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:

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.