Используем тепло земли для отопления дома

Энергия земли для отопления дома в настоящее время используется редко – большинство людей предпочитает задействовать традиционные источники энергии. Но цены на топливо постоянно растут, а запасы газа, угля и нефти когда-то, пусть даже через много лет, но завершатся. По этой причине возникает необходимость искать альтернативные источники тепла, в частности — тепло земли для отопления дома.

Обогрев дома теплом земли является более предпочтительным в сравнении с солнечной и ветряной энергией. В Европе уже сейчас широко распространены гелиосистемы, позволяющие использовать солнечные лучи для отопления дома и подогрева воды (прочитайте также: «Гелиосистемы для отопления своими руками»). Однако их применение ограничено – если в странах с теплым климатом их хватает для полноценного обогрева жилья, то в регионах с умеренным климатом слишком много пасмурных дней. Кроме того, солнечные коллекторы должны иметь большую площадь и емкий теплоаккумулятор, и в результате создание системы отопления обходится в большую сумму (прочитайте: «Солнечный обогреватель своими руками»).

Также не помешает иметь дополнительный источник тепла на случай затянувшейся непогоды. Энергия ветра тоже является не самым лучшим вариантом: его сила меняется, а складки рельефа способствуют образованию мест с постоянным штилем.

Если использовать тепло земли для отопления дома, то дополнительный источник энергии не потребуется – в любой день почва на глубине от нескольких метров сохраняет постоянную температуру. Чем больше глубина погружения геотермального насоса, тем выше температура грунта, а соответственно, и эффективность отопления (детальнее: «Геотермальное отопление: принцип работы на примерах»). Однако нужно помнить о глубине промерзания – в разных регионах она отличается.

Геотермальные насосы, использующие тепло земли для отопления дома

Отопление за счет энергии земли происходит благодаря специальному устройству – геотермальному насосу.

Принцип его работы аналогичен холодильнику:

• газообразный хладагент сжимается компрессором, и при этом сильно нагревается;
• хладагент проходит через теплообменник, отдавая избыток тепла и остывая до комнатной температуры;
• после охлаждения это вещество поступает в охлаждающий контур морозильной камеры, где оно потом расширяется. В результате изменения агрегатного состояния с жидкого до газообразного, хладагент резко остывает и охлаждает все вокруг себя;
• затем он вновь поступает к компрессору, и цикл повторяется снова.

Аналогично происходит и отопление дома энергией земли. Например, холодильник отбирает тепло у холодного объекта и передает его теплому предмету, таким образом, тепло переносится от морозилки с минусовой температурой в помещение. Количество перекачиваемой энергии в несколько раз больше потребляемого компрессором электричества.

Отопление от тепла земли отличается высокой эффективностью – тепловая мощность в три раза превышает количество потребляемого электричества. Если сравнивать тепловой насос с холодильником, то в данном случае грунт, имеющий постоянную температуру, заменяет морозильную камеру.

При создании системы отопления нужно установить не только радиаторы для отдачи тепла, но и теплообменник на второй стороне контура, который станет забирать у грунта тепло.

Коллекторы бывают двух видов:

• вертикальные;
• горизонтальные.

Прежде чем начать использовать тепло из земли для отопления дома, нужно определиться с видом коллектора. Как они выглядят, можно посмотреть на фото.

Вертикальные коллекторы для отопления дома от земли

Однако следует учитывать существенный недостаток данной схемы: отопление из недр земли обходится дорого. Разумеется, первоначальные затраты впоследствии окупятся, но все же далеко не каждая семья может позволить себе такие расходы. Цена бурения высока, и на то, чтобы сделать несколько скважин глубиной в 50 метров, денег потребуется немало.

Горизонтальные коллекторы для обогрева дома теплом земли

Их используют в регионах с относительно теплым климатом, где глубина промерзания почвы не превышает 1-1,5 метров. Организовать отопление дома от земли в данном случае гораздо проще, ведь траншеи можно выкопать и самостоятельно, и стоимость работ значительно уменьшится.

