Геотермальное отопление дома: схема, установка, принцип работы

Использование геотермальной энергии

Геотермальная энергия – это один из альтернативных возобновляемых источников, который сейчас активно разрабатывается. Она используется в промышленных масштабах, для производства электроэнергии, и в частных домах, фермах, для обогрева помещения. Земля на глубине 1,5-2 метра сохраняет свое тепло. Конечно, во время зимы она постепенно охлаждается, но не настолько, чтобы использование этого ресурса было неактуальным. Такой способ более актуален в регионах, где температура не падает ниже 10оС.

История промышленной эксплуатации

Начало использования геотермальных ресурсов для производства электроэнергии связано с 1904 годом и небольшим городком Лардерелло. В 1911 году там была построена первая геотермальная электростанция, которая была запущена в промышленную эксплуатацию в 1913 году. До 1965 года это была единственная установка такого типа в мире. Принцип ее работы очень прост: холодная вода подается в горячие гранитные породы вблизи поверхности. При температуре 200ºC образуется горячий пар, который течет под высоким давлением и перемещает генератор. Завод в Лардерелло работает и сегодня, снабжая энергоресурсами более миллиона домашних хозяйств.

Использование приземной геотермальной энергии

Первый принцип геотермального отопления был опубликован французом Сади Карно еще в 1824 году. Работа выполняется по довольно простому и хорошо известному принципу, который сопоставим со вторым законом термодинамики. Его можно сравнить с механизмом холодильника советских времен. Система отводит тепло с помощью теплообменника, чтобы сохранить еду и напитки холодными. Извлеченное тепло рассеивается наружу и рассеивается в окружающей средой. Геотермический насос работает аналогично, за исключением того, что тепло — аккумулируется, а холод выводится из помещения.

Составные части альтернативной отопительной установки:

·насос для циркуляции теплоносителя;

·радиатор (в случае нестабильных климатических условий);

·установка, распределяющая тепло по дому.

Система может работать в двух режимах: обогрев и охлаждение, что очень актуально для российского климата. Ее можно установить вертикально или горизонтально.

Первый вариант подойдет жителям, которые имеют рядом с домом источник термальных вод или водоем. Вода очень хорошо задерживает тепло, не остывает во время зимних холодов, из-за слоя льда, который не позволяет происходить теплообмену, что очень выгодно для расположения подобного оборудования.

В иных случаях лучше сделать вертикальную установку, на максимально возможную глубину, от этого зависит, насколько установка может прогреть помещение. Подземные воды – еще один источник тепла, который выгодно использовать для отопления. Этот ресурс значительно облегчит монтажные работы.

Принцип работы геотермального отопления дома основан на постулатах второго закона термодинамики, гласящего, что теплая жидкость движется в сторону холодной. Этот процесс возникает вследствие расширения теплоносителя из-за подъема температуры, создания перепада давления. Тем не менее, его недостаточно для полного теплового обеспечения дома, поэтому необходимо позаботиться о насосе, который будет стимулировать теплообмен.

Работа теплового насоса

В системе источника тепла находится жидкость, это может быть вода или антифриз. Она поглощает тепло окружающей среды, например, из грунта или грунтовых вод и транспортирует их к тепловому насосу. Исключением являются воздушные системы, которые всасывают наружный воздух через вентилятор, где он нагревается и передается в помещение.

Воздушно-водяной способ получения геотермального тепла

В тепловом насосе есть контур, в котором циркулирует так называемый хладагент. В теплообменнике-испарителе энергия окружающей среды передается из первого контура (системе труб, установленной земле) в хладагент, который испаряется. Пары направляются в компрессор, что повышает уровень температуры во втором конуре, поэтому он нагревается.

В другом теплообменнике, конденсаторе, горячий хладагент высокого давления конденсируется, где отдает свое тепло. Впоследствии давление хладагента снижается, и он движется за градиентом к холодной среде, возвращаясь в испаритель.

Водное геотермальное отопление

В отапливаемом здании находится насос, коллектор и система отдачи тепла. Обычно в контуре в качестве теплоносителя циркулирует вода, разбавленная антифризом для предотвращения повреждения деталей установки. Она поглощает тепло, выделяемое хладагентом в конденсаторе, и направляет его в систему распределения, например, в бак.

Особенности использования геотермального отопления

Приземная геотермальная энергия может нанести ущерб окружающей среде для земли и грунтовых вод. Почва может медленно конденсироваться, что приводит к ее оседанию. Образующиеся отверстия могут выпускать газы, опасные для здоровья. Кроме того, закачка воды в породу для выделения накопленного в ней тепла может привести к сильным землетрясениям. Это имело место в подобном альтернативном проекте в Базеле (Швейцария) в декабре 2006 года, что, в итоге, привело к его закрытию.

В целом, любая технология для производства энергии представляет риски. Например, это может привести к авариям на атомных электростанциях или прорыву плотины. Поэтому, прежде чем приступить к реализации энергетических проектов, риски анализируются и оцениваются экспертами с целью обеспечения безопасности людей и окружающей среды.

