Подземное геотермальное отопление дома

Для обеспечения частного дома теплом традиционно используются агрегаты, работающие на электричестве, твердом, газовом или жидком топливе. В последние десятилетия в качестве альтернативного источника тепловой энергии используют солнечные коллекторы и тепло земных недр. Обогрев дома с помощью тепла земли называется геотермальным отоплением дома.

Геотермальное отопление дома за счет энергии земли

Отопление от земли пользуется растущим спросом, поскольку стоимость привычных энергоносителей неуклонно повышается, а запасы ископаемого топлива при этом сокращаются. Вложение денег в земляное отопление загородного коттеджа достаточно выгодно с учетом экономических перспектив и существенной экономии средств на автономное теплоснабжение в отопительный период.

Однако, установки для кондиционирования воздуха имеют ограниченную работоспособность — они не могут функционировать при температуре ниже -5°C. А геотермальная система способна обеспечить обогрев дома независимо от температуры воздуха на поверхности. Это связано с тем, что в той среде, откуда она забирает тепловую энергию, естественным образом поддерживаются стабильные температурные условия.

Устройство геотермальной отопительной системы

Геотермия (наука о тепловом состоянии Земли) сделала возможным практическое применение тепловой энергии, которую земная кора получает от раскаленной магмы в центре планеты.

Специально разработанный тепловой насос для отопления дома устанавливается на поверхности, а в грунте или на дне водоема монтируется теплообменник. Тепловая энергия «выкачивается» на поверхность и позволяет нагреть теплоноситель в контуре отопления дома или объекта нежилого назначения.

Как происходит процесс обогрева

Геотермальное отопление частного дома — экономически эффективный вариант. Если использовать энергию земли для отопления дома, то на каждый киловатт электроэнергии, необходимой для работы оборудования, приходится от 4 до 6 кВт полезной тепловой энергии, полученной из недр планеты.

В сравнении с функционированием кондиционера увидим, что при его эксплуатации на получение 1 кВт тепловой энергии требуется затратить более 1кВт электроэнергии. Это связано с неизбежными потерями на преобразование одной энергии в другую и т.д.

Отапливать жилой дом за счёт тепловой энергии земных недр очень выгодно, но период окупаемости оборудования и затрат на монтаж займет определенное время.

Использование тепла земли для отопления дома не требует установки традиционного котла для нагрева теплоносителя.

В данном случае система состоит из трех составляющих:

• контур нагревания — геотермальный источник тепловой энергии;
• отопительный контур внутри дома — низкотемпературный радиаторный либо напольный;
• насосная станция — тепловой насос для перекачивания в отопительный контур тепловой энергии из контура нагревания в толще грунта или под водой.

Геотермальная система отопления может применяться также для обогрева теплиц, вспомогательных построек, воды в бассейне, садовых дорожек и т.д.

Оборудование для обустройства геотермального отопления

Геотермальное оборудование для глубинной отопительной системы позволяет аккумулировать извлеченную из окружающей среды тепловую энергию и передавать ее теплоносителю в отопительном контуре.

Список оборудования для обогрева с помощью тепла земли включает:

• Испаритель. Устройство располагают на глубине, и оно служит для поглощения находящейся в геотермальных водах или грунте тепловой энергии.
• Конденсатор. Позволяет довести температуру антифриза до необходимой для функционирования системы величины.
• Тепловой насос. Обеспечивает циркуляцию антифриза в контуре нагревания, контролирует работу геотермальной установки.
• Буферный бак — емкость для сбора нагретого антифриза. Позволяет передавать тепловую энергию земных недр теплоносителю. Бак, через который проходит теплоноситель, оборудован теплообменником в виде змеевика. По нему, отдавая тепло, движется нагретый антифриз.

Схема устройства теплового насоса

Монтаж системы

Геотермальное отопление загородного дома на этапе обустройства требует солидных денежных вложений. Высокая итоговая стоимость системы во многом обусловлена большим объемом земельных работ, связанных с монтажом контура нагревания.

