Геотермальное отопление особенности эксплуатации принцип действия и монтаж своими руками

Варианты расположения теплообменников

Различается геотермальное отопление за счет тепла земли по расположению оборудования. Теплообменник может устанавливаться вертикально и горизонтально. При горизонтальном монтаже выкладка осуществляется в котлован или на дно водоема, укладка в форме змеевика. Вертикальный монтаж теплообменников – это установка оборудования в шахтах или скважинах.

Рассмотрим подробнее оба варианта:

1. Вертикальное размещение требует заглубления на 50-100 метров, где круглогодичная температура грунта не бывает ниже +10 С. Для установки теплообменника пробуриваются скважины, где формируется внешний контур системы. Глубина шурфа может достигать 200 м, параметры скважины будут зависеть от индивидуальных геологических показателей местности. Срок службы системы от 100 лет. Если вертикальное размещение предполагает отбор тепла у воды, то бурятся 2 водоносные скважины, из дебитовой забирается жидкость, которая после отработки в системе отопления сливается во вторую, приемную скважину.
2. При горизонтальном размещении коллектора будет много земляных работ, причем сначала требуется выяснить точку промерзания грунта. Трубопроводы выкладываются ниже точки промерзания, для чего выкапываются траншеи. Площадь обработки грунта для формирования системы велика, например, для дома в 250 м2 нужно задействовать примерно 600 м2 теплообменника, то есть 6 соток.

Расчеты

Основными параметрами, которые учитываются при любых расчетах, являются:

• температура (глубина от 15-20 м и больше прогревается от 8 до 100 градусов в зависимости от создающихся условий);
• значение извлекаемой мощности (средний показатель – 0,05 кВт на 1 м);
• влияние климата, влажности и контакта с грунтовыми водами на теплоотдачу.

Что весьма интересно, полностью сухие породы отдают не более 25 Вт с 1 м, а если есть грунтовые воды, этот показатель вырастает до 100-110 Вт. Нельзя забывать, что стандартным временем работы теплового насоса является 1800 часов за год. Если превысить этот показатель, система не станет более эффективной, зато износ ее стремительно вырастет. Что гораздо хуже, чрезмерная эксплуатация теплового ресурса недр приводит к их остыванию и даже к промерзанию пород на рабочей глубине. Вслед за этим может проседать грунт, иногда повреждаются рабочие трубы и надземные сооружения.

Что такое геотермальное отопление

Работа этой системы основана на обмене тепловой энергией между несколькими теплоносителями.

В качестве примера можно рассмотреть самый распространенный вид подобной установки. Она состоит из трех замкнутых контуров, которые объединяются между собой системой теплообменников:

1. Наружный контур производит забор тепла из внешней среды.
2. Тепловой насос. С его помощью преобразовывается энергия из наружного контура и передается внутреннему.
3. Внутренний контур отопления располагается непосредственно в доме и выполняет функцию обогрева помещений.

Принцип действия геотермальной установки во многом подобен работе обычного кондиционера. Жидкость в наружном контуре имеет температуру выше 6°С, так как была предварительно нагрета от внешнего природного источника тепла. При прохождении через теплообменник насоса она передает большую часть своей энергии хладагенту, у которого температура испарения колеблется в пределах 6-8 °С.

Испаряясь, хладагент поступает в компрессор, где происходит сжатие пара. При этом повышается его температура – до 65-70 °С. И уже с помощью второго теплообменника происходит передача энергии во внутренний контур отопления. Далее охлажденный хладагент проходит через редукционный клапан и стабилизирует свое давление до нормального. И снова поступает в 1-й теплообменник, где процесс повторяется.

Преимуществами этого вида отопительной системы являются:

• Отсутствие расхода какого-либо вида топлива. Необходимо лишь периодически пополнять объем хладагента и энергоносителей. Для работы нужно подключить электропитание.
• Работа в автономном режиме.
• Летом может функционировать в качестве системы охлаждения дома.
• Полностью безопасна для окружающей среды.
• Высокий показатель эффективности. При профессиональном проектировании на 1 кВт затраченной энергии для обеспечения работы установки приходится до 10 кВт тепловой мощности.

Недостатками являются высокая стоимость и относительно большая площадь для расположения наружного контура. Данный вид отопления может применяться только для низкотемпературных систем, где Δt не более 30 °С. Это объясняется максимальной температурой хладагента.