Но и у такой схемы есть недостатки. Прежде всего, выполнить отопление из земли своими руками не так-то просто: например, для дома площадью 275 «квадратов» потребуется уложить в траншеи 1200 метров труб. Помимо того, что придется потратить много времени на копание траншей, трубы еще и займут большую площадь. Использовать этот участок, например, для сада или огорода, нельзя: корни растений будут перемерзать из-за особенностей работы коллектора.

Таким образом, отопление энергией земли является хорошей идеей, но весьма сложной в реализации. Аналогично обстоят дела и с солнечным обогревом. Именно по этой причине альтернативные источники энергии на сегодняшний день мало распространены.

Воздушные коллекторы

Подземное отопление частного дома можно реализовать и с помощью воздушных коллекторов. Это более простой способ воздушного отопления в частном доме по сравнению с двумя предыдущими.

Чтобы нагреть воздух в помещении до комфортной температуры, требуется определенное количество тепла. Чем ниже первоначальная температура, тем выше затраты. С помощью вентиляционной системы и тепла, полученного из грунта, можно бесплатно повысить температуру воздуха в доме. Обогрев теплом земли в данном случае происходит весьма просто.

Для организации системы отопления нужно:

• вывести воздухозабор вентиляции ниже уровня промерзания грунта;
• проложить изогнутый, прямой или многотрубный коллектор с помощью обычных канализационных труб (форма выбирается в зависимости от участка, на каждый квадратный метр площади дома должно приходиться 1,5 метра коллектора);
• сделать воздухоотвод на дальнем от дома конце коллектора, выведя трубу на высоту минимум 1,5 метров от земли и оборудовав ее зонтом-дефлектором (разумеется, приток воздуха в дом будет принудительным.

В этом случае земляное отопление не сможет полностью обеспечить дом теплом.

Тем не менее, оно дает возможность реализовать две идеи:

1. Поступающий через вентиляцию воздух можно подогревать любым обогревателем (газовым теплогенератором, соляровым, электрическим и пр.) и затем разводить по комнатам с помощью вентиляционных каналов. Полностью бесплатным такое отопление от земли не будет, но все же затраты уменьшатся: нагреваться станет не холодный уличный воздух, а тот, который уже прогрет примерно до +10 градусов. Особенно хорошо можно сэкономить, если зимы в регионе холодные.
2. Нагретый с помощью тепла земли воздух можно использовать для обдува внешнего блока обычного кондиционера или теплового насоса типа «воздух-воздух». Любое устройство данного класса сможет эффективно работать при температуре около +10 градусов. Сложность реализации заключается лишь в обеспечении нужного воздушного потока. В результате воздух прогревается теплом грунта, поступает к тепловому насосу и отводится за пределы дома.

Отопление теплом земли – хорошая альтернатива традиционным способам обогрева, но в настоящее время оно не является широко распространенным (прочитайте также: «Альтернативное отопление частного дома — выбор достаточно большой»). Это связано, в основном, со сложностью монтажа и большими первоначальными расходами. Лучшим вариантом является бурение скважин и размещение в них труб, но обходится такая система отопления слишком дорого. С другой стороны, это позволяет обогревать дом, пользуясь бесплатным источником тепла.

Также нельзя забывать о том, что такой вариант отопления является экологически чистым и высокоэффективным, поскольку температура почвы на глубине нескольких десятков метров остается постоянной.

Видео о том, как использовать тепло земли для отопления дома:

Земляной тепловой насос (геотермальный тепловой насос) что это такое?

Главная страница » Земляной тепловой насос (геотермальный тепловой насос) что это такое?

Геотермальный земляной тепловой насос, по сути, представляет собой систему центрального отопления земли. Энергетический механизм земного грунта поддерживает постоянное использование как накопитель (источник) тепла. Конструктивно система позволяет использовать умеренный диапазон температур грунта. За счёт этого повышается эффективность и снижаются эксплуатационные расходы традиционных систем отопления (охлаждения). Допустимо объединение земляного теплового насоса с установками сбора солнечной энергии — строительство систем высокой эффективности.

