Принцип действия, монтаж, плюсы и минусы геотермального отопления для дома

Перед любым владельцем частного дома всегда встаёт проблема обеспечения дома теплом. На сегодняшний день есть много различных вариантов обеспечения отопления в частном доме. Один из способов ─ это геотермальное отопление. Многие люди, когда слышат это название, думают, что такие системы строят только в местах горячих водных источников и гейзеров. Но это далеко не так. Современные геотермальные тепловые установки успешно работают даже в средней полосе России, где невысокая среднегодовая температура. В этой статье мы поговорим о принципе работы геотермальных установок для отопления дома, их преимуществах и недостатках, а также особенностях использования.

Принцип работы геотермального отопления дома

Принцип работы установки геотермального отопления похож на холодильную установку или систему кондиционирования. В таких установках тепловая энергия отбирается из грунта посредством специального теплового насоса. Принцип работы заключается в следующем. В доме или подсобном помещении устанавливается сам тепловой насос, а в землю опускается теплообменник, через который циркулирует теплоноситель. Подобные системы геотермального отопления могут использоваться не только в частном доме, но и в производственных помещениях.

Температура грунта, где находится теплообменник, обычно составляет 5─7 градусов. Благодаря свойству газов изменять свою температуру при сжатии и расширении такая низкая температура грунта превращается в нагретый теплоноситель, которого вполне хватает для отопления дома. После отдачи тепла в системе отопления, теплоноситель возвращается к первоначальному давлению и остывает ниже температуры грунта. Затем он снова отправляется в теплообменник, где нагревается от грунта. Вышеописанный процесс называют циклом Карно. На этом явлении и основан принцип работы геотермального отопления дома.

Способы реализации геотермального отопления

Существует несколько вариантов реализации геотермального отопления дома. Основные отличия этих вариантов заключаются в расположении внешнего теплообменного контура. При этом внутренний контур во всех случаях используется одинаковый. Два основных способа реализации:

• С вертикальным теплообменником;
• С горизонтальным теплообменником.

Вертикальный теплообменник

На глубине примерно 100 метров от поверхности Земли грунт имеет температуру около 10 градусов круглый год. Для использования этой тепловой энергии, проводится бурение скважин. Чтобы меньше навредить окружающему ландшафту, специалисты часто бурят скважины под разными углами из одной точки. В этих скважинах монтируется внешний контур геотермальной системы. Так обеспечивается эффективный отбор тепла из грунта. Этот способ довольно аккуратный и не сильно портит территорию рядом с домом. Но без специального оборудования его выполнить не получится, поскольку требуется бурение глубоких вертикальных скважин.

Система геотермального отопления с вертикальным теплообменником

Если создаётся вертикальный теплообменник, который будет извлекать тепловую энергию в подземных вод, то делается две скважины. Первая скважина называется дебетовой. В ней с помощью насоса осуществляется забор воды. Это вода отдаёт тепло во внутреннем контуре, а затем сливается во вторую скважину, которая называется приёмной. Среди недостатков подобных систем с двумя скважинами стоит назвать недостаточную эффективность. Здесь большое количество электроэнергии уходит на обеспечение работы циркуляционного насоса. Однако такие геотермальные системы вполне подходят для работы тёплых полов в доме.
Вернуться к содержанию

Горизонтальный теплообменник

Как можно понять из названия, теплообменник в таких геотермальных установках для отопления дома укладывается горизонтально. Перед тем как это делать, нужно точно знать глубину промерзания земли в вашем регионе. Трубки теплообменника укладываются в траншеи, которые находятся ниже уровня промерзания земли. В этом случае требуется большое пространство для укладки теплообменника.

Так, для отопления дома площадью 250 квадратных метров потребуется уложить теплообменник на площади 600 «квадратов». А это целый дачный участок площадью 6 соток. Занимаемая площадь является главным минусом этого варианта. Если перед домом у вас довольно много места в виде лужайки с травой, то такой вариант подойдёт. А если там растут деревья, стоят теплицы и тому подобное, то этот вариант геотермального отопления для вас не подходит.