С течением времени финансовые затраты окупаются, поскольку используемая в отопительный сезон тепловая энергия извлекается из земных глубин с минимальными затратами электроэнергии.

Монтаж горизонтального теплообменника геотермальной системы отопления

Для обеспечения отопления дома теплом земли необходим монтаж системы:

• основная часть должна располагаться под землей или на дне водоема;
• в самом доме устанавливается только достаточно компактное оборудование и прокладывается контур радиаторного или напольного отопления. Оборудование, расположенное внутри дома, позволяет регулировать уровень нагрева теплоносителя.

Как выглядит геотермальное оборудование в доме

При проектировании отопления за счет тепла земли, необходимо определиться с вариантом монтажа рабочего контура и типом коллектора.

Различают два типа коллекторов:

Вертикальный — погружается в грунт на несколько десятков метров. Для этого на небольшом расстоянии от дома требуется пробурить некоторое количество скважин. В скважины погружается контур (самый надежный вариант — трубы из сшитого полиэтилена).

Недостатки : Большие финансовые затраты на бурение в грунте нескольких скважин глубиной от 50 метров.

Преимущества : Подземное расположение труб на глубине, где температура грунта отличается стабильностью, обеспечивает высокую эффективность работы системы. Кроме того, вертикальный коллектор занимает небольшую площадь земельного участка.

Недостатки : Необходимость использования большой площади участка (основной недостаток). Этот участок земли после укладки контура невозможно использовать под сад или огород, так как система работает с выделением холода при транспортировке хладагента, из-за чего корни растений будут перемерзать.

Преимущества : Более дешевые земельные работы, которые можно даже выполнить своими силами.

Горизонтальный и вертикальный тип коллектора

Геотермальную энергию можно добывать, если уложить на дне непромерзающего водоема горизонтальный геотермический контур. Однако, это сложно осуществить на практике: водоем может быть расположен за пределами частной территории и тогда установку теплообменника нужно будет согласовывать. Расстояние от отапливаемого объекта до водоема должно составлять не более 100 метров.

Важно! Температура окружающей коллектор среды не должна опускаться ниже +5°C. Контактирующую с промерзающим грунтом верхнюю часть коллектора нужно защитить термоизоляцией для избежания потерь тепловой энергии.

Преимущества и недостатки

Отопление энергией земли имеет целый ряд преимуществ:

• Эффективность. По сравнению с расходами на электричество для работы теплового насоса система позволяет получить в несколько раз больше тепловой энергии.
• Экологичность. Данный вид отопления экологически полностью безвреден, отсутствуют выбросы в атмосферу.
• Безопасность. Нет необходимости использовать какое-либо топливо, химические средства и т.д., нет угрозы взрыва или возгорания оборудования.
• Минимальная потребность в техподдержке. Правильно смонтированная система способна проработать без какого-либо вмешательства не менее 30 лет.
• Экономичность. В ходе эксплуатации отсутствуют затраты на ремонт, что позволяет окупить монтаж отопления в течение 5-8 лет.
• Отсутствие необходимости контролировать работу системы.
• Низкий уровень шума при работе оборудования.
• Неисчерпаемость источника тепловой энергии, не требуется закупать и хранить энергоноситель.

Экологичность использования тепловой энергии недр

К недостаткам можно отнести:

• изначально высокие расходы на оборудование;
• необходимость вести сложные буровые работы на участке для монтажа вертикального контура или портить ландшафт подготовкой траншей для горизонтального теплообменника.

В умеренном климате геотермальные установки доказали свою эффективность. В северных же регионах данный вид отопления подходит для домов небольшой площади (до 200 м 2 ).

Разобравшись, как работает система и из каких частей стоит, можно определить возможность ее монтажа на собственном участке. Преимущественно отопление из земли обустраивают на этапе строительства дома — в этом случае проще вести земляные работы, так как планировка участка и создание ландшафтного дизайна еще впереди.

Новость отредактировал: Igor — 10-08-2020, 16:15
Причина: заявка

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.