Делаем геотермальное отопление дома своими руками: рассмотрим тщательно

Общеизвестен факт, что обогрев частного дома с помощью теплового насоса – самый эффективный способ из всех ныне существующих. Тема интересует многих домовладельцев в силу постоянного удорожания энергоносителей либо их отсутствия в той или иной местности. Рассмотрим подробнее, что собой представляет геотермальное отопление частного дома, как оно функционирует и что нужно для его монтажа.

Принцип действия геотермальных систем

Если вы никогда не прикасались к задней части своего домашнего холодильника, где расположена решетка теплообменника, то попробуйте это сделать. Вы обнаружите, что решетка горячая. Она нагревается оттого что передает наружу тепло из внутреннего пространства, где хранятся продукты. В результате температура внутри снижается, а снаружи тепло рассеивается в помещении кухни. То есть, холодильная машина переносит тепловую энергию из одного места в другое.

Тепловой насос – это та же холодильная машина, только действует наоборот. В том и состоит принцип работы геотермального отопления, чтобы тепло, имеющееся снаружи дома, перенести внутрь для его обогрева. Теоретически любое вещество или тело, чья температура выше абсолютного нуля (минус 273 ºС), содержит тепло в виде энергии движения молекул. Что уж говорить о температуре грунта ниже глубины промерзания, которая всегда постоянна и держится в пределах плюс 5—7 ºС.

Для справки. Убедиться в этом можно, опустившись в глубокий подвал. В нем температура воздуха одинакова круглогодично. Благодаря этому в летнюю пору геотермальные системы отопления могут работать наоборот, принося в дом прохладу вместо тепла.

Сама по себе температура +7 ºС для обогрева здания непригодна, это понятно. Задача, которую решает геотермальная система отопления, как раз и заключается в том, чтобы взять часть этого тепла, преобразовать и перенести в дом. С этой целью в земле устраивается теплосъемный контур из множества труб, проложенных ниже глубины промерзания. По контуру постоянно движется незамерзающая жидкость, побуждаемая циркуляционным насосом.

Нагревшись до температуры земли, жидкость попадает в теплообменник – испаритель. Там она обменивается теплом со вторым контуром, где циркулирует хладагент (фреон), находящийся под давлением, создаваемым компрессором. Благодаря этому хладагент испаряется при низкой температуре, отбирая большое количество тепла из первичного контура.

Далее, проходя расширительный клапан, фреон поступает во второй теплообменник – конденсатор. При этом его давление падает и хладагент конденсируется, передавая тепло уже третьему контуру – нашей системе отопления. В этом и заключается принцип геотермального отопления, когда система переносит энергию извне в дом с минимальными затратами. Ведь получается, что для ее работы нужна электроэнергия для вращения роторов двигателей компрессора и насосов. В среднем на обогрев частного дома площадью 300 м2 будет использоваться 3 кВт/ч электричества. Подробнее о принципе работы рассказано на видео:

Вертикальный теплообменник в геотермальном отоплении

Такие геотермальные системы отопления достаточно сложно создать своими руками из-за необходимости расположить контур на значительной глубине. Некоторые источники называют минимальным заглубление на 30 метров, однако, чаще всего для эффективной работы требуется глубина геотермальной шахты 100 и более метров.

Такая система действительно будет долговечной, однако, для этого потребуется высокое качество бурения и укрепления скважины, что связано со значительными расходами и обязательным привлечением наемных рабочих (лучше всего – фирму с соответствующей специализацией, имеющую необходимые разрешительные документы) и спецтехники.

Применение оборудования

Неверно считать, что отопление от земли можно использовать только там, где присутствуют горячие водные источники, есть теплые гейзеры и прочие природные подземные отопительные источники. Новейшие технологии позволяют успешно эксплуатировать геотермальное отопление дома и в умеренных широтах.

На сегодня в нашей стране этот вид обогрева пока еще относится к альтернативным способам получения тепла. Однако, в большинстве случаев он является практически идеальным для дачных или загородных домов. Установленное геотермальное отопление дома своими руками способно работать в двух режимах:

• обогрев в зимнее время;
• охлаждение во время жарко погоды.