Система геотермального отопления с горизонтальным теплообменником

Горизонтальный теплообменник в близлежащем водоёме

Это довольно редкий случай. Требуется, чтобы дом находился не более чем в 100 метрах от водоёма. Это может быть естественный или искусственный водоём, но он не должен промерзать до дна в зимнее время. Именно на дне будет уложен горизонтальный контур теплообменника. Площадь водоёма должна быть как минимум 200 «квадратов». Считается, что этот способ организации внешнего теплообменника наименее затратный. Но такое расположение домов встречается нечасто. А если ли это водоём общественный, то укладка в него теплообменника может обернуться проблемами с законом.

Система геотермального отопления с горизонтальным теплообменником в водоёме

Особенности

Стоит сказать о нескольких особенностях геотермальных систем отопления дома.

Отличие, например, от газового или электрического котла заключается в том, что здесь не требуется нагрев теплоносителя до высоких температур. Работа в низкотемпературном режиме обеспечивает меньшие энергетические затраты. Как известно, в системе отопления для компенсации низкой температуры теплоносителя используется увеличение поверхности радиатора. Чтобы этого не делать, рекомендуется использовать тёплые полы. Подобный вид отопления дома будет в этом случае более рациональным, поскольку тепло будет поступать сразу в зону обитания, а не в пространство под потолок помещения.

Кроме того, в актив тёплых полов стоит записать минимум потерь тепла. Величина тепловых потерь в основном зависит от дельты температур. В случае с низким температурным режимом геотермального отопления эти потери минимальны. Вторым существенным преимуществом тёплого пола является то, что происходит непосредственный нагрев самих конструкций дома (в этом случае пола). В случае с радиаторами нагретый воздух лишь немного охватывает остекление окон и часть близлежащей стены.

Преимущества и недостатки

• Практически неисчерпаемый и стабильный источник энергии;
• Производители подобных систем называют такое отопление бесплатным для владельца. Но это не так, поскольку нельзя забывать о затратах на электричество. Тем не менее, это обходится дешевле традиционных систем отопления;
• Геотермальное отопление можно использовать практически в любом регионе, за исключением северных;
• Геотермальные отопительные установки не имеют вредных выбросов;
• Занимают немного места в доме (размером примерно с холодильник);
• Возможна настройка работы установок как на нагрев, так и на охлаждение;
• Если есть необходимость, то геотермальную установку можно интегрировать в систему отопления дома с газовым или электрическим котлом.

• Длительный срок окупаемости;
• Большая сумма первоначальных вложений при покупке и монтаже системы геотермального отопления.

Расходы

Расходы на приобретение оборудования и его установку зависят в основном от мощности и фирмы-производителя. Что касается компании-производителя, то многие здесь руководствуются своими соображениями, а также рекомендациями знакомых. А вот мощность геотермальных установок выбирается в зависимости от площади отапливаемого помещения. В зависимости от мощности геотермальных установок для отопления дома можно обозначить следующий интервал цен:

• 4─5 кВт – от 3 до 7 тысяч $;
• 5─10 кВт – от 4 до 8 $;
• 10─15 кВт – от 5 до 10 $.

Для повышения эффективности геотермальных систем отопления их часто используют в качестве вспомогательных вместе с газовыми и электрическими котлами. А также существуют варианты, когда их строят в комплексе с несколькими теплообменниками. Специалисты говорят, что геотермальное отопление дома выгодно тогда, когда площадь отапливаемого помещения начинается от 150 квадратных метров. Тогда все затраты на покупку и монтаж оборудования окупятся через 8─10 лет.