Способы работы системы геотермального отопления

Существует три основных принципа работы системы геотермального отопление:

1. Первый вариант позволяет использовать тепловую энергию глубоких грунтовых вод. Эта вода достигает высоких температур, а тепловой насос, который поднимает её на поверхность, ещё и нагревает. После этого вода проходит через теплообменник, где отдаёт основное количество своей энергии.
2. Следующий способ требует дополнительных затрат. В глубину грунта, которая достигает семидесяти пяти метров и более, спускают резервуар с антифризом. Он нагревается там и поднимается с помощью теплового насоса к теплообменнику. После того, как энергия отдаётся теплообменнику, антифриз спускается обратно в резервуар шахты.
3. Третий принцип не нуждается в установке грунтовой шахты. Он подходит для обогрева зданий, которые имеют выход к водоёмам. В таком случае от теплообменника по дну водоёма устанавливаются горизонтальные зонды, которые поглощают и трансформируют тепло воды на дне.

Преимущества геотермального отопления

Схема геотермального отопления имеет ряд весомых положительных характеристик. Доказано, что выделение энергии в разы превышают расходы на электричество для работы насоса.

Принцип действия геотермального отопления. Нажмите для увеличения.

К тому же уровень экологической безопасности такого проекта значительно выше всех иных теплосистем. Такое отопление не производит выбросов, которые так негативно влияют на окружающую среду.

Для работы этой системы не нужно топливо или дополнительные химические вещества, что делает её абсолютно безопасной и для хозяев самого дома, и для водоёма, если он используется. В работе этой отопительной системы исключён риск взрыва или возгорания.

Если установка геотермальной системы будет выполнена правильно, то она прослужит без технической поддержки минимум тридцать лет, чего не скажешь о каких-либо других отопительных приборах.

Обычно такую систему нагрева используют в частных домах те, у кого установлены «тёплые» полы.

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:

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.

Тенденции распространения системы

Широкое использование геотермального оборудования началось в конце восьмидесятых в американских городах, которых особо подверглись кризису.

Поначалу её использовали состоятельные граждане, которые пытались таким образом сэкономить на теплообеспечении дома, но в скором времени установка стала значительно дешевле и ее стоимость смогли позволить американцы беднее.

Через некоторое время на эту систему обогрева перешло преимущественное количество американцев, которые проживают в частных домах.

Эти тенденции вполне понятны, ведь геотермальные установки гораздо безопасней, удобней и экономичней, что явно видно спустя некоторое время.

Геотермальное отопление набирает пользуется спросом у населенияТенденция использования геотермального отопления приобретает массовый характер. Нажмите для увеличения.

Самая распространённая система обогрева – газовая – с каждым годом всё дорожает, ведь запасы топлива уменьшаются и уменьшаются.

Использование торфа, угля или дров приносит слишком много мороки.

Хранение и использование таких аналогов – дело весьма затратное.

К тому же сжигание дров или углей приводит к выделению вредного углекислого газа, и образованию смол и сажи.

Именно поэтому геотермальное отопление дома, установить которое своими руками сможет каждый хозяин, набирает популярность на рынке, развивается.

Создаются университеты, направление которых в том, чтобы улучшить эту систему, разработать наиболее простую и функциональную геотермальную установку, рассчитать, где и на каких глубинах лучше бурить скважину.

Способы залегания внешнего контура

Насколько правильно и качественно размещен под землей теплообменник, настолько эффективно он будет работать. Трубы внешнего контура могут располагаться несколькими способами:

• горизонтально под землей;
• вертикально под землей;
• под водой.

Горизонтальный тип предполагает размещение труб на небольшой равномерной глубине

Важно, чтобы она была больше, чем глубина промерзания грунта в конкретной местности

Для монтажа это самый простой способ, однако в таком случае придётся задействовать обширную территорию – больше, чем отапливаемая площадь. Для дома около 200 кв. м нужен теплообменник порядка 500 кв. м. Хозяйственные и другие постройки, а также растительность на участке создают дополнительные трудности. Например, трубы не должны располагаться к деревьям ближе, чем на 1,5 м.