Таким образом формируется наиболее благоприятная атмосфера в помещении.

ВИДЕО: Как работает геотермальное отопление

Виды геотермальных систем

По сути, системы могут отличаться только строением наружного контура, в остальном оборудование используется одинаковое. На данный момент существует 3 вида внешних контуров:

• прокладываемый в земле горизонтально;
• вертикальные геотермальные зонды;
• погружаемый на дно ближайшего водоема.

В первом случае множество труб прокладывается по дну горизонтального котлована расчетной площади. Минус этого способа в том, что монтаж геотермального отопления потребует много места на земельном участке и рекомендован к применению на этапе строительства дома, когда вырыть котлован и закопать трубы можно прямо под будущим домом.

Вертикальные зонды в виде пучков труб с теплоносителем опускаются внутрь глубоких скважин. Данный метод – наиболее распространен, поскольку доступен на небольших участках, уже застроенных хозяином. Погружение контура на дно водоема используется по мере возможности, то есть, при наличии такого водоема. По эффективности работы системы эти 3 способа практически не отличаются, есть разница только в стоимости строительства.

Вывод. Главное достоинство, которым обладают геотермальные тепловые насосы для отопления – чрезвычайно высокая эффективность. Но это преимущество нивелируется таким недостатком, как сложность и слишком высокая стоимость работ и оборудования. Помимо этого система зависит от электричества, так что придется дополнительно потратиться на дизельный генератор, чтобы не замерзнуть в случае отключения.

Геотермальное отопление: разбираем принцип работы

Принцип работы такого вида отопления достаточно прост и заключается в свойстве земли не промерзать даже при достаточно низких температурах. Например, при температуре воздуха около минус пятнадцати земля промерзнет всего до пяти-семи градусов. А теперь давайте ответим на вопрос, можно ли вполне успешно вытягивать из этого свойства земли пользу и отапливать дом с помощью такого ресурса? Ответ очевиден: конечно же, да! Так почему бы и не сделать это? Дело в том, что все не так уж и просто. Для того чтобы установить такое отопление, нужно решить связанные с этим небольшие проблемы, которые перечислены ниже.

Геотермальное отопление монтаж

• Чтобы достать из земли максимум тепла, нужно аккумулировать эту самую энергию тепла и сконцентрировать ее на обогревании дома, а это стоит некоторых усилий.
• Нужно поддерживать температуру проводника. Нагретый стояк должен проводить тепло в жидкостях, которая будет проходить в центральной системе отопления.
• Если же этот проводник остыл, его температуру нужно незамедлительно восстановить путем нагрева. Чтобы решить данную неурядицу были изобретены специальные геотермальные тепловые насосы, которые помогают справиться с поставленной задачей. Данное устройство помогает извлечь необходимое для нормального отопления дома количество тепла, которое может быть использовано для самых разных нужд. Кстати, такие насосы способны справляться с достаточно большими объемами работы. Возможности конструкции напрямую зависят от ее расположения в доме.

Если раньше такое явление, как отопление дома с помощь тепловой энергии земли можно было встретить исключительно за пределами нашей страны, то сегодня такие устройства – не чудо и не редкость.

Схема работы тепловых конструкций

При этом обратите внимание, что устанавливаются они не только на территории южных, теплых частей, как вы могли подумать. На территории Северных регионов это даже более частое явление. Давайте разберем более подробно, какая же схема работы у конструкций.
Давным-давно у людей возник вопрос, почему же при испарении с какой-либо поверхности определенных жидкостей, затем поверхность охлаждается, и почему же при этом забирается энергия. Как только ответ на данный вопрос был дан, возникла мысль, почему бы не запустить этот механизм в обратном порядке, то есть почему бы вместо ледяного, не получить теплый воздух. В пример можно привести работу современных систем кондиционирования: многие из них могут не только охлаждать, но и нагревать воздух. Единственным минусом таких устройств является их ограниченность в функционировании при маленьких температурах. В определенной температуре они просто не могут работать. В отличие от них, геотермальное отопление загородного дома полностью лишено такого недостатка, хотя принцип работы у них и у вышеупомянутого устройства примерно одинаковый.

