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.

Альтернативные источники отопления загородного дома: обзор эко систем

Экологичная усадьба: Для хозяина загородного коттеджа или усадьбы вопрос экономии заключается в поиске наиболее дешевых источников для получения тепла. Многие рачительные хозяева предпочитают перейти на альтернативное отопление частного дома, чтобы стать полностью энергонезависимыми.

Владельцы квартир, пользуясь централизованным отоплением, задумываются о том, как установить тепловые счетчики, чтобы экономить в холода. Для хозяина загородного коттеджа или усадьбы вопрос экономии заключается в поиске наиболее дешевых источников для получения тепла. Многие рачительные хозяева предпочитают перейти на альтернативное отопление частного дома, чтобы стать полностью энергонезависимыми.

Отказ от газа, дров и угля

От традиционных источников тепла, многие годы используемых для отопления, можно отказаться. Как это ни удивительно, но вполне реально. Многие ярые противники утверждают о невозможности заменить природные ресурсы экологически чистыми аналогами. Альтернативой становится энергия солнца, сила ветра, тепло, скрытое в недрах земли, отходы производства и жизнедеятельности человека. Такие варианты актуальны в современном мире, учитывая общую загрязненность окружающей среды.

Еще одно существенное преимущество – ощутимая экономия при использовании экологических источников самопроизвольно возобновляемой энергии. На первый взгляд кажется, что это неоправданно дорого и вряд ли окупится. Детальнее разобравшись с особенностями каждого способа, можно увидеть, что эко проект окупается через 4-7 лет, а далее остаются лишь текущие расходы на поддержание используемых механизмов в рабочем состоянии.

Возможность полноценной замены привычного топлива альтернативным доказана не одним реальным примером. Домовладельцы в разных странах мира прибегают к экологическим вариантам отопления. У нас – лишь единицы решаются кардинально сменить привычное топливо, дорожающее с каждым годом.

Основная проблема экотоплива – значительные капиталовложения на начальном этапе. Ведь сначала нужно детально просчитать количество необходимой энергии для определенного дома или коттеджа. Затем выяснить, какой тип эко ресурсов наиболее выгодный в конкретной местности. Далее, предстоит составить план расположения оборудования, генерирующего энергию, купить все необходимое и установить.

Если всеми этими вопросами будут заниматься соответствующие специалисты, то конечная стоимость эко отопления будет очень высокой. Чтобы сэкономить, можно попытаться обойтись своими силами. Для этого предстоит с головой погрузиться в тему альтернативных источников энергии, чтобы отказаться от привлечения посторонней помощи. В этом случае стоимость проекта окажется в разы дешевле.

Именно второй вариант выбирают многие хозяева частных домов. Их практика доказывает, что стать энергонезависимыми вполне реально. Можно полностью или частично заменить традиционное топливо – все зависит от размеров домовладения, финансовых возможностей на начальном этапе, выбранного варианта отопления.

Сильный ветер согреет дом

Весьма успешно в качестве альтернативного источника для отопления загородного дома можно использовать энергию ветра. Этот ресурс невозможно исчерпать. Он имеет свойство возобновляться. Чтобы использовать силу ветра, потребуется специальное приспособление, называемое ветряк.

Принцип использования энергии ветра

Для преобразования силы ветра в альтернативный источник отопления потребуется ветрогенератор. Они бывают вертикальными и горизонтальными в зависимости от оси вращения. Существует много производителей, предлагающих свои модели клиентам.

Стоимость зависит от материала, размера самой установки и мощности. Также, можно соорудить ветряной генератор своими силами, используя подручные материалы.

Любой ветряк состоит из таких составляющих:

• лопастей;
• мачты;
• флюгера, чтобы улавливать направление ветра;
• генератора;
• контроллера;
• аккумуляторных батарей;
• инвертора.

Принцип работы ветроэнергетической установки основан на силе ветра, вращающего лопасти ветряка. Лопасти, закрепленные на мачте, находятся высоко над землей. Чем выше, тем выше производительность. Так, для снабжения одного дома достаточно высоты 25 м.

Вращающиеся лопасти приводят в движение ротор генератора. Он начинает вырабатывать трехфазный переменный ток, требующий дальнейшего изменения. Этот ток поступает к контроллеру, где преобразуется в постоянный. Он используется для зарядки аккумуляторных батарей.

Пройдя через батареи, ток выравнивается и поступает на инвертор, где происходит его преобразование в однофазный переменный ток частотой 50 Гц и напряжением 220 Вольт. Теперь его можно использовать для бытовых нужд, в системе электрического отопления.

