Геотермальное отопление своими руками – рекомендации по выбору типа наружного контура и инструкция по изготовлению

Значительные первоначальные затраты пока не дают геотермальному отоплению превратиться у нас в «товар широкого потребления».

Но идея получать тепло бесплатно оказалась настолько заманчивой, что многие наши соотечественники стараются осваивать ее всеми силами, минимизируя расходы где только возможно.

Наиболее эффективный способ снизить стоимость системы – изготовить все ее компоненты самостоятельно.

Далее мы посмотрим, как можно организовать геотермальное отопление своими руками, и с какой суммой придется при этом расстаться.

Как работает геотермальное отопление?

Это просто новый способ применения старого доброго теплового насоса, который имеется в каждом холодильнике.

Родным братом системы геотермального отопления можно считать кондиционер, работающий в режиме «зима». Ведь это устройство греет воздух вовсе не с помощью ТЭНов, как думают некоторые.

Кондиционер, так сказать, перекачивает тепло, добываемое им из промозглого осеннего воздуха снаружи помещения. Ту же задачу выполняет тепловой насос в геотермальной установке, только в качестве источника тепла используется грунт или вода с температурой +5 – +7 градусов.

Как же получается, что ледяная на ощупь среда выступает в роли источника тепла? Это становится возможным благодаря замечательной способности газов нагреваться при сжатии и остывать при расширении.

Если порции газа дать нагреться от одной среды, а затем перенести в другую и там сжать, он станет еще более горячим и будет отдавать тепловую энергию этой второй среде, даже если она имеет более высокую температуру, чем первая. Теперь снова вернем газ к первоначальному давлению, одновременно перенеся его в первую среду.

Геотермальное отопления – принцип работы

Его температура упадет ниже первоначальной, ведь часть внутренней энергии была отдана в виде тепла на этапе сжатия. Следовательно, газ снова начнет нагреваться от первой среды.

Повторяя операцию снова и снова, мы будем «перекачивать» тепло из одной среды в другую в противоположном естественному теплообмену направлении. Этот процесс называется «циклом Карно» и именно на нем основан принцип работы теплового насоса в системе геотермального отопления.

Классификация по конструкционному типу

Если в случае с кондиционером газ-хладагент сам проходит через среду-источник, то в системе геотермального отопления он получает тепло от посредника – воды или антифриза.

Последний циркулирует по так называемому наружному контуру, представляющему собой длинную трубу.

Именно эта труба и помещается в среду источник.

По виду наружного контура различают три исполнения систем геотермального отопления:

1. С горизонтальным контуром: труба укладывается «змейкой» (в грунте) или в виде спирали (на дне водоема) ниже глубины промерзания, то есть примерно в паре метров от поверхности земли. Такой контур занимает большую площадь, но зато его может соорудить сам владелец.
2. С вертикальным контуром: трубы опускаются в глубокие скважины. Более удобный вариант, так как не требует значительного пространства, но для строительства скважины придется нанимать специалистов с особым оборудованием.
3. Комбинированный вариант: еще один тип контура, который можно построить самостоятельно, при этом он занимает меньше места, чем горизонтальный. Используется полимерная труба, которая укладывается в грунт в виде цилиндрической пружины. Получается нечто среднее между вертикальным и горизонтальным контурами с уклоном в сторону последнего.

Не всегда есть возможность проложить трубы ниже глубины промерзания почвы. Утеплитель для труб в земле поможет защитить отопительную систему от мороза.

Об альтернативных источниках энергии расскажем в этой теме. Энергия ветра и солнца, а также тепло земли в качестве источников тепла.

Что такое биогаз и как получить такое альтернативное топливо своими руками, читайте здесь: https://microklimat.pro/sistemy-otopleniya/alternativnoe-otoplenie/biogaz-svoimi-rukami.html. Виды сырья, конструкция биогазовой установки и много другой полезной информации, читайте внимательно.

Особенности отопительной системы

В отличие от газового котла, тепловому насосу не требуется нагревать теплоноситель системы отопления до высокой температуры, так как образование конденсата при холодной «обратке» ему не грозит. К тому же работа в низкотемпературном режиме потребует меньших энергозатрат.

