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.

Устройство и бурение скважины для теплового насоса

Энергоэффективность геотермального насоса, работающего по принципу земля-вода, зависит от правильного расположения, глубины, диаметра скважин для укладки первичного контура. Предварительно проводятся расчеты, помогающие установить глубину залегания зондов и их расположение.

Выполненная с соблюдением рекомендаций производителя и строительных норм, скважина для теплового насоса обеспечит достаточным количеством энергии, чтобы прогреть частный дом и удовлетворить потребности в ГВС.

Устройство и принцип работы скважины теплонасоса

Автономное независимое отопление дома от скважины с тепловым насосом состоит из двух контуров:

• • Первичный контур расположен под землей на глубине не менее 1,5 м или на дне водоема. Благодаря зонду происходит отбор тепла из грунта и передача его в теплообменник насоса. По трубам циркулирует пропиленгликоль или как его часто называют – рассол. По мере продвижения жидкость разогревается до 6-8°С, что более чем достаточно для обеспечения теплонасоса необходимым количеством низко потенциальной тепловой энергией.

• Второй контур располагается в геотермальном насосе. По трубам циркулирует фреон и посредством преобразования из жидкости в газ отбирает тепло у первичного контура. О том, как работает геотермальный тепловой насос, описывается здесь.

Существует несколько типов первичного контура, отличающихся технологией бурения геотермальных скважин для тепловых насосов. Наиболее подходящий вид скважины определяется в зависимости от мощности тепловой станции и фактических ожидаемых затратах энергии зданием.

Проведение работ по бурению скважин под геотермальный тепловой насос начинается с составления проектной документации и проведения геодезического аудита на участке.

Виды скважин для подключения теплонасоса

Существует три основных типа решений, используемых для укладки геотермального первичного контура. Способы бурения скважин рассчитывают исходя из нескольких параметров:

1. Способа укладки трубопровода.

Работы выполняют следующим образом:

Горизонтальное направленное бурение – для укладки трубопровода понадобится не менее 200 м² площади придомовой территории. Перед выполнением направленного бурения снимают верхнюю часть грунта ниже точки промерзания на 30-50 см. Глубина, как показывает практика, в зависимости от региона составит от 1,3 до 2 м.
Данный способ монтажа является наиболее простым, но трудоемким процессом. В качестве минусов можно выделить относительно низкую теплоэффективность решения.



Вертикальное бурение – ниже, приблизительно 20 метров над уровнем грунта температура увеличивается до 10-18°С, в зависимости от региона. Бурение вертикальной скважины под тепловой насос позволяет добраться до грунтовых слоев с лучшими показателями теплоотдачи, и, следовательно, увеличить эффективность обогрева дома.
Каждая скважина дает больше тепла чем при горизонтальной укладке контура. Соответственно, требуется меньше земляных работ, уменьшается стоимость бурения. В целом, за подключение придется заплатить приблизительно на 10-15% меньше.



Наклонное кластерное бурение – используется, если возможности установки вертикальных зондов ограничены площадью участка. Бурение скважин под углом осуществляется следующим образом. Сначала выкапывают один общий колодец. Так как для конструкции требуется всего 4 м², бурить можно даже в подвале своего дома. Колодец углубляют до 4 м, устанавливают в нем специальное оборудование. Дальше выполняется бурение скважин под углом или «кустом». Работы выполняются с помощью специальной техники.
Технология бурения для наружного контура «кустом» была разработана в Европе, где пользуется огромной популярностью. В нашей стране данная методика только начинает внедряться, поэтому еще не нашла широкого применения.



Какое количество скважин нужно для работы теплового насоса

Необходимое количество скважин высчитывают исходя из типа грунта и производительности оборудования. Большую теплоотдачу обеспечивает земельный участок с неглубоким прохождением подземных вод, наименьший процент тепла можно получить из песка.

Расчет скважины теплонасоса выполняется в согласии со следующими параметрами:

• • Песок и сухие отложения – даст всего 25-30 Вт на каждый погонный метр уложенного контура.
• • Водонасыщенный грунт – теплоотдача будет на уровне 60 Вт, на п.м. трубы.
• • Камень – гранит, известняк, базальт, имеют самые высокие показатели теплоотдачи, варьирующиеся от 65 до 85 Вт.
• Обычный грунт – по этим параметрам высчитывают среднее значение, равное 50 Вт на 1 п.м.

Глубина скважины для теплонасоса рассчитывается следующим образом:

• • В значение принимают средние параметры или показатели теплоотдачи 50 Вт на 1 п.м.
• • Высчитывают общую производительность теплового насоса. Для частного дома на 200 м² рекомендуется установить теплонасос с производительностью не менее 14 кВт.
• • Высчитывают общую протяженность контура. 14 кВт равны 14000 Вт. Соответственно, водяной контур имеет протяженность 280 м.
• Подсчитывают общее количество колодцев. Средняя глубина, принимаемая в расчет равняется 30 м. Для дома на 200 м², потребуется пробурить 10 скважин.

Если планируется уложить горизонтальный трубопровод, расчеты проводят несколько другим способом:

• • Учитывается зависимость количества тепла от количества труб в скважине. Оптимальным решением является уложение контура с шагом 1-1,5 м.
• • Получается, что 1 м² придомовой территории равен 1- 1,5 м. п. земляного коллектора.
• • Теплоотдача грунта, при горизонтальной укладке: водонасыщенный песок и щебень 40 Вт, обычная почва 20-30 Вт.
• Длина водяного коллектора будет 460 п.м.