Особенности расположения ветряков

Ветряные установки способны работать при определенных условиях. Во-первых, ветрогенератор — довольно объемное сооружение, требующее внушительной площади для устройства. Маленький прибор не способен удовлетворить потребности в энергии. Его высота должна превышать минимум на 10 м окружающие дома, деревья и прочие строения, а линии электропередач и прочие объекты должны находится в 100 м от ветряка. Это требование не всегда выполнимо – не все владельцы частных домов имеют приусадебные участки достаточной площади.

Во-вторых, хорошо, когда рассматриваемая местность обладает хорошим ветропотенциалом – возвышенность или степная зона. Для запуска генератора потребуется скорость ветра от 2 м/с. Многие модели ветряных систем, предназначенные для использования частными домохозяйствами, способны полностью покрыть потребности в электроэнергии.

Так, ветряк мощностью 1,5 кВт может в месяц генерировать, в зависимости от времени года, 100-200 кВт час. Если высоту мачты увеличить, то производительность станет больше в 2 раза. Но это потребует дополнительных затрат на монтаж и расходные материалы. Срок службы ветряных электростанций составляет в среднем 20 лет.

Энергия Земли способна бесплатно обогревать дом

Одной из альтернативных систем отопления является геотермальная. В ее основе лежит использование энергии Земли. Это тепло земли, подземных вод, окружающего воздуха, преобразуемое тепловыми насосами (ТН). Важно, чтобы температура среды, используемая установкой, была выше нуля.

Устройство и принцип работы теплового насоса

Для работы геотермальной системы нужна электроэнергия, используемая на перенос полученного тепла. Тепловой насос, употребляя 1 кВт, выдает от 2-х до 6-ти кВт тепла.

Основной принцип работы ТН состоит в сборе тепла, преобразовании его и дальнейшей передаче в отопительный контур. Это реализуется благодаря устройству самого прибора.

ТН состоит из 3-х замкнутых контуров, задействованных в процессе получения тепла для отопления частного дома:

• внешнего – предназначенного для забора тепла у источников. По контуру циркулирует антифриз или соляной раствор;
• внутреннего – заполненного хладагентом, чаще фреоном;
• отопительного контура, заполненного теплоносителем.

Фреон, заполняющий внутренний контур, нагревается от тепла, пришедшего из внешнего контура. Имея низкую температуру кипения, он превращается в газ в первом теплообменнике – испарителе. Затем поступает в компрессор, где сжимается, в результате чего выделяется много тепла, а температура самого газа многократно повышается – вплоть до 65 градусов.

Далее, газообразный фреон попадает в следующий теплообменник, именуемый конденсатором, где оставляет свое тепло. Фреон, расставшись с большей частью тепла, попадает под давлением на сбросный клапан. Здесь резко падает давление, хладагент охлаждается и, приняв жидкое состояние, снова поступает в испаритель.

Тепло, оставленное фреоном в конденсаторе, нагревает жидкость, циркулирующую в системе отопления домовладения. Если в этой системе предусмотрено устройство теплых полов, то возможно достичь наиболее эффективного обогрева при минимальных затратах.

Целесообразность использования ТН

Тепловые насосы – ТН, забирающие тепло из окружающей среды, бывают разные. Все зависит от типа окружающей среды, используемой в качестве источника забора тепла и типа используемого теплоносителя. Соответственно, выделяют такие виды ТН:

Первые два вида насосов применяют в системах воздушного отопления, а вторые два вида – в системах с жидким теплоносителем.

Самым выгодным с экономической точки зрения будет использование ТН типа «вода-вода». Этот вариант целесообразно использовать, если рядом с домом располагается незамерзающий водоем, в который укладываются трубы для забора тепла. Тепловой насос позволяет получать 30 Вт тепла с 1 м трубопровода. В зависимости от площади частного домовладения и потребностях в энергии потребуется уложить соответствующее количество труб.

Насосы, использующие воздух, не заменят традиционное отопление в регионах с суровым климатом. Что касается тепла, черпаемого из грунта, то это весьма дорогостоящий проект. Используют горизонтальное устройство геотермального поля, вертикальное и кластерное бурение. При горизонтальном варианте предстоит соорудить геотермальное поле на глубину, большую уровня промерзания. Это около 1,5-2 м. Площадь такого поля получается внушительной – от 200 м2.

Для реализации вертикального и кластерного проекта потребуется бурение на значительную глубину с применением бурильных установок