Геотермальное отопление дома своими руками

Если вы собираетесь осуществить монтаж геотермального отопления дома своими руками, то лучше приобрести все узлы установки в готовом виде. В том числе, и внешний теплообменный контур. В случае монтажа геотермального отопления дома своими руками следует рассматривать исключительно вариант с горизонтальным теплообменником. Его можно укладывать как в грунт, так и в воду. А вот вариант с вертикальным теплообменником самостоятельно сделать вряд ли получится. Ведь в этом случае потребуется буровое оборудование и необходимые навыки в этом направлении.

Сам тепловой насос является довольно компактным оборудованием и не займёт много места в доме. По размерам он практически соответствует традиционным твердотопливным котлам. Самостоятельно можно без проблем подключить внутренний контур к выводам теплового насоса. В принципе, вся система организуется по дому так же, как и в случае с использованием традиционных источников энергии. Основной трудностью при создании геотермального отопления своими руками будет монтаж внешнего контура теплообменника.

Трубы теплообменника укладывается по спирали, и закрепляются в таком положении. От водоёма потребуется прорыть траншею, которая будет использоваться для соединения теплового насоса в доме и внешнего контура. После того как все земляные работы будут закончены, водоём заполняется водой, а контур ─ антифризом.

Если вы устраиваете систему геотермального отопления дома на участке, где нет жилья и сада, то делайте горизонтальный теплообменник, установленный в грунт. На средний дом площадью 100 квадратных метров потребуется 250─300 «квадратов» под теплообменник. Если же у вас участок с домом и садом, то монтаж внешнего теплообменника становится довольно проблематичным. В этом случае можно рыть траншеи, не задевая деревья, и укладывать в них внешний контур. После окончания работ можно будет вернуть грунт на место. Как вы понимаете, этот процесс очень трудоёмкий и займёт много времени.

Как сделать геотермальное отопление дома – принцип работы, варианты устройства своими руками

Последовательность работ

Теплоснабжение за счет подземных источников должно создаваться по строго проработанному алгоритму. Поскольку водяные и воздушные системы применяются ограниченно, большинство практически используемых вариантов подразумевает бурение скважин. И это еще одна причина, по которой не получится все сделать своими руками. Только специальная техника позволяет проникнуть на глубину 20-100 м, где и создаются необходимые условия для отопления. В качестве зондов допускается применение пластмассовых труб, рассчитанных на давление около 6 бар.

Чтобы повысить результативность системы, используют обвязки из 3 или 4 линий, конечные участки которых связываются в виде буквы U. Подогрев по контуру очень важен, благодаря ему исключается растрескивание труб при суровом морозе. Этот подогрев производится через протянутый в центр канала провод, по которому подается ток. Если не удается применить энергетические сваи, приходится использовать горизонтальные приемники. Для них готовится площадка с габаритами от 15х15 м, с нее убирают почву на глубину до 0,5 м.

Вся эта площадь нужна для укладки подобия зондов. Используют часто электротехнические маты либо трубы, обменивающие тепло. Чтобы повысить эффективность работы отопительной системы, применяют раскладку труб по спирали либо в виде «змейки». Нельзя точно сказать, что лучше – готовые комплексы, выпущенные серийно, либо самостоятельная сборка. В первом случае автоматически решается проблема совместимости, зато во втором возрастает гибкость, повышается потенциал модернизации (правда, внимания проектированию надо уделить больше).

Самодеятельные строители могут уйти от типового аккумулятора тепла с заменой его на стяжку из бетона. Геотермальный обогрев в подобной системе позволяет обойтись без значительных рывков температуры. Можно проводить эксперименты с различными теплоносителями, а также монтировать компрессоры с меняющейся производительностью. Рассчитав нагрузки как следует и правильно распределив тепло по потребляющим контурам, можно сделать систему эффективнее на 15-20%. Параллельно расходы на электропитание заметно сокращаются.

Горизонтально размещенные трубы закладываются на глубину 50-300 см. Чтобы площадь магистралей была наименьшей, их делают в виде витков. Но между отдельными двумя магистралями должно быть минимум 200 мм. Любым строительным работам должно предшествовать определение тепловой отдачи грунта. Если она менее 20 Вт на 1 кв. м, никакого смысла в геотермальном контуре нет. Чтобы обеспечить отвод грунтовых вод, дно котлованов покрывают слоем песка. Отлично проявляют себя трубы на основе сшитого полиэтилена.