Технология геообмена для получения энергии

Земляной тепловой насос в научных кругах больше известен под другими названиями, в частности:

• геообмен (Geoexchange),
• грунтовой теплообменник,
• земная энергетическая система.

Инженеры, однако, чаще пользуются термином «земляные тепловые насосы», дабы избежать путаницы с традиционной геотермальной энергией, где используется высокотемпературный источник тепла для выработки электроэнергии.

Земляные тепловые насосы действуют по принципу сбора тепла, получаемого от Солнца и поглощаемого поверхностью Земли. Температура грунта ниже 6 метров от границы поверхности равна среднегодовой температуре воздуха для конкретной широты земного шара.

Структурная схема установки: 1 – природный земляной теплообменник на трубном петлевом замкнутом контуре; 2 (3) – тепловой насос; 4 – ресивер с горячей водой; 5 – тепло, направляемое в радиаторы или в систему тёплого пола; 6 – использование водного ресурса для хозяйственных нужд

В зависимости от параметра широты, температура под верхним слоем Земли поддерживается на постоянном уровне в диапазоне 10-16°C. Подобно холодильнику или кондиционеру, систему допустимо использовать в качестве теплового насоса для принудительной передачи тепла от грунта.

Тепловые насосы способны передавать энергию от холодной к тёплой области в противовес естественному направлению потока. Либо эти же устройства способны усиливать естественный поток тепла, направленный от теплой среды к холодной.

Общая информация по земляным тепловым насосам

На первый взгляд устройство земляного теплового насоса выглядит достаточно сложным, но фактически это относительно простая элементная база. Подобного рода установки содержат ряд подземных труб, предназначенных извлекать солнечную энергию.

Полученную солнечную энергию, в свою очередь, достаточно просто преобразовать в тепловую энергию с последующим использованием для нужд домашнего хозяйства.

Возможные конфигурации замкнутого типа на земляной тепловой насос: 1 – горизонтальное трубное поле; 2 – вертикальное трубное поле; 3 – трубное поле в области водоёма

Существуют два основных типичных исполнения земляного теплового насоса:

Рассмотрим подробнее обе конфигурации для лучшего понимания. Однако также стоит отметить – используются два типа трубного контурного исполнения – замкнутое и разомкнутое. Второй вариант считается редко применяемым.

Земляной тепловой насос — вертикальная конфигурация

Этот вариант исполнения предполагает формирование поля труб, образующих замкнутый контур. При этом трубы контура проходят в земле вертикально.

Для выполнения вертикального монтажа трубного поля в грунте бурят скважину глубиной 15–125 м (может использоваться свайный фундамент здания). Циркулирующий по трубам теплоноситель поглощает (отводит) тепло от грунта или в грунт.

Трубные пары, помещаемые в скважину, соединяются U-образными поперечинами в нижней части или состоят из двух трубок полиэтилена высокой плотности малого диаметра, термически сплавленных для образования U-образного донного изгиба.

Реальный пример скважины под сооружение вертикального земляного теплового насоса. В зависимости от мощности системы таких скважин может потребоваться несколько

Пространство между стенкой скважины и U-образными трубами обычно полностью заполнено цементирующим веществом (допускается частичное заполнение грунтовыми водами).

Скважина, как правило, заполняется бентонитовым раствором, благодаря чему обеспечивается тепловая связь с грунтом, улучшается теплопередача.

Улучшить теплопередачу помогают термически эффективные растворы. Трубные поля вертикальной петлёй обычно используются, когда площадь земли ограничена. Скважины бурят удалёнными на 5–6 м одна от другой.

Параметр глубины зависит от характеристик грунта и обслуживаемого здания. Так, отдельно взятому дому, потребляющему 10 кВт тепловой мощности, требуется три скважины глубиной 80-110 м.

Земляной тепловой насос — г оризонтальная конфигурация

Земляной тепловой насос на основе горизонтального трубного поля, соответственно предполагает создание горизонтально расположенного в земле замкнутого контура.

Для такой конфигурации необходимо рыть длинную горизонтальную траншею глубже уровня промерзания грунта. Внутри такой траншеи размещаются горизонтально U-образные или петлевые трубы.

