до самого низа зонда и только потом, изменив направление потока, начинает подниматься вверх охлаждая грунт. Самая холодная часть у коаксиального зонда это нижняя часть на глубине 25-35 метров, но при этом вокруг этой части зонда находиться самый большой объём грунта готовый передать тепло. Теплоноситель поднимаясь по коаксиальному зонду вверх подогревается через стенку внешней трубы и на подходе к колодцу имеет максимально тёплую температуру, поэтому зона вокруг колодца не вымораживается.

Рисунок №1 Рисунок №2

Ещё одной интересной особенностью применения наклонного зонда является его бОльшая протяжённость в водонасыщенных слоях с большим количеством тепла, по сравнению с вертикальным.

На рисунке №3 видно, что вертикальный зонд проходя по водонасыщенному слою имеет протяжённость 3 метра, в то время как наклонный зонд 5 метров.