Вертикальное размещение труб

Для вертикального теплообменника требуется бурильная установка: трубу нужно разместить вертикально под землей. Это удорожает монтаж, поскольку необходимо делать шахту глубиной от 50 до 200 м и дополнительно ставить скважинный насос. Зато ландшафт придомового участка остаётся нетронутым, и система более долговечна. Внешний контур такой системы, как правило, монтируется из полиэтиленовых труб. 1 метр способен выработать 40-50 Вт. Если мощность теплового насоса 10 кВт, то глубина скважины должна составить 160-200 м.

Отопление с водоразмещенным теплообменником – наиболее экономичное в процессе монтажа. Актуально, если расстояние от дома до водоёма не более 100 м, а сам пруд достаточно велик (не меньше 200 кв. м). Контур следует уложить спиралью на дно (не глубже 3 м). Преимущество этой системы – не нужно бурить и копать, недостаток – не у каждого есть собственный водоём, а для использования вод общественного назначения нужно брать специальное разрешение.

Самостоятельная организация геотермального отопления

Как уже упоминалось ранее, подобная система является наиболее доступной, а значит, каждый владелец дома может воспользоваться энергоресурсами земли. При этом организация геотермального отопления не потребует значительных вложений или человеческих ресурсов. Монтаж системы своими руками довольно прост. В данном случае главное – выполнить правильные расчеты.

Естественно, установка оборудования и самих тепловых насосов зависит от выбранного типа теплообменника.

• Проще всего выполнить монтаж при условии. что дом расположен возле водоема. В таком случае достаточно нанять нескольких помощников и спецтехнику, чтобы проложить трубу на дне. После этого останется лишь подключить тепловой насос, после чего в доме станет тепло.
• Если вы отдали предпочтение горизонтальному теплообменнику. то придется перекопать участок. Впоследствии здесь не удастся организовать сад или огород.
• Наиболее сложной считается установка вертикального теплообменника. Выполнение такой работы стоит доверить специалистам, имеющим соответствующий опыт и профессиональное бурильное оборудование.

Помимо укладки труб, необходимо обратить внимание на монтаж самого теплового насоса. Подобный прибор должен быть правильно установлен, иначе система окажется неэффективной

Геотермальное отопление стало использоваться совсем недавно. Благодаря ему удается получить дешевую энергию с минимумом расходов. Чтобы такой альтернативный вариант оказался эффективным, необходимо учесть все требования, а также правильно установить тепловой насос.

Реальные преимущества и недостатки

Если в России геотермальное отопление частного сектора получило сравнительно малое распространение, значит ли это, что идея не стоит затрат на её воплощение? Может быть, и заниматься этим вопросом не стоит? Оказалось, что это не так.

Использование системы геотермального отопления жилища – решение выгодное. И тому есть несколько причин. В их числе и быстрая установка оборудования, которое способно длительное время работать без каких-либо перебоев. Если использовать в отопительной системе не воду, а качественный антифриз, она не будет промерзать и её износ будет минимальным.

Перечислим и прочие преимущества этого вида отопления.

• Исключается процедура сжигания топлива. Мы создаём абсолютно пожаробезопасную систему, которая, в процессе своей эксплуатации, не сможет нанести жилью никакого ущерба. Кроме того, исключается ряд других моментов, связанных с присутствием топлива: теперь не нужно искать место для его хранения, заниматься его заготовкой или доставкой.
• Акустический комфорт. Тепловой насос работает практически бесшумно.
• Существенная экономическая выгода. В процессе эксплуатации системы не потребуется никаких дополнительных вложений. Ежегодный обогрев обеспечивают силы природы, которые мы не покупаем. Конечно, при функционировании теплового насоса затрачивается электрическая энергия, но при этом объём производимой энергии существенно превышает размеры потребления.
• Экологический фактор. Геотермальное отопление частного загородного дома – это экологически безопасное решение. Отсутствие процесса горения исключает поступление в атмосферу продуктов сгорания. Если это осознают многие, и такая система теплоснабжения получит должное повсеместное распространение, негативное влияние людей на природу многократно уменьшится.
• Компактность системы. Вам не придется организовывать в своём доме обособленное помещение котельной. Всё, что будет необходимо – это тепловой насос, который можно разместить, например, в подвале. Наиболее объёмный контур системы будет располагаться под землей или под водой, на поверхности вашего участка вы его не увидите.
• Многофункциональность. Система может работать как на отопление в холодное время года, так и на охлаждение в период летней жары. То есть, по сути, она заменит вам не только обогреватель, но и кондиционер.