Рытьё неглубоких горизонтальных петлевых полей земляного теплового насоса оценивается примерно вполовину стоимости относительно варианта вертикальной конфигурации.

Поэтому горизонтальный вариант устройства земляного теплового насоса считается наиболее распространённой схемой, используемой в местах с достаточным количеством свободной земли.

Практическое решение по сооружению горизонтального земляного трубного поля теплового насоса. Это одна из наиболее перспективных конструкций для частных хозяйств

Для конструкции дома, потребляющего 10 кВт тепловой мощности, требуются три траншеи, длиной 120-180 м с петлями из полиэтиленовых труб диаметром 20-32 мм. Глубина траншей должна составлять 1-2 м.

Следует отметить: глубина погружения трубного серпантина оказывает существенное влияние на потребление энергии земляным тепловым насосом. При этом отмечаются два противоположных варианта влияния:

1. Мелкие петли имеют тенденцию косвенно поглощать больше тепла от солнца, что полезно, особенно когда земля долго остаётся холодной после зимы.
2. Неглубоко положенные петли также намного легче охлаждаются в результате изменений погоды, особенно в течение долгих холодных зим, когда пики потребности в отоплении достигают максимума.

Зачастую второй эффект более выразителен, чем первый, что приводит к более высоким затратам на эксплуатацию контуров, погруженных на небольшую глубину.

Земляной тепловой насос — д ругие возможные конфигурации

Альтернативой горизонтальному размещению земляного теплового насоса может служить прокладывание системы горизонтально-направленным бурением.

Методика позволяет монтировать трубопроводы под землёй городских дворов, проездов, садов и другой инфраструктуры. При этом инфраструктурные сооружения не нарушаются, а затраты на работы остаются на среднем уровне, если сравнивать с горизонтальным и вертикальным способом устройства.

Система горизонтально-направленного бурения также отличается от горизонтальной и вертикальной конфигураций, поскольку петлевое поле состоит из одной центральной камеры, чем ещё больше сокращается рабочее пространство объекта.

Горизонтально-направленное бурение зачастую применяется уже после того, как подлежащий оснащению земляным тепловым насосом объект был построен.

Неординарный, достаточно «экзотический» вариант – использование водоёма. Однако такой проект земляного (водяного) теплового насоса также вполне может использоваться на практике

Существует также довольно необычный вариант конфигурации системы, когда тепло извлекается при помощи трубного поля, размещаемого на дне водоёмов (озёр, прудов), где масса воды достаточно велика.

Однако такого рода система относится к узкоспециализированным сооружениям и требует тщательного расчёта конструкции. Обычно расчёт проводится производителем земляного специализированного теплового насоса.

Как работает земляной тепловой насос и сколько стоит?

Принцип действия обычно основан на смеси воды и антифриза, которая закачивается в область земляного массива.

Благодаря этой смеси поглощается солнечная энергия, запасённая в массиве земле. Тепло извлекается посредством использования технологий сжатия и расширения и в качестве энергетического потенциала может применяться для отопления частного дома.

Объёмная доля собранного теплового ресурса напрямую зависит от производительности (количества труб, длины и глубины вырытых траншей), а также от характеристик почвы.

Практика показывает, что глинистая почва способна удерживать больше тепла, чем песчаная. Перед проектированием и сооружением земляного теплового насоса, как правило, выполняется тщательное изучение состояния грунта.

Согласно некоторым оценкам специалистов по энергосбережению, стоимость установки типовой системы земляного теплового насоса в частном доме на три-четыре спальни, составит около 800 000 рублей.

Между тем общепринятая «бюджетная» величина составляет примерно 1 млн. руб. за 1 кВт мощности. Для частного дома площадью 400 м² на четыре спальни, построенного в соответствии стандартам строительных норм, потребуется тепловой насос мощностью не менее 8 кВт.

Непосредственно тепловой насос оценивается в 500–600 тыс. руб. Общий баланс земляной системы включает ещё стоимость сооружения в целом. Сумма под инсталляцию нередко значительно варьируется в зависимости от условий местности.