Стоимость установки в большой степени зависит от территориального расположения дома и климатических условий региона, в котором вы живете. Ведь чем холоднее на улице, тем глубже придется устанавливать систему. Несмотря на высокую стоимость работ по обеспечению дома альтернативным отоплением, это шанс избавиться от уплаты коммунальных счетов. Оно окупится в течение нескольких лет, а взамен вы получите источник неиссякаемого тепла, который работает автономном режиме, не загрязняющий окружающую среду.

Почему геотермальное отопление актуально

С ростом цен на традиционные виды топлива альтернативные источники энергии становятся все более привлекательными. Тепло от воздуха, почвы или грунтовых вод доступно в неограниченных количествах. Для выработки четырех киловатт-часов тепловой энергии тепловому насосу требуется всего один киловатт-час.

·нет опасности возгорания;

·экологически чистое производство тепла;

·система компактная и практически незаметна;

Установки для геотермального отопления не только экологически чистые, но и имеют низкую стоимость. В сравнении с выбросами CO2 от газового или дровяного отопления, тепловой насос безвреден для окружающей среды.

Выбор установки геотермального отопления для дома

Какой тепловой насос подходит для соответствующего применения, зависит от различных факторов. Влияют расходы на приобретение, эксплуатационные (техническое обслуживание, электричество) и окупаемость. Сами воздушно-тепловые насосы недорогие, но приходится обеспечивать им постоянное обслуживание и ожидать высоких затрат за полученную электроэнергию. С геотермальными тепловыми насосами ситуация иная. Здесь затраты на приобретение гораздо выше, но вряд ли эксплуатационные расходы будут значительными для потребителя

Как работает геотермальная электростанция

Потенциал тепловой энергии используют не только в частных случаях для отопления дома, ферм или теплиц. Есть несколько видов станций, которые используют геотермальную температуру. Промышленные центры этой отрасли – Германия, Филиппины, Индонезия, США, Япония, Россия, Гватемала.

Установка на сухом пару

Самой первой была построена станция, работающая на сухом пару. Для производства вода подается в землю, через скважинную систему. При попадании на горячие слои породы, она превращается в пар, возвращается через добывающую скважину и проходит через турбину, заставляя ее вращаться. Активированный таким образом генератор производит электричество.

Сегодняшний режим работы таких конструкций представляет собой вариант электростанции с сухим паром при нагреве породы до 180° C. На пути через добывающую скважину вода уже выпускает пар, что называется мгновенным испарением. Современные геотермальные электростанции перерабатывают воду, которая не была преобразована в пар, и также откачивают ее обратно в контур, создавая закрытый цикл. Кроме того, конденсаторы позволяют преобразовывать водяной пар, используемый для производства электроэнергии, в воду, которая также используется повторно. Это значительно позволило снизить опасность производства электроэнергии и исключить риск парникового эффекта.

Электростанция, работающая по принципу бинарного цикла

Инновационный подход к использованию геотермальной энергии представляет собой систему бинарных циклов, принцип работы которой соответствует паровой электростанции. Преимущество этого способа, возможность работы с более низкими температурами. Это позволило уменьшить глубину скважины, необходимой для циркуляции жидкости и ее нагревания. Также, КПД станций увеличился в несколько раз.

Экономичной является горячая вода с температурой 120° C, которая подается в линию циркуляции под давлением около 100 литров в секунду. Примесь жидкости со смесью бутана, пентана или изобутана приводит к превращению добавок в пар при перекачке. Есть два закрытых контура. В одном, который находится в слое почвы с высокой температурой находится вода, в другом раствор газов. Благодаря этому, нет парникового эффекта, система является замкнутой – конденсированный пар возвращается обратно.

Подземное геотермальное отопление дома теплом земли

Поиски альтернативных источников энергии привели к изобретению устройств, которые способны аккумулировать тепло, в большом количестве находящееся в окружающей среде человека. Солнечные лучи, гейзерные источники, грунт — все это в той или иной степени может удовлетворить потребности в нагреве теплоносителя для системы отопления и ГВС.

Хотя геотермальное отопление за счет тепла земли является относительно новым направлением, перспективы такого решения очевидны. Благодаря установке специального оборудования появляется возможность получения дешевого, практически бесконечного типа тепловой энергии.

Как получить тепло в дом из земли

Земля даже в зимний период времени не промерзает полностью. Этой особенностью пользуются монтажные бригады, прокладывающие трубопровод ниже точки замерзания. Удивительно, но температура этих слоев редко опускается ниже, чем +5 +7°C градусов.

Можно ли воспользоваться способностью земли аккумулировать тепло, извлечь его и использовать для нагрева теплоносителя? Конечно! Но чтобы сделать альтернативное отопление частного дома с помощью тепла земли возможным, потребуется решить следующие проблемы:

• • Получение тепла — понадобится аккумулировать тепловую энергию и направить ее в аккумулирующий резервуар.

