Геотермальное отопление и принцип работы геотермального насоса

Земля поглощает около половины суммарной энергии, получаемой от Солнца, в результате в ее недрах, чуть ниже поверхности, сохраняется постоянная температура круглый год. Однако над поверхностью Земли температура воздуха сильно меняется со сменой сезонов от лета к зиме, и люди вынуждены искать источники обогрева и охлаждения для того, чтобы сделать свою жизнь более комфортной.

Устройство геотермальной системы

Геотермальная отопительная система состоит из следующих элементов:

  • Наружный контур: теплообменный механизм, расположенный под землей или водой, используемый для получения естественного тепла окружающей среды.
  • Тепловой насос: обеспечивает преобразование естественного тепла низкого потенциала, полученного от наружного контура, в высокопотенциальное тепло, передающееся на внутренний контур.
  • Внутренний контур: трубы и радиаторы, отвечающие непосредственно за обогрев помещений.

Важно: на 1 кВт⋅ч электроэнергии, затраченной на функционирование геотермальной системы, образуются 4 кВт⋅ч тепловой энергии, расходуемой на обогрев.

Геотермальные насосы

Геотермальные насосы используются уже больше 30 лет. В Швеции около 70% тепловой энергии синтезируется именно такими насосами, а в Стокгольме для организации отопления квартир используют тепло Балтийского моря. В Германии и Англии установка жителями геотермальных систем отопления дотируется государством. В США законом провозглашено обязательное использование таких насосов в тех зданиях, содержание которых осуществляется из бюджета государства.

Появление нового оборудования позволяет открыть доступ к применению энергетического потенциала земли. Для обеспечения автономного энергообеспечения все чаще применяют не только геотермальные насосы, но и ветряные генераторы, солнечные батареи.

Следующим немаловажным аспектом, говорящим в пользу геотермального отопления, является экологическая чистота используемой энергии. Добываемая из тепла земли энергия не загрязняет атмосферу, не содержит углекислого газа. Такая энергия может добываться в любом необходимом количестве. Помимо этого, для добычи не нужен резервуар. Удобно и то, что установка, предназначенная для добычи этой энергии, не нуждается в постоянном сервисе и отличается довольно низкими эксплуатационными расходами.

Грунтом аккумулируется около 98% всей излучаемой солнечной энергии. В связи с этим даже в зимний период в земле есть достаточно тепло, которое способно обогреть здания. Из окружающей среды получается 80% требуемой для подогрева воды и обогрева дома энергии. Геотермальная энергия есть повсеместно и в неограниченном количестве. Эта энергия бесплатна. Затраты на отопление присутствуют лишь потому, что необходимо оплачивать электроэнергию, за счет которой работает тепловой насос. Геотермальная энергия может использоваться и для отопления помещений, и для их кондиционирования, и для подогрева воды.

При геотермальном отоплении из одного киловатта электроэнергии получают от трех до пяти киловатт тепла. Чтобы обеспечить частный дом тепловой энергией требуется тепловой насос и скважина.

Преимущества и недостатки

Геотермальное отопление чаще используется в промышленных масштабах. Так, на Дальнем Востоке функционируют электростанции, что работают от тепла недр Земли.

Геоотопление отлично подойдёт для загородного или частного дома. Это хорошая альтернатива традиционным методам обогрева. К числу преимуществ такой системы можно отнести следующие нюансы:

  • неисчерпаемость энергии;
  • пожаробезопасность;
  • отсутствие топлива как такового — нет надобности доставлять и хранить его;
  • экологическая безопасность.

Для отопления дома средних размеров потребуется 300−400 Вт электроэнергии. Что касается цены, то это работа одной лампочки на 300 Вт, но при этом обогревается весь дом и присутствует горячая вода.

Читайте также:  Гостиная с камином: обустройство дома и квартиры со вкусом (44 фото)

Главный минус такого отопления — высокая цена обустройство системы. В среднем потребуется около 10 тыс. евро. Половина этой стоимости — цена оборудования, а вторая — плата за монтаж. Но если знать, как работает отопление от земли, можно самостоятельно установить систему обогрева. Это довольно трудоёмкий процесс, поэтому мало кто решается делать геотермальное отопление дома своими руками.

Схематично геотермальное устройство состоит из трех контуров:

  1. Принимающий низкопотенциальное тепло от источника.
  2. Для циркуляции фреона, меняющего агрегатное состояние.
  3. Водяной, передающий тепло от установки к радиаторам.

Именно фреон в процессе работы принимает тепловую энергию от источника, когда испаряется. И наоборот он отдает ее при конденсации. Если рассматривать работу теплонасоса по циклам, суть принципа действия заключается в следующем:

  1. Хладогент, находящийся в системе в виде жидкости, в испарителе испаряется. Тепло от источника поглощается в результате этого процесса.
  2. Компрессор нагнетает фреон, который сжимаясь, снова переходит в жидкое состояние. При этом накопленная энергия передается теплообменнику.
  3. Вода в отопительном контуре, проходя через теплообменник, нагревается и циркулирует по системе. Доходя до батарей, она отдает тепло в комнату.

