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.

Геотермальное отопление дома. Как правильно выбрать и расчет стоимости под ключ

Ускорившееся строительство собственных домов в стране, постоянное изменение цен на основные энергоносители вызвали появление альтернативных источников энергии, в том числе, на возобновляемой основе. Один из видов – это применение методов геотермальной энергетики.

Основные составляющие систем геотермального отопления

Принцип извлечения тепла, использующегося для обогрева здания, основан на отборе геотермальной энергии из земли, воды или окружающего воздуха. Тепло там накапливается в тёплый период года и отдаётся в холодное. Процесс обмена энергиями осуществляется посредством теплового насоса.

Способ нагрева

Работу теплового насоса и всей системы обогрева можно рассмотреть на принципе функционирования холодильной установки – так, рука, поднесённая к задней стенке холодильника на несколько секунд, ощущает тепловые потоки, исходящие от змеевика.

Цепочка обмена энергией выглядит:

• продукты с положительной температурой, размещенные внутри холодильного агрегата, охлаждаются, отдавая своё накопленное тепло внутрь полости морозильной камеры;
• нагретый воздух, в свою очередь, производит теплообмен со стенками холодильной камеры;
• энергоноситель, в данном случае, фреон, циркулирующий по трубкам, вмонтированным в корпус, полученное тепло переносит на внешний змеевик;
• система рассеивает избыток тепла в окружающее пространство, а охлаждённый фреон проходит до компрессора, где расширяется и снижает свою температуру до определённых отрицательных значений и цикл повторяется снова.

Если заменить «продукты» на «землю», то получается система обогрева дома, но в значительно увеличенных размерах. При этом можно заметить, что единственный, внешне подведённый источник дополнительной энергии, — это электричество, необходимое для работы компрессора.

Источником тепла, получаемого от солнца, выступают земля, вода из водоёма или окружающий воздух. В последнем случае, термальное устройство целесообразно устраивать в районах с положительными круглогодичными температурами.

Энергоэффективность геотермальных тепловых насосов

В упрощённом виде система геотермального отопления здания представляет собой три независимых контура, по которым циркулирует теплоноситель:

1. Внешний контур, вынесенный за пределы здания, переносит тепловую энергию, взятую от окружающей среды.
2. Средний – расположен в корпусе насоса и служит для передачи внешней энергии на внутреннюю обогревательную систему. Носитель, проходя испаритель, передаёт 4–8°C тепла низкокипящему хладагенту, отчего последний вскипает, переходя в газообразное состояние. При сжимании в компрессоре, газ переходит в жидкость, при этом выделяется теплота, разогревающая фреон до температуры 70–100°C.
3. Внутренний контур – это собственно отопительная система здания, получающая тепло от разогретого фреона.

Примерную тепловую мощность насоса можно рассчитать по формуле:

где J, — удельная теплоёмкость воздуха в Дж/м³К (при 22°C равна 1205);

t — время нагрева за один час, равное 3600;

T1-T2, — разность температур теплоносителей в градусах Цельсия;

L, — объём обогреваемого помещения в м³.

С подставленными известными коэффициентами формула примет вид:

Пример:

1. Здание с помещениями из жилых комнат 12м², 15м² и 20м², кухни-столовой 16м², коридора и сантехнических помещений общей площадью 30м² со средней высотой потолка 2,8м имеет внутренний объём 260м³. Тогда для нагрева в течение часа до температуры 25°C, с входящими значениями теплоносителя, равными 5°C, понадобится:

2. Примерное соотношение затраченной электроэнергии на работу теплового насоса и полученной тепловой энергии составляет 1 к 5.

То есть за один час работы компрессора будет расходоваться:

3. За один месяц в 30 дней затраты электроэнергии составят:

4. Стоимость:

• 250,85кВт*2,50руб/кВт* = 627 рублей/ месяц.

Полученные данные – это чисто теоретические значения, не учитывающие ряд факторов:

• здание должно быть хорошо утеплено;
• существуют потери через стены, потолок, двери, окна, вентиляцию;
• в конструкции теплообменников необходимо применять материалы с высоким коэффициентом теплопередачи;
• не учтена сезонность;
• имеется ли возможность дополнительного расхода горячей воды для бытовых нужд;
• в работу подземных контуров могут быть оказаны влияния со стороны подземных вод и другие явления.

Как выбрать геотермальной тепловой насос?

Кроме текущих расходов, перед организацией такого вида отопления, целесообразно рассчитать необходимую мощность оборудования, — это понадобится для выбора насоса и комплектующих.

Как видно из вышеприведённых расчётов, определяющий фактор – это внутренний объём обогреваемого здания, а, точнее, объём необходимых для обогрева помещений. Для поддержания небольшой положительной температуры (5–10°C) в зимнее время во вспомогательных помещениях, мощность оборудования можно увеличить на 10–15%.

После анализа всех возможных затрат тепловой энергии внутри дома, рассчитывается минимальная требуемая мощность оборудования. Целесообразно заложить добавочный коэффициент прочности в диапазоне 1,2–1,25.

Тепло из земли

Большинство систем геотермального отопления получает тепло из земли, накопленное там за период тёплого времени. Для этого трубы, в которых циркулирует низкокипящий теплоноситель, заглубляют в грунт.

При наличии свободной площади на участке применяется горизонтальная укладка, в противном случае внешний контур погружается в вертикально пробуренные скважины.

Горизонтальная укладка

При устройстве горизонтального контура, необходимо учесть глубину промерзания почвы. Для большей части европейской России, Южного и Среднего Урала, части юга Сибири, а также Приморского края эти показатели не превышают 2–2,5 метров. Как правило – эта глубина составляет 0,6–1 метр.

Труба под внешний теплоноситель укладывается в предварительно прорытые траншеи, глубиной 1,5–2,0 метра. К концу холодного сезона температура там не опускается ниже +1– -1°C, что вполне достаточно для образования перепада в 4–5°C.

Расчёт необходимых потребностей в размерах коллектора осуществляется из соотношения 20–25Вт с одного метра трубы. Зная полезную тепловую мощность можно определить длину заглубленного контура. Для вышеприведённого примера, с учётом коэффициентов теплопередачи, размеры трубы составят не менее 300–350 метров.

Объём земляных работ значителен, поэтому целесообразно воспользоваться услугами стороннего траншеекопателя. В случае перекрещивания коллектора со сточной системой, последнюю можно углубить на 30–50 см ниже, нежели основная траншея.

Вертикальная укладка

Такая система используется при ограниченных свободных площадях, но она более эффективна, нежели горизонтальная система. Впрочем, все полезные результаты могут быть сведены на нет более дорогим монтажом. Система может использовать погружные зонды или водозаборные скважины.

Зонды

В грунте выполняются две или более вертикальные скважины, в которые опускаются внешние контуры, — по одной трубе течёт отработанный теплоноситель, по другой, — подогретый теплом земли. Глубина скважин может достигать 40–70 метров.

Эффективный отбор тепла достигает в среднем около 50–55Вт, что почти в 2 раза больше по сравнению с горизонтальным контуром. Но конструкция коллекторов более сложна, например, применяется коаксиальная труба, — это одно изделие меньшего диаметра находится внутри другого.

Скважины

В этом случае используется забор тепла от подземных вод, что значительно повышает тепловую эффективность системы отопления. Это происходит благодаря более высокой температуре влаги и значительному коэффициенту теплообмена.

При такой системе геотермального отопления необходимы минимум две скважины, — одна – заборная, другая – сбросовая. Понадобятся скважинные насосы, и, соответственно, дополнительная энергия для их питания. Кроме этого, с целью предотвращения замораживания воды, целесообразно использовать предохранительный теплообменник.

Большой плюс этой системы – минимальное количество земляных работ и большая теплоотдача.

Повысить эффективную отдачу тепла можно применив солнечные коллекторы, которые нагреваясь в солнечную погоду, могут передавать дополнительное тепловую энергию для нагрева грунта.

Стоимость геотермального отопления и цена его монтажа

Общие капиталовложения в систему отопления складываются из нескольких частей:

• цена теплового насоса;
• цена комплектующих;
• монтаж и пусконаладочные работы;
• текущие затраты на электроэнергию в течение отопительного сезона.

Цена теплового насоса

На рынке России представлена продукция импортного и отечественного производства:

1. Henk, — отечественный производитель, расположенный в Подмосковье. Представляет линейку тепловых насосов различной мощности и производительности. Число выпускаемых моделей доходит до 82 шт. Цена на продукцию начинается с 243000 рублей.
2. Mammoth, — производитель из США. Поставляет на рынок России около двух десятков насосов. Стоимость от 2800 долларов.
3. NIBE, — шведская компания. Цена на грунтовые модели исходит от 485000 рублей.
4. Waterkotte, — немецкая фирма. Стоимость комплекта из насоса и блока для ГВС начинается от 680000 рублей.

Цена комплектующих

В состав комплектующих геотермальной системы отопления входят (основные элементы):

1. Полипропиленовая труба для внешнего контура Ø32 или 40мм. Средняя цена за метр начинается с 35 рублей.
2. Труба для «тёплого» пола из сшивного полиэтилена диаметром 16мм со стоимостью от 45 руб/м.
3. Антифриз и тосол в качестве теплоносителей. Цена на первый 100–180 руб/литр, на второй 100–200 руб/литр.

Кроме этого, необходимы различные краны, клапаны, теплоизоляторы для труб и другое.

Стоимость монтажных работ

Основные и существенные затраты при укладке внешнего контура – это производство земляных или бурильных работ. Траншею глубиной до 1,5 метров и длиной до 300 метров можно выполнить своими силами с помощью, например, гастарбайтеров или «деревенского» тракториста.

С укладкой труб и засыпкой общая стоимость внешних работ составит 120000–240000 рублей. То же самое, но с бурением, может увеличиться до 250000–600000 рублей.

Услуги по оборудованию геотермального отопления под ключ

Список некоторых фирм и их услуг:

1. Геометро, — на рынке с2006 года. Стоимость отопления под ключ начинается с 400000 рублей. Работают с американскими тепловыми насосами Mammoth.
2. Теплодаром, — обеспечивает полное комплектование дома отопительной системой. Например, стоимость «под ключ» для дома полезной площадью 120м² составит 550000 рублей.
3. Геотепло, работают с несколькими производителями тепловых насосов. Цена монтажных и пусконаладочных работ начинается с 580000 рублей.

Как не получить иллюзии теплового насос?

Одна из основных причин – это снижение стоимости как оборудования, так и монтажных работ. Если с насосом дела по экономии обстоят сложнее, — единственный путь, занизить мощность, то с работами гораздо проще:

• можно выполнить траншею не той глубины или (и) малой длины;
• пробурить скважину недостаточной глубины;
• использовать некачественные трубы или другого диаметра;
• вмешательство в конструкцию зонда и другие подобные причины.