• • Нагрев теплоносителя. Нагретый антифриз должен передать тепловую энергию жидкости, которая циркулирует в системе отопления и ГВС.

• Остывший антифриз необходимо отвести обратно к теплообменнику для дальнейшего нагрева.

Чтобы решить эти вопросы был разработан геотермальный насос с использованием тепла земли. Геотермальный тепловой насос позволяет извлечь количество тепла, которого более чем достаточно для производства большого количества тепла и использования в зависимости от конструкции и месторасположения дома в качестве основного или дополнительного отопительного оборудования.

Как работает геотермальное отопление дома, принцип работы

Подземное глубинное отопление из земли, это больше не фантастика. Такие установки можно спокойно купить в России. Причем геотермальные установки в состоянии работать как в условиях Севера, так и в южных широтах. Но какой принцип они используют в своей работе?

Еще в прошлом столетии был отмечен факт, что при испарении определенные типы жидкостей способны охлаждать поверхность. Именно это происходит когда протирают спиртом кожу перед уколом или поливают асфальтированную площадку, нагретую под солнцем. Этот принцип был взят в качестве основы для разработки холодильного оборудования.

Дальше возникла идея почему бы не пустить процесс охлаждения в обратную сторону и не получить вместо холодного горячий воздух. Большинство современных кондиционеров в состоянии не только охлаждать воздух в помещении, но и работать на его нагрев. Но недостатком таких устройств является то, что они ограничены температурой окружающей среды. Так, после того как отметка достигает -5 градусов, они прекращают работать.

Геотермальные насосы для отопления частных домов от земли полностью лишены такого недостатка, хотя используют принцип, во многом напоминающий работу кондиционера на нагрев помещения.

Как устроено геотермальное отопление

Как уже отмечалось, геотермальная система отопления из недр земли, во многом напоминает работу кондиционера в режиме нагрева. Что происходит в этот момент?

• • В нижних слоях грунта, на дне реки или озера устанавливают водяные коллекторы, по которым циркулирует антифриз. Коллекторы поглощают тепло и высвобождают холод.

• • Нагретый антифриз с помощью насоса поднимается наверх.

• • В буферном баке происходит теплообмен. Нагретый антифриз отдает тепловую энергию теплоносителю или нагревает воду.

• Остывший антифриз поступает обратно к коллекторам.

Геотермальное оборудование для использования тепла земли

Принцип работы глубинной системы отопления дома, за счет энергии земли, основан на применении особого оборудования. Оно выполняет следующие функции: аккумулирует тепло окружающей среды, передает его теплоносителю системы отопления. Для этого используют следующие узлы:

• • Испаритель — находится глубоко под землей. Функция испарителя заключается в том, чтобы поглотить тепловую энергию, находящуюся в окружающем грунте.

• • Конденсатор — доводит антифриз до необходимой температуры.

• • Тепловой насос — циркулирует антифриз в системе. Осуществляет контроль над работой всей установки.

• Буферный бак — собирает нагретый антифриз в одном месте, для передачи энергии теплоносителю. Состоит из внутреннего бака, в нем находится вода из системы отопления и внутренний змеевик, по которому движется нагретый антифриз.

Монтаж и установка геотермального отопления

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

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

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

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

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

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

Эффективно ли геотермальное отопление на Севере

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

• • Температура слоя грунта, в котором расположены теплообменники, не должна опускаться ниже +5,+7°C градусов.

• • На протяжении всей системы, по которой протекает антифриз, созданы условия, позволяющие избежать его замерзания.

• Геотермальный обогрев загородного дома выполнен после проведения всех необходимых расчетов и проектной документации.

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

Гейзерное отопление частного дома

Производительность геотермального насоса во многом зависит от температуры грунта или воды, в которых находится теплообменник. В этом отношении жители Камчатки находятся в более выгодном положении. На полуострое Камчатка находится огромное количество термальных источников — гейзеров, которые не остывают даже в зимнее время года.

Перед монтажом оборудования обязательно проводится геологическая разведка. Если теплый источник находится на территории дома, имеет смысл расположить теплообменники на дне этого водоема. Геотермальная энергия в таком случае окупится значительно быстрее.

Как с помощью геотермального насоса отопить дом

Технология обогрева дома подземным теплом наиболее востребована на Западе. Это в первую очередь связано с менталитетом жителей западных стран. Они привыкли делать долгосрочные инвестиции, которые полностью окупаются только через несколько лет. Да и немного найдется людей, которые в состоянии заплатить за установку оборудования около 20 тыс. $ единовременно. Но количество желающих стать независимыми от остальных источников отопления постоянно растет.

Альтернативные способы геотермального отопления дома становятся более популярными, особенно если учесть постоянно растущую стоимость газа.

Тепловая энергия буквально лежит под ногами. Дело только за тем, чтобы нагнуться и «поднять» ее. В этом может помочь геотермальная установка. Монтаж насоса позволяет в зависимости от местности либо полностью компенсировать потребности в тепловой энергии, или удовлетворить их частично, существенно снизив нагрузку на основной источник отопления и систему ГВС частого дома.