При этом достигается большой перепад температуры. Такая схема теплового насоса предполагает, что хладогент охлаждается до 6-10 градусов Цельсия, а к теплообменнику подается уже при +60. Но это находясь под давлением. После отдачи тепла оно сбрасывается (стабилизируется) при помощи дроссельного клапана, и циклы повторяются. Кто знаком с работой холодильной установки заметил, что принцип передачи энергии в данном случае идентичен, хотя цели абсолютно противоположные.

Если в холодильнике решается задача понижения температуры в камерах, где хранятся продукты, то отопление тепловым насосом – это возможность поднять температуру в помещении без сжигания электричества или твердых энергоносителей, газа и т.д.

Расчет стоимости отопления Стоимость ремонта систем отопления Стоимость монтажа водоснабженияПредыдущая запись Главные недостатки геотермального отопленияСледующая запись Разновидности тепловых насосов и систем

Типы [ править | править код]

а) замкнутого типа

  • горизонтальные

Коллектор размещается кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (обычно от 1,2 м и более)[1]. Такой способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур.

  • вертикальные

Коллектор размещается вертикально в скважины глубиной до 200 м[2]. Этот способ применяется в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет разместить контур горизонтально или существует угроза повреждения ландшафта.

  • водные

Коллектор размещается извилисто либо кольцами в водоёме (озере, пруду, реке) ниже глубины промерзания. Это наиболее дешёвый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объёму воды в водоёме для конкретного региона.

  • спиральные

Спиральный коллектор изготовлен из трубы диаметром 25 мм. Расстояние между спиралями составляет 2 метра. Укладывается в траншею 1.5 метра глубиной.

Спиральный коллектор является комбинацией между вертикальными скважинами и горизонтальным коллектором. Применяется там, где в силу геологических причин бурение очень дорогое (например, залегание гранитной плиты). Расчет делается исходя из 100 Ватт холодильной мощности тепловой насоса с 1 метра спирали на базе трубы 25 мм при шаге намотки до 200 мм. Дороже чем вариант горизонтального коллектора, так как требует предварительного изготовления спиралей более тонкой трубы (обычно 25 мм) высотой от 2 до 3 метров. Также возникает необходимость сборных колодцев, так как из-за уменьшения диаметра увеличивается общая длинна трубы в системе. [3]

  • С непосредственным теплообменом (DX — сокр. от англ. direct exchange — «прямой обмен»)

В отличие от предыдущих типов, хладагент компрессором теплового насоса подаётся по медным трубкам, расположенным:

  • Вертикально в скважинах длиной 30 м и диаметром 80 мм
  • Под углом в скважинах длиной 15 м и диаметром 80 мм
  • Горизонтально в грунте ниже глубины промерзания
Читайте также:  Выбираем какой обогреватель для квартиры экономичнее и лучше

Циркуляция хладагента компрессором теплового насоса и теплообмен фреона напрямую через стенку медной трубы с более высокими показателями теплопроводности обеспечивает высокую эффективность и надёжность геотермальной отопительной системы. Также использование такой технологии позволяет уменьшить общую длину бурения скважин, уменьшая таким образом стоимость установки DX Direct Exchange Heatpump

б) открытого типа Подобная система использует в качестве теплообменной жидкости воду, циркулирующую непосредственно через систему геотермального теплового насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе возвращается в землю. Этот вариант возможно реализовать на практике лишь при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии, что такой способ использования грунтовых вод не запрещён законодательством.

Несколько дополнений о работе

Геотермальное отопление дома требует немалых подготовительных и установочных работ, а также немалых затрат, которые, конечно, со временем в разы окупятся. На начальном этапе работы делается шахта. Ее длина, ширина, высота, а также прочие параметры индивидуальны в зависимости от площади отапливаемой территории и некоторых других факторов, например, на параметры раскопок очень влияет климат местности, в которой вы живете, тип почвы, трудность процесса, а также профессиональные качества бригады, которая будет заниматься установкой. Второй шаг самый ответственный. В землю надо поместить специализированные трубы, которые и будут аккумулировать тепло земли и направлять ее на отопление вашего дома. Роль труб основная, в них и заключается весь принцип: трубы будут подавать тепло в насос, который обеспечивает отопительную жидкость теплом. Обратите внимание, что если вы решили заняться данным делом самостоятельно, то вам обязательно понадобится помощник, так как конструкции могут иметь очень большую массу – в одиночку вы просто не справитесь.

Виды систем

На первом этапе обустройства комплекса необходимо определиться с его типом. В зависимости от способа размещения наружного контура различают две основные схемы.

Вертикальная

Предполагает бурение на придомовом участке глубоких скважин (50-200 м). Потребление энергии может происходить от земли, которая на этом расстоянии от поверхности имеет стабильную температуру независимо от сезона (10-12 С), или от грунтовых вод. В первом случае необходимо выкопать несколько каналов, чтобы тепла было достаточно для обогрева здания. Во втором – бурят две скважины: из одной (дебетовой) берут воду для нагрева теплоносителя, в другую (приёмную) сливают остывший ресурс. Вертикальное геотермальное отопление проблематично сделать своими руками для частного дома, так как раскопка грунта на столь значительную глубину с последующим укреплением канала – неподъёмная задача для самостоятельной реализации.