Как рассчитать мощность ГН?

При максимальной нагрузке система тепловых насосов выдает температуру теплоносителя +65 С. Но это самые высокие параметры, а оптимальными считаются показатели в пределах +45 С…+50 С, этого достаточно для подключения к системам низкотемпературного типа, например, к теплым полам.

Чтобы рассчитать коэффициент мощности и др

характеристики, следует принимать во внимание особенности эксплуатации оборудования:

1. Мощность. Для 1 м2 потребуется тепловая отдача в 0,7 кВт. Для отопления дома размером в 200 м2 нужна установка, производительность которой не ниже 14 кВт.
2. Чтобы рассчитать, сколько труб нужно для геотермального контура, берутся факторы влажности, типа грунта, заглубление уровня промерзания (средний показатель). В среднем для выработки 1 кВт теплоэнергии нужно 40-60 м водяного контура, заглубленного в грунт.
3. Затраты электроэнергии будут выше, если СОР маленький и наоборот – чем выше показатель СОР, тем меньше затраты электричества. Циркуляция теплоносителя осуществляется за счет принудительного перемещения в первичном водяном контуре, а также требуется нагнетание давления фреона в модуле компрессора, поэтому показатели СОР должны быть максимально высокими.

Сомневаясь в выборе того или иного типа установки, необходимо посоветоваться со специалистом. Учитывая приведенные параметры, мастер поможет подобрать оборудование, которое будет отвечать всем требованиям заказчика.

Вертикальные коллекторы для отопления дома от земли

Чаще всего используются именно такие коллекторы – их погружают в землю на глубину в несколько десятков метров. Для этого на незначительном расстоянии от дома бурят нужное количество скважин, в них затем помещают трубы (обычно из сшитого полиэтилена). На такой глубине температура грунта остается высокой и стабильной, соответственно, отопление частного дома теплом земли получается высокоэффективным. При таком варианте для коллекторов не требуется большая площадь.

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.

Устройство и принцип работы типичной геотермальной установки для обогрева загородного дома

В данном случае источником энергии, а следовательно и тепла для постройки, может быть скальная порода, грунт, обычное озеро, сточные воды, теплый воздух на выходе из промышленной вентиляции или геотермальный источник. Последний вариант самый эффективный, хотя и встречается редко. Выбирая среду для забора теплоты, руководствуются одним единственным правилом, ее температура не должна ни при каких условиях опускаться ниже -1°C.

Принцип работы системы

Тепловой насос играет большую роль в геотермальной установке.

Условно геотермальную установку можно разделить на три основных части. Первая – самая большая – это контур для сбора энергии из природного источника. Вторая – самая сложная в плане технического исполнения. Сюда относится тепловой насос. Именно в нем происходит процесс преобразования природной энергии в тепловую для обогрева загородного дома. В свою очередь тепловые насосы бывают: воздушные и геотермальные. И третья часть – непосредственно отопление здания.

Работает оборудование следующим образом:

1. теплоноситель или специальная смесь жидкостей (30% раствор этиленгликоля или спирта) движется по большому контуру, который располагается в природной среде, и набирает температуру окружающей среды. Пройдя всю систему труб, жидкость поступает в тепловой насос;
2. тепловой насос имеет объем среднестатистической стиральной машины. В нем теплоноситель из первичного контура соприкасается с антифризом (легкокипящей жидкостью). Особенность этого вещества заключается в том, что даже при незначительном повышении температуры оно из жидкого состояния переходит в газообразное. Теплоноситель, отдав свою теплоту антифризу, возвращается обратно во внешний контур установки для забора энергии из окружающей среды, а газообразный антифриз движется дальше по системе;
3. газообразный антифриз попадает в компрессор, где происходит его сжатие. Результат – сжатый антифриз повышает свою температуру во много раз (иногда до 65°C). Он соприкасается с вторичным контуром, который и является отоплением здания. Отдав всю свою теплоту теплоносителю из разводки труб системы отопления загородного дома, антифриз проходит через сбрасывающий давление клапан и возвращается в резервуар, куда из окружающей среды вернулся подогретый раствор этиленгликоля.