Выбор геотермальной системы отопления экономически выгоден, несмотря на то, что придется потратиться на покупку и установку оборудования. Кстати, в качестве недостатка системы упоминают именно затраты, на которые придется пойти, чтобы установить систему и подготовить её к работе. Нужно будет купить сам насос и некоторые материалы, выполнить работы по монтажу наружного и внутреннего контуров коллектора.

Не секрет, что ресурсы дорожают год от года, поэтому автономная система отопления, которая способна окупиться в течение нескольких лет, всегда будет экономически выгодна для её владельца

Впрочем, эти расходы окупаются всего за несколько первых лет эксплуатации. Последующее использование коллектора позволяет сэкономить значительные средства. К тому же сам процесс монтажа не настолько сложен, чтобы приглашать для его выполнения сторонних специалистов. Если не заниматься бурением, то всё остальное можно сделать самостоятельно.

Виды геотермального теплоснабжения дома

Схема геотермального отопления

Перед тем как делать геотермальное отопление загородного дома своими руками следует провести ряд предварительных мероприятий. Прежде всего — найти оптимальный способ расположения труб первичного контура.

Главным условием при этом является температура среды, где будут расположены магистрали. Она не должна быть ниже +7°С. На практике для этого выполняют монтаж трубопроводов в грунт. В некоторых случаях в качестве основной среды может выступать водоем или река. Однако отзывы о геотермальном отоплении дома такого типа зачастую говорят о низкой эффективности в зимний период.

Для правильной организации альтернативного теплоснабжения необходимо выполнить следующие действия:

Рассчитать оптимальную мощность. Если геотермальное отопление частного дома будет в качестве основного – его номинальная мощность должна обеспечить нагрев воздуха во всем здании.

Провести анализ состава грунта и глубину его промерзания. От этого зависит выбор схемы расположения труб первичного контура.

Определить месторасположение теплового насоса. Для минимизации тепловых потерь геотермальные системы отопления своими руками обустраиваются в отдельном помещении – подвале или хозяйственной постройке

Важно, чтобы температура в нем была не ниже +14°С.

Несоблюдение этих простых правил может привести к неправильной работе системы

Нередко отзывы владельцев геотермального отопления указывают на важность первичного анализа и подбор правильного оборудования

Для обеспечения бесперебойной работы системы необходима установка автономного источника электропитания – генератора.

С горизонтальным размещением

Наименее трудоемкий способ установки труб первичного контура является горизонтальным. Они располагаются на глубине от 0,5 до 3 м. Для уменьшения площади магистрали располагаются витками. Но при этом расстояние до каждой должно быть не менее 20 см.

До того как сделать геотермальное отопление — проводится первичный анализ состояния грунта. Сначала определяется его теплоотдача. Она может составлять от 20 до Вт/м². Исходя из этого рассчитывается общая протяженность первичного контура.

Кроме этого следует выполнить такие действия:

• Проверка уровня промерзания почвы. Глубина залегания труб должна быть ниже этого показателя;
• Грунтовые воды. Для их естественного удаления в период больших паводков на дно котлована засыпается песчаный слой;
• Выбор материала изготовления трубопроводов. Он должен быть достаточного гибок и механически надежен. Для геотермального отопления в Европе чаще всего используют трубы из сшитого полиэтилена.

Если важным является вопрос, сколько стоит геотермальная система отопления – то горизонтальное расположение поможет существенно снизить текущие затраты на монтаж системы. При установке нескольких первичных контуров необходим монтаж входного и выходного коллекторов.

С вертикальными трубопроводами

Вертикальная схема работы

Учитывая основные принципы работы геотермального отопления дома во время проектирования необходимо добиться максимального нагрева теплоносителя от земли. Это можно сделать только при установке вертикальных магистралей.

Для организации геотермального отопления загородного дома своими руками вертикального типа необходимо сделать скважины, глубиной от 30 до 100 м. В них помещаются трубопроводы первичного контура.

Такая схема более трудоемка, чем вертикальная, но имеет ряд преимуществ:

• Большая глубина залегания магистралей. В этом случае теплоотдача окружающей среды повышается на 25-30% — до 70 Вт/м²;
• Небольшая площадь для монтажа;
• Практически отсутствует зависимость от промерзания грунта.

Кроме этого способа нередко применяют основные принципы работы геотермального отопления для горячего водоснабжения в летний период. Для этого первичный контур помещают в воду — озеро или реку.