Геотермальное отопление загородного дома

Монтаж теплообменника

Актуальными типами установки являются такие варианты:

• вертикальный, когда нужно бурить несколько скважин;
• горизонтальный, где выкапывают траншеи ниже глубины промерзания;
• подводный, когда укладка проводится по дну ближайшего водоема.

Пути функционирования системы

Чтобы сконцентрировать тепло земли и направить его в нужное русло, применяют несколько установок, которые помогут в этом насосу. Чтобы привести в работу эту, на первый взгляд, непростую систему, нужны следующие элементы:

• тепловой насос. Обеспечивает нормальное функционирование антифриза. По сути, вся работа установки зависит именно от этого элемента;
• испаритель – основная цель нахождения этого устройства под землей заключается в аккумуляции паров тепла, которые выходят из поверхности земли;
• конденсатор. Контролирует работу антифриза и помогает поддержать его постоянную температуру;
• бак. Собирает нагретую воду в одном месте для ее дальнейшего распределения.

Монтаж геотермального отопления своими руками

Конструкция теплового насоса

На практике сделать теплоснабжение этого типа – задача сложная. Особенностью проектирования и монтажа геотермального отопления своими руками является наличие теплового насоса – основного агрегата системы.

В конструкцию этого устройства включен внутренний контур с хладагентом, компрессор, дроссель и испаритель. Для управления работой обязательно предусматривается электронный блок. На что необходимо обращать внимание при выборе геотермального теплового насоса для отопления?

• Тип устройства. В теплоснабжении применяются модели «грунт-вода». Помимо них существуют «вода-вода» и «воздух-вода»;
• Номинальная тепловая мощность. Она напрямую зависит от расчетных параметров. Стоит учитывать, что практически все модели имеют значение этой характеристики до 18 кВт;
• Потребляемая мощность. Это сумма электрической энергии, необходимой для работы компрессора, насоса и электронного блока управления. Напрямую зависит от номинальной мощности устройства;
• Параметры отопительной системы – температурный режим и оптимальный показатель давления. Для всех геотермальных систем отопления своими руками последний показатель обычно не превышает 3 бар;
• Стоимость. В настоящее время обустройство геотермального отопления частного дома является самым дорогим. И большая часть расходов – это приобретение теплового насоса. Поэтому нужно особое внимание уделить правильному выбору этого компонента системы.

Трубы для геотермального отопления

Кроме геотермального теплового насоса для отопления – следует правильно подобрать трубы для наружного контура. Они должны отвечать определенным требованиям. В частности – иметь минимальный показатель сопротивления теплопередачи. В идеале для этого следовало бы использовать стальные магистрали. Однако их эксплуатация в этой среде связана с множественными проблемами. Поэтому зачастую сделают геотермальное отопление из полимерных гибких трубопроводов.

После анализа отзывов о геотермальном отоплении дома можно выделить следующие положительные качества полимерных труб для этого типа теплоснабжения:

• Достаточная гибкость. Это важно при обустройстве горизонтального геотермального отопление загородного дома своими силами.
• Простота установки и состыковки отдельных контуров. Для этого применяются механические муфты.
• Возможность оперативной замены поврежденного участка в случае аварийной ситуации.

Также не нужно забывать о стоимости. Учитывая, что в основе принципа работы геотермального теплоснабжения лежит тепловой насос – следует уменьшить затраты, чтобы приобрести оптимальную модель этого устройства.

Для полноценного функционирования системы рекомендуется в первичном контуре применять специальный состав теплоносителя, который имеет температуру замерзания ниже 0°С.