Солнечные батареи один из способов отопления загородного дома.

В результате своей работы геотермальное отопление может обеспечить теплом дом, площадь которого не превышает 150 м.кв. Когда же обогреть нужно большую площадь, используют дополнительные нагревательные приборы. Но даже в таких случаях геотермальная установка помогает экономить денежные средства и значительно продлевает срок службы основного нагревательного прибора.

Как сделать агрегат своими руками?

Независимо от того, какой вариант ресурса (земля, вода или воздух) выбран для отопления, для корректного функционирования системы понадобится насос. Это устройство состоит из таких элементов, как:

• компрессорный узел (промежуточный элемент комплекса);
• испаритель, передающий низкопотенциальную энергию теплоносителю;
• дроссельный клапан, через который хладагент находит обратную дорогу в испаритель;
• конденсатор, где фреон отдает тепловую энергию и охлаждается до изначальной температуры.

Можно приобрести целостную систему у производителя, но это обойдется в приличную сумму. Когда свободных денег под рукой нет, стоит сделать теплонасос своими руками из имеющихся в распоряжении деталей и в случае надобности докупить недостающие запчасти.

Планируя установку в частном доме геотермальной отопительной системы, в первую очередь нужно позаботиться о снижении уровня теплопотери. Для этого стены необходимо утеплить специальным материалом, двери и оконные рамы снабдить поролоновыми прокладками, а пол и потолок защитить пенопластовыми панелями. Тогда выделенное насосом тепло в максимально объеме останется внутри помещения

Когда решение о собственноручном изготовлении теплового насоса принято, нужно обязательно проверить состояние имеющихся в доме электрической проводки и электросчетчика.

Если эти элементы изношенные и старые, необходимо просмотреть все участки, обнаружить возможные неисправности и устранить их еще до начала работ. Тогда система сразу после запуска будет безупречно работать и не побеспокоит хозяев короткими замыканиями, возгоранием проводки и выбиванием пробок.

Способ #1. Сборка из холодильника

Для сборки теплонасоса своими руками со старого холодильника снимают размещенный сзади змеевик. Эту деталь используют как конденсатор и помещают в высокопрочную емкость, устойчивую к агрессивным температурам. На нее крепят исправно работающий компрессор, а в качестве испарителя используют простую пластиковую бочку.

Если для создания насоса используется очень старый холодильник, лучше заменить в нем фреон на новый. Самостоятельно это сделать не получится, поэтому придется пригласить мастера со специальным оборудованием. Он быстро заменит рабочую жидкость, и система заработает в нужном режиме

Подготовленные элементы соединяют между собой, а потом созданный агрегат посредством полимерных труб подключают к отопительной системе и приступают к эксплуатации оборудования.

Способ #2. Теплонасос из кондиционера

Для того чтобы сделать теплонасос, кондиционер модифицируют и проводят перепланировку некоторых основных узлов. Сначала наружный и внутренний блоки меняют местами.

Испаритель, отвечающий за передачу низкопотенциального тепла, дополнительно не ставят, так как он имеется во внутреннем блоке агрегата, а передающий тепловую энергию конденсатор стоит во внешнем блоке. В качестве теплоносителя подходят как воздух, так и вода.

Если этот вариант монтажа не удобен, конденсатор устанавливают в отдельный резервуар, предназначенный для корректного теплообмена между греющим ресурсом и теплоносителем.

Саму систему снабжают четырехходовым клапаном. Для этой работы обычно приглашают специалиста, имеющего профессиональные навыки и опыт проведения мероприятий такого рода.