Чтобы компенсировать низкую температуру теплоносителя, поверхность радиаторов пришлось бы сильно увеличивать, поэтому вместо них лучше использовать систему «теплый пол». Этот вид отопления является и наиболее рациональным, так как нагреваемый воздух в первую очередь поступает, так сказать, в зону обитания, а не под потолок.

Еще один аргумент в пользу «теплого пола» – минимальные теплопотери. Ведь их величина зависит, в первую очередь, от перепада температур, а он при низкотемпературном режиме является наименьшим. Второй фактор – площадь контакта нагретого воздуха с наружными стенами. Поднимающийся от «теплого пола» воздух наружных стен не касается (при использовании обычных радиаторов он буквально омывает остекление окна и прилегающие участки наружной стены).

Основной недостаток «теплого пола» – энергозависимость – в данном случае неактуален, так как тепловой насос тоже не сможет работать без электричества.

Достоинства и недостатки системы

Внедряя геотермальное отопление, мы выигрываем в следующем:

1. Получаем дармовое тепло: 1 кВт затраченной электроэнергии приносит в среднем 3, а иногда и 5 кВт тепла.
2. Обходимся без строительства дымохода и утомительных работ по его обслуживанию.
3. Не загрязняем атмосферу и экономим невозобновляемые ресурсы.

Теперь о недостатках:

1. Система без электропитания неработоспособна.
2. Наружный контур имеет очень большие размеры.

Безопасная геотермальная система

Производительность системы по теплу ограничена. Во-первых, наружный контур не может иметь сколь угодно большую длину, так как с увеличением продолжительности значительно возрастает его гидравлическое сопротивление. Во-вторых, при интенсивной выкачке тепла грунт будет перемерзать, что при вертикальном расположении наружного контура (в скважинах) может привести к негативным последствиям для местной экологии.

Геотермальная система отопления своими руками – пошаговая инструкция

Рассмотрим сооружение геотермального отопления дома своими руками с горизонтальным наружным контуром (укладка в грунте). Работы разобьем на два этапа.

Изготовление теплового насоса

На стене следует закрепить компрессор от кондиционера или холодильника.

При наличии слабой проводки используйте два компрессора с меньшей мощностью – это позволит уменьшить пусковой ток (компрессоры будут включаться последовательно).

Конденсатор, в котором будет сжиматься хладагент, изготавливаем из сантехнической медной трубы наружным диаметром около 12 мм и толщиной стенки 1 – 1,2 мм. Она наматывается на цилиндрическую болванку, так чтобы получился змеевик.

Испаритель делается из того же материала.

Самодельный тепловой насос

В качестве теплообменников следует использовать две емкости: для системы отопления – нержавеющую (здесь устанавливается конденсатор), для наружного контура – пластиковую (в ней установим испаритель).

Конденсатор устанавливаем так, чтобы фреон в нем двигался сверху вниз. Благодаря этому при его конденсации не будут образовываться пузырьки. В испарителе газ должен двигаться в противоположном направлении.

Один конец конденсатора присоединяется к выходу компрессора, на другом – устанавливается редукционный клапан. К выходному отверстию этого клапана присоединяется испаритель, второй конец которого следует подключить ко входу компрессора.

Каждую емкость при помощи штуцеров следует врезать в соответствующий контур.

Строительство наружного контура

Контур представляет собой пластиковую трубу, уложенную в траншею ниже глубины промерзания грунта в виде «змейки». Расстояние между соседними участками должно составлять около 70 см.

Длина контура будет зависеть от влажности грунта. При сухом грунте с каждого метра трубы удается снять 10 Вт тепла, во влажных глинистых почвах этот показатель возрастает до 35 Вт. Таким образом, на каждый кВт тепловой мощности понадобится контур площадью от 25 до 50 кв. м.

Затраты

• на изделия и материалы для конденсатора: 163 доллара;
• для испарителя: 206 долларов;
• на б/у компрессор и фреон: около 50 долларов.

При наличии автоматики общая стоимость самодельного теплового насоса составит примерно 500 долларов.

Полипропиленовая труба марки PN10 диаметром 50 мм для наружного контура будет стоить по 193 руб. за погонный метр.

Знаете ли вы, что отопить дом совершенно бесплатно можно, используя тепло земли? Геотермальное отопление: принцип работы, достоинства и недостатки технологии.

Принцип действия теплового насоса для отопления дома разберем в этой статье.

Видео на тему

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.