Перед бурением скважин необходимо сделать анализ почвы и определить оптимальную глубину. Состав почвы напрямую скажется на трудоемкости процесса.

Геотермальная система отопления: варианты реализации

Сегодня существует сразу несколько способов получить и использовать энергию земли. Причем их основные различия заключаются только в месте нахождения внешнего теплообменного контура. Внутренний теплообменный контур во всех случаях применяется одинаковый. Так, есть два основных способа реализации этой идеи:

• теплообменник устанавливается вертикально;
• теплообменник устанавливается горизонтально.

Кроме того, весьма популярен и вариант, когда теплообменник просто помещают в находящийся неподалеку водоем. Все эти способы мы и рассмотрим далее более подробно.

Вертикальный вариант

На глубине около ста метров под поверхностью земли температура грунта постоянная, и составляет она примерно плюс десять градусов. Но для того чтобы использовать такую тепловую энергию, придется бурить скважину. А так как вредить окружающему ландшафту нежелательно, специалисты обычно бурят скважины из одной точки, но под разными углами к поверхности. В таких скважинах и монтируется внешний контур для геотермического обогрева. Последний обеспечивается эффективный отбор тепла из земли. Как правило, этот способ довольно аккуратный, и, как уже было сказано выше, практически не портит ландшафт рядом с частным домом.

Однако, так как при этом требуется бурить действительно глубокие скважины без специального оборудования тут не обойтись. А значит, и геотермальное отопление своими руками сделать, точно не получиться. Кроме того, такой способ реализации геотермального проекта востребован, если дом уже построен, и территория вокруг него также обустроена.

В зависимости от конкретной ситуации глубина скважин может составлять 70-200 метров; последняя зависит как от геотермальной обстановки, так и от геологической ситуации в месте бурения. Как правило, специалисты гарантируют срок работы таких установок до ста лет, однако в действительности может потребоваться замена отдельных узлов уже спустя 20-30 лет активной эксплуатации.

При вертикальной схеме расположения теплообменника, и извлечении энергии из подземных вод, делается 2 шахты. Первая скважина в этом случае называется дебетовой; она необходима для того, чтобы производить забор воды. Последняя поставляет тепло во внутренний контур, а затем сливается во вторую шахту, называемую приемной. Однако главный недостаток такой системы – это небольшая эффективность; ведь значительное количество электроэнергии просто уходит на поддержание циркуляции при помощи насоса для отопления дома. Но такие геотермические системы все же подходят для создания теплых полов в частном доме.

Вертикальный вариант геотермального отопления

Геотермия с использованием горизонтальной схемы

В этом случае теплообменник, как ясно из названия, укладывается горизонтально. Однако перед тем, как остановиться на данной схеме, следует поинтересоваться глубиной промерзания грунта в вашей местности. Само собой, что трубы теплообменника надо закапывать на глубину, ниже точки промерзания земли. Пространство, под систему, естественно, потребуется гораздо большее, чем в случае с вертикальной схемой.

Для сравнения, если у вас загородный дом, площадью в двести пятьдесят квадратных метров, то теплообменник потребуется площадью в шестьсот метров квадратных; и это, пожалуй, главный минус таких систем. Но если у вас на участке перед домом места вполне достаточно, то почему бы эту схему и не использовать. А вот если уже разбит сад, то придется выбрать что-то одно.

При установке горизонтальной системы, предстоит сделать большой объем земляных работ. И потому к такому варианту прибегают, когда еще только идет строительство, и на участке ничего не посажено и не возведено. Более того, хорошо, когда проект участка, дома и отопления делается одновременно, и все в себя включает.

Отопительная система с теплообменником в водоеме

Иногда, хотя и довольно редко, горизонтальный теплообменник помещают в водоем – естественный либо искусственный. Правда, последний точно не должен в зиму промерзать до самого дна; ведь именно на дне водоема и размещается контур. Для того чтобы организовать такую схему отопления, площадь водоема должна быть, как минимум, двести квадратных метров. Между прочим, такой способ считается наименее затратным, ведь не приходится ничего бурить. Однако далеко не все частные дома строятся на берегу водоемов соответствующих размеров. Кроме того, если этот водоем еще и общественный, то какие-либо действия с ним, должны производиться только в рамках закона, что так же далеко не всегда возможно.