Современные сплит системы малоэффективны при низких температурах, поэтому профессионалы не рекомендуют использовать их для самостоятельного изготовления теплонасосов

В третьем варианте кондиционер полностью разбирают на составные детали, а потом из них комплектуют насос по традиционной общепринятой схеме: испаритель, компрессор, конденсатор. Готовый прибор присоединяют к обогревающему дом оборудованию и приступают к использованию.

Горизонтальная установка системы, работающей за счет тепла земли

Горизонтальная укладка внешнего контура используется в районах, где земля ежегодно промерзает на определенную глубину. Трубы размещают ниже этого уровня в траншею, протянувшуюся параллельно земле.

Фото 2. Установка геотермальной отопительной системы по горизонтальному принципу. Для подобной конструкции необходим большой котлован.

Циркулируя по прогретой земле, вода нагревается, поступает в тепловой насос, затем нагревает жидкость во внутреннем контуре. Отдав тепло, жидкость возвращается на новый круг по траншее.

В земле прокапывают траншеи, прокладывают трубы. Закончив с внешним контуром, специалист монтирует насос, затем прокладывает внутренний контур.

Важно! Землю, в которой расположены трубы, лучше засеивать овощами и плодовыми кустарниками. Деревья, при наличии, следует пересадить

Преимущество заключается в вариативности создания системы. Она подходит для осваиваемых участков земли, на которых только завершили строительство дома или загородного коттеджа.

Недостатки заключаются в большом объеме работ по прокладыванию труб; в невозможности использования в холодных районах планеты. Горизонтальное геотермальное отопление ограничивает посадку деревьев на участке.

Можно ли сделать тепловой насос из «подручных» материалов?

Люди, которые разбираются в устройствах различных электроприборов и желают сэкономить на приобретении теплового насоса, могут попытаться сделать их своими руками из различных деталей, которые находятся в свободном доступе.

Несмотря на видимую простоту работ, направленных на формирование прибора, далеко не каждый мастер согласится изготовить воздушный тепловой насос по желанию заказчика.

Перед началом создания прибора следует прочитать много информации, касающейся данной темы и изучить большое количество нормативных источников.

Перед тем как приступить к изготовлению теплового насоса своими руками, следует принять тот факт, что эта затея может и не увенчаться успехом, так как полностью зависит от правильного подбора деталей, материалов и от мастерства специалиста.

Для начала следует приобрести компрессор. Этот прибор может быть как новым, так и бывшим в употреблении (но исправным).

Лучше всего выбирать не поршневую, а спиральную конструкцию, обладающую большим КПД и меньшей генерацией шума.

Если в доступе нет качественного и мощного компрессора, то можно заменить его несколькими менее мощными моделями, работающими по цепному принципу.

Теперь следует перейти к изготовлению медного конденсатора, который должен иметь вид прямой (а лучшее спиралевидной) трубы.

Тонкую медную трубу можно превратить в витую трубу и своими руками, поэтапно накручивая ее на какой-нибудь крупный цилиндрический предмет (в этих целях можно использовать использованный газовый баллон).

Чтобы при создании «змеевика» не деформировать медную трубу, следует проводить эту процедуру медленно и аккуратно.

Чтобы исключить возможные «заминания», следует использовать только те медные трубы, диаметр поперечного сечения которых превышает полтора миллиметра.

Настало время сборки конструкции теплового насоса. Лучше всего размещать все использующиеся приборы в металлическом корпусе, заранее подготовленном.

Компрессор следует расположить в метре от нижней плоскости конструкции, конденсатор – сверху, а испаритель – снизу. Комплекс этих приборов нужно соединить трубками, по которым будет циркулировать фреон.

После этого нужно провести монтаж клапана, отвечающего за терморегуляцию, и заправить прибор фреоном (модификации R22 или R422).

Провести эти процедуры правильно своими руками вряд ли удастся, поэтому для реализации этих процессов следует пригласить специалиста.