Срок службы скважины под теплонасос

Производя расчет стоимости бурения необходимо учитывать, что минимальное время эксплуатации геотермального первичного зонда составляет не менее 50 лет. На время службы влияет то, какая труба используется для изготовления коллектора.

Расчетный срок эксплуатации нержавеющего металла составляет 70 лет, полимер прослужит 50-60 лет. В первый год укладки коллектора возможно проседание, требующее дополнительной корректировки и исправлений. В остальное время первичный контур будет работать с полной теплоотдачей и эффективностью.

Первоначальные затраты, отпугивающие потенциального покупателя, на самом деле полностью окупятся благодаря длительному сроку эксплуатации как самого насоса, так и геотермального контура.

Бурение скважин для системы тепловых насосов

Устройство скважины лучше доверить профессиональной монтажной организации. Оптимально, чтобы этим занимались представители компании, продающей теплонасос. Так, можно учесть все нюансы бурения и расположения зондов от строения, выполнить другие требования.

Специализированная организация поспособствует получению разрешения на бурение скважины под зонды для грунтового теплового насоса. Согласно законодательству, использование грунтовых вод в хозяйственных целях запрещено. Речь идет об использовании в любых целях вод, расположенных ниже первого водоносного горизонта.

Как правило, процедура бурения вертикальных систем должна быть согласована с органами государственной администрации. Отсутствие разрешений ведет к штрафным санкциям.

После получения всех необходимых документов начинаются монтажные работы, согласно следующему порядку:

• • Определяются точки бурения и расположения зондов на участке, учитывая расстояние от строения, особенности ландшафта, наличие подземных вод и т.д. Выдерживают минимальный разрыв между колодцами и домом не менее 3 м.
• Завозится оборудование для бурения, а также техника, необходимая для выполнения ландшафтных работ. Для вертикальной и горизонтальной установки требуется буровой и отбойный молоток. Для сверления грунта под углом используются буровые установки с веерным контуром. Наибольшее применение получила модель, работающая на гусеничном ходу. В полученные скважины укладывают зонды и заполняют зазоры специальными растворами.



Какая глубина скважины должна быть

Глубина рассчитывается исходя из нескольких факторов:

• • Зависимость КПД от глубины скважины – существует такое понятие, как ежегодное снижение теплоотдачи. Если колодец имеет большую глубину, а в некоторых случаях требуется сделать канал до 150 м, каждый год будет происходить уменьшение показателей получаемого тепла, со временем процесс стабилизируется.
    Сделать скважину максимальной глубины не самое лучшее решение. Обычно делают несколько вертикальных каналов, удаленных друг от друга. Расстояние между скважинами 1-1,5 м.
• Расчет глубины бурения скважины под зонды выполняется с учетом следующего: общая площадь придомовой территории, наличие грунтовых вод и артезианских скважин, общая отапливаемая площадь. Так, к примеру, глубина бурения скважин с высокими грунтовыми водами резко сокращается, по сравнению с изготовлением колодцев в песчаной почве.

Создание геотермальных скважин – сложный технический процесс. Все работы, начиная с проектной документации и заканчивая введением теплового насоса в эксплуатацию должны выполнять исключительно специалисты.

Чтобы подсчитать приблизительную стоимость работ используют он-лайн калькуляторы. Программы помогают высчитать объем воды в скважине (влияет на количество необходимого пропиленгликоля) ее глубину и выполнить остальные расчеты.

Чем заполнить скважину

Выбор материалов зачастую полностью ложится на самих хозяев. Подрядная организация может советовать обратить внимание на тип трубы и рекомендовать состав для заполнения скважины, но окончательное решение придется принимать самостоятельно. Какие есть варианты?

• • Трубы, применяемые для скважин – используют пластиковые и металлические контуры. Как показала практика, второй вариант является более приемлемым. Срок эксплуатации металлической трубы не менее 50-70 лет, стенки металла имеют хорошую теплопроводность, что увеличивает эффективность коллектора. Пластик проще монтировать, поэтому строительные организации зачастую предлагают именно его.
• Материал для заполнения зазоров между трубой и грунтом. Тампонирование скважины является обязательным правилом к выполнению. Если не заполнить пространство между трубой и грунтом, со временем происходит усадка, способная повредить целостность контура. Зазоры заполняют любым строительным материалом с хорошей теплопроводимостью и эластичностью, типа Бетонит.
  Заполнение скважины для теплонасоса не должно препятствовать нормальной циркуляции тепла от грунта к коллектору. Работы выполняют медленно, чтобы не оставить пустот.



Что лучше для теплового насоса – земляной коллектор или скважина

Технические характеристики скважины выглядят привлекательней, но проведение работ по бурению грунта невозможно выполнить без специализированного оборудования и техники. Горизонтальный коллектор можно уложить самостоятельно, но забор тепла от земли будет меньше практически в 2 раза.

Применение скважины оправдано еще по той причине, что это не отражается на ландшафтном дизайне. Так, сверху горизонтального контура запрещается сажать деревья с глубокой корневой системой, к вертикальному коллектору подобные требования не предъявляются.

Устройство геотермальной скважины ТН, выполненной с наклонным направлением, вариант практически не имеющий недостатков и лишен всех минусов, присущих остальным вариантам. Размещается всего на 4 м² и обеспечивает максимальную теплоотдачу.

Затраты на бурение окупаются уже через 3-8 лет. Вариант со скважинами полностью оправдан и эффективен, несмотря на то, что потребуются первоначальные вложения средств.

Читайте также:  Как работает простая система отопления