Такой способ монтажа актуален, когда приусадебный участок застроен, засажен деревьями, реорганизовать его сложно и затратно. Примерный чертёж системы отопления этого типа представлен на рисунке 1.

Рис.1

Горизонтальная

Эта схема предполагает прокладку сети труб на обширной площади ниже уровня промерзания грунта (1,5-2 м). Её организация чаще всего выполняется на стадии строительства дома и обустройства приусадебного участка, когда на нём ещё нет построек, садов, огородов. При этом важно учитывать, что создавать значительную поверхностную нагрузку на установленную под землёй систему не рекомендуется, также не стоит засаживать эти площади деревьями, корни которых могут повредить трубы. Выращивание травянистых растений вполне допустимо. Горизонтальное термальное отопление дома можно обустроить своими руками, так как оно не требует чрезмерных трудозатрат.

Читайте также:  Газовые котлы АОГВ: обзор, отзывы, неисправности

Ещё один вариант его организации – забор энергии для обогрева из поверхностного источника: озера, пруда, ставка. Важно, чтобы он полностью не промерзал зимой. Если водоём не находится в собственности владельца дома, необходимо получить соответствующее разрешение на установку в нём коммуникаций. Чертёж такого комплекса представлен на рисунке 2.

Рис.2

Окончательное решение

При принятии окончательного решения стоит учитывать, что геотермальная система отопления своими руками имеет огромный потенциал, и в перспективе может стать одной из самых востребованных и рациональных систем обогрева домов. Термальные и грунтовые тепловые насосы являются отличной альтернативой другим источникам энергии. Несмотря на то, что монтаж системы изначально обойдется дороже, значительные первоначальные затраты окупятся с течением времени и позволят на протяжении долгих лет пользоваться недорогим и эффективным отоплением, которое дает энергия земли для отопления дома или квартиры.

Другие варианты систем отопления

На сегодняшний день существует много разных систем отопления, но наиболее широкое применение приобрела система отопления с применением жидкого теплоносителя. В сравнении с другими системами она обладает самой высокой эффективностью, практичностью и безопасностью. Принцип её работы заключается в том, что теплогенератор (котел) нагревает воду или незамерзающую жидкость (антифриз), которая по трубам поступает в отопительные приборы (радиаторы, конвекторы), нагревая их, которые в свою очередь греют воздух помещения, и возвращается к месту своего нагрева.

По типу энергоносителя теплогенераторы делятся на 4 группы:

Газовые. Самый распространенный и относительно недорогой вариант. Для газового отопления требуется наличие магистрального газопровода или установка газгольдеров. Достоинства: экономичность и высокая степень автоматизации.

Жидкотопливные. Отопление на жидком дизельном топливе – более дорогой способ.

Электрические. Удобно, но не дешево, обогревать помещения жилища с помощью электрокотла.

Твердотопливные. С котлом, работающим на дровах или других твердых горючих материалах, – много хлопот: нужно регулярно загружать топливо и очищать топочную камеру от золы.

Устройство геотермальной отопительной системы

Геотермия (наука о тепловом состоянии Земли) сделала возможным практическое применение тепловой энергии, которую земная кора получает от раскаленной магмы в центре планеты.

Специально разработанный тепловой насос для отопления дома устанавливается на поверхности, а в грунте или на дне водоема монтируется теплообменник. Тепловая энергия «выкачивается» на поверхность и позволяет нагреть теплоноситель в контуре отопления дома или объекта нежилого назначения.

Как происходит процесс обогрева

Геотермальное отопление частного дома — экономически эффективный вариант. Если использовать энергию земли для отопления дома, то на каждый киловатт электроэнергии, необходимой для работы оборудования, приходится от 4 до 6 кВт полезной тепловой энергии, полученной из недр планеты.

В сравнении с функционированием кондиционера увидим, что при его эксплуатации на получение 1 кВт тепловой энергии требуется затратить более 1кВт электроэнергии. Это связано с неизбежными потерями на преобразование одной энергии в другую и т.д.

Отапливать жилой дом за счёт тепловой энергии земных недр очень выгодно, но период окупаемости оборудования и затрат на монтаж займет определенное время.

Использование тепла земли для отопления дома не требует установки традиционного котла для нагрева теплоносителя.

В данном случае система состоит из трех составляющих

Устройство геотермальной отопительной системы
  • контур нагревания — геотермальный источник тепловой энергии;
  • отопительный контур внутри дома — низкотемпературный радиаторный либо напольный;
  • насосная станция — тепловой насос для перекачивания в отопительный контур тепловой энергии из контура нагревания в толще грунта или под водой.

Геотермальная система отопления может применяться также для обогрева теплиц, вспомогательных построек, воды в бассейне, садовых дорожек и т.д.