Основные схемы развязки

Существует три схемы, как можно организовать термальное альтернативное отопление, то есть обустроить контур для аккумуляции энергии тепла:

1. Самой эффективной обвязкой считается вертикальная система со скважинным насосом. Однако обустройство такого контура требует использования специальной техники и бурения скважин глубиной от 50 до 200 метров. При этом данный способ оправдывает траты, так как срок эксплуатации скважины составляет около 100 лет.
2. Менее затратной и более простой является горизонтальная обвязка, при которой трубы находятся под слоем земли ниже уровня промерзания грунта. Основной минус этого варианта является то, что контур занимает очень большой периметр. К примеру, для сооружения площадью 180 кв.м. потребуется 450 кв.м. свободной площади на участке так, чтобы ближайшее дерево находилось в двух метрах от труб.
3. Самый дешевый и удобный способ – разместить теплообменник на достаточной глубине водоема так, чтобы грунт там не промерзал. Обустройство такой системы не потребует работы дорогостоящей спецтехники. Этот вариант самый оптимальный для создания геотермального обогрева дома, при условии, что водоем находится не дальше 100-120 метров от здания.

Внешний контур собирается из труб, сделанных из полиэтилена, с расчетом из соотношения 40-50 Вт теплоэнергии на один метр коллектора. Так, при мощности насосного оборудования 10 кВт, необходимо будет обустроить скважину глубиной около 165-195 метров. Чтобы получить нужную расчетную длину, вместо одной скважины можно пробурить 2-3 менее глубоких из одной точки, однако в разных направлениях, то есть кластерным методом.

Применяем тепло земли для отапливания дома

Энергия земли для отапливания дома сейчас применяется нечасто – очень многие люди предпочитает использовать классические источники энергии. Но расценки на горючее регулярно становятся больше, а залежи газа, угля и нефти когда-то, пускай даже спустя много лет, но завершатся. Из-за этой причины появляется необходимость искать альтернативные тепловые источники, в особенности — тепло земли для отапливания дома.

Обогрев дома теплом земли является одним из лучших если сравнивать с солнечной и ветряной энергетикой. В странах Европы прямо сейчас очень популярны гелиосистемы, разрешающие применить лучи солнца для отапливания дома и подогрева воды (прочтите также: «Гелиосистемы для отапливания собственными руками»). Но их использование ограничено – если в государствах с тёплым климатом их хватает для настоящего обогревания жилья, то в регионах с климатом умеренных широт очень много пасмурных дней. Более того, солнечные коллекторы должны содержать приличную площадь и емкий теплоаккумулятор, и в результате создание отопительные системы обходится в немалую сумму (прочтите: «Солнечный обогревательный прибор собственными руками»).

Тоже не помешает иметь добавочный тепловой источник на случай затянувшейся непогоды. Энергия ветра тоже считается не очень хорошим вариантом: его сила меняется, а складочки ландшафта помогают появлению мест с неизменным штилем. Если применять тепло земли для отапливания дома, то добавочный энергетический источник не понадобится – в любой день почва на глубине от нескольких метров хранит стабильную температуру. Чем больше глубина погружения геотермального насоса, тем выше температура грунта, а исходя из этого, и результативность теплоснабжения (подробнее: «Геотермальное теплоснабжение: рабочий принцип на примерах»). Но не забывайте о глубине обмерзания – в самых разнообразных регионах она выделяется.

Устанавливаем геотермальное отопление самостоятельно

Сразу отметим такую особенность: тем, кто решится оборудовать отопление теплом земли, понадобится единожды вложить в это огромную сумму. Конечно, со временем эта стоимость окупится, так как жилье мы строим для себя не на год или два. Кроме того, каждый год стоимость на газ и электроэнергию повышается, а с геотермальной системой вы не узнаете, что такое эти ценовые скачки.

Заметим, что внутри помещения, которое вы хотите отопить, ставятся отопительные элементы, ничем не отличающиеся от водяного отопления. Ваше жилье будут обогревать радиаторы, а тепло в них будет идти по трубам.

Однако в данной системе основная ее часть будет скрыта под землей. Отопление энергией земли – это наличие скважины и теплообменника. В жилище потребуется только поставить прибор, который будет генерировать тепло – обычно он не занимает много места.

Принцип работы теплового насоса

На таком устройстве пользователь сможет производить регулирование температуры и подачу тепловой энергии. Установка самой системы отопления в жилье делается, как обычно, — с разветвлением трубопровода и радиаторов. Если у вас частный дом, или же само здание небольшое, то в таком случае генератор системы выводится в отдельное помещение или в подвал.

Энергия воды

Этот вариант по стоимости – самый рациональный, поскольку не требует подготовки траншей, котлована и прочих земельных работ. Но такой способен доступен далеко не для каждого – минимальный объем водоема, достаточный для отопление дома 100 кв.м. должен быть не менее 200 куб.м и располагаться не далее, чем 100 метров от домостроения.

В водоемы трубы прокладываются по дну, чтобы не допустить их промерзания в пик морозов.

Выводы

1. Геотермальное отопление для российского потребителя остается дорогим и массово используется только в развитых странах. При этом технология, лежащая в основе такого отопления, очень перспективна.
2. Усовершенствование и удешевление технологии получения тепла должно стать главным фактором распространения этого метода отопления в нашей стране.

Проведение расчетов

Чтобы выполнить расчет системы, необходимо учитывать базовые параметры:

• на глубине, превышающей в средней полосе России 15-20 м, температура выдерживается на уровне +8-+100С;
• для вертикальных конструкций принято брать в расчетах получаемое значение мощности в 50 Вт на 1 м высоты, а более точные значения зависят от степени влажности породы, присутствия грунтовых вод и пр.;
• сухая порода дает 20-25 Вт/м;
• увлажненная глина либо песчаник 45-55 Вт/м;
• твердые гранитные породы обеспечат до 85 Вт/м;
• наличие грунтовой воды дает до 110 Вт/м.

Принцип получения геотермальной энергии

Работу геотермальных отопительных станций часто сравнивают с принципом действия систем кондиционирования или обычного холодильника. Любая из схем состоит из двух контуров теплообмена. Принято считать, что в расположенном в грунте контуре происходит нагрев носителя (чаще всего в этой роли выступает незамерзающий фреон), которое впоследствии в испарителе теплообменника передается в «домашний контур».

Остывшая после циркуляции по дому жидкость для повтора цикла должна вновь нагреться примерно до +7°C. В то же время, летом система действует по обратному принципу, охлаждая воздух в доме, поэтому правильнее было бы называть ее не отопительной, а кондиционирующей.

Использование теплового насоса

Долговечность системы зависит от характеристик и условий, в которых работает тепловой насос. В геотермальных установках он способен работать примерно 1800 часов в год. Это является средним значением для широт без термальных подземных источников.

Принцип работы теплового насоса

Принцип работы системы термального отопления идентичен и никак не связан со страной производителя или брендом. Геотермальные насосы могут различаться по дизайну исполнения, размеру, внешнему виду, но коэффициент производства тепла всегда будет одинаков у насосов разных фирм и разных стран. Связано это именно с особенностью переработки природной энергии в тепловую.

Нельзя допускать слишком большую выработку насоса, так как этот процесс способен привести к значительному понижению температуры грунта вокруг скважины, а иногда доходит до ее промерзания.

Последствия таких просчетов в итоге приводят к пагубным последствиям – грунт проседает неравномерно, в каких-то местах уходит очень глубоко, в результате чего повреждаются защитные пластиковые трубы. Если дом располагается рядом, то может произойти деформация фундамента или стен за счет геологических изменений.

Периодически необходимо принимать меры по «регенерации» грунта, для чего в теплообменник поставляют дополнительную тепловую энергию. Это может быть энергия солнечного коллектора либо подогрев зонда, когда используется тепловой насос в режиме охлаждения помещений.

В заключение необходимо отметить, что геотермальная установка пока доступна не всем. В некоторых случаях срок окупаемости может продлиться более 10 лет, но в конечно итоге именно такие способы обогрева дома в скором будущем станут не просто альтернативными, но единственно возможными.

ВИДЕО: Геотермальные тепловые насосы

Геотермальные насосы, использующие тепло земли для отапливания дома

Теплоснабжение за счёт энергии земли происходит за счет специализированному устройству – геотермальному насосу.

Смысл его работы подобен холодильнику:

• газообразный хладагент сжимается компрессором, и при этом очень разогревается;
• хладагент идет через теплообменный аппарат, отдавая излишек тепла и остывая до домашней температуры;
• после охлаждения это вещество поступает в охлаждающий контур морозилки, где оно потом становится шире. В результате изменения агрегатного состояния с жидкого до газообразного, хладагент резко стынет и охлаждает все вокруг себя;
• потом он вновь поступает к компрессору, и цикл повторяется опять.

Подобно происходит и домашнее отопление энергетикой земли. К примеру, холодильник забирает тепло у холодного объекта и передает его тёплому предмету, аналогичным образом, тепло переносится от морозильные камеры с минусовой температурой в пространство помещения. Кол-во перекачиваемой энергии больше во много раз потребляемого компрессором электричества.

Теплоснабжение от тепла земли выделяется большей эффективностью – теплопроизводительность втрое превосходит кол-во потребляемого электричества. Если сопоставлять тепловой насос с холодильником, то в таком случае грунт, имеющий стабильную температуру, заменяет морозилку. При разработке отопительные системы необходимо установить не только отопительные приборы для теплоотдачи, но и теплообменный аппарат на обратной стороне контура, который станет забирать у грунта тепло.

Коллекторы бывают двух вариантов:

Перед тем как начать применить тепло из земли для отапливания дома, необходимо определиться с видом коллектора. Как они смотрятся, можно взглянуть на фото.

Воздушные коллекторы

Подземное теплоснабжение приватного дома можно осуществить и при помощи воздушных коллекторов. Это весьма простой способ отопления воздушного типа в приватном доме в сравнении с 2-мя предыдущими.

Чтобы подогреть воздух в помещении до оптимальной температуры, требуется некоторое количество тепла. Чем ниже первоначальная температура, тем выше расходы. При помощи системы вентиляции и тепла, полученного из грунта, можно бесплатно увеличить температуру воздуха в доме. Обогрев теплом земли в таком случае происходит очень просто.

Для организации отопительные системы необходимо:

• вывести забор воздуха вентиляции пониже уровня грунтового промерзания;
• провести выгнутый, прямой или многотрубный коллектор при помощи обыкновенных труб канализации (форма подбирается в зависимости от участка, на каждый метр квадратный площади дома должно приходиться 1,5 метра коллектора);
• выполнить воздухоотвод на дальнем от дома конце коллектора, выведя трубу на высоту минимум 1,5 метров от земли и оборудовав ее зонтом-дефлектором (конечно, воздушный приток в дом будет принудительным.

В данном случае земляное теплоснабжение не сумеет полностью обеспечить дом теплом.

Все таки, оно позволяет осуществить две идеи:

1. Поступающий через вентиляцию воздух можно нагревать любым обогревательным прибором (газовым, соляровым, электрическим и др.) и потом разводить по комнатам при помощи вентканалов. Полностью бесплатным подобное отопление от земли не будет, но все таки расходы уменьшатся: разогреваться станет не холодный воздух с улицы, а тот, который уже прогрет приблизительно до +10 градусов. Достаточно хорошо можно сэкономить, если зимы в регионе холодные.
2. Нагретый при помощи тепла земли воздух можно применять для обдува внешнего блока привычного кондиционера или теплового насоса типа «воздух-воздух». Любое устройство данного класса сумеет хорошо работать при температуре примерно +10 градусов. Сложность реализации заключается лишь в обеспечении необходимого потока воздуха. В результате воздух нагревается теплом грунта, поступает к тепловому насосу и отводится за пределы дома.

Теплоснабжение теплом земли – хорошая замена обычным способам обогревания, но сейчас оно не считается широко популярным (прочтите также: «Альтернативное теплоснабжение приватного дома — выбор очень большой»). Связано это, как правило, со сложностью процесса установки и большими первыми затратами. Прекрасным вариантом считается бурение колодцев и расположение в них труб, но обходится система такого типа отопления очень дорого. С другой стороны, это дает возможность обогревать дом, пользуясь бесплатным тепловым источником.

Также нужно всегда помнить про то, что подобный вариант теплоснабжения является чистым в экологическом плане и очень эффективным, потому как температура почвы на глубине более десяти метров остается постоянной. Видео про то, как применить тепло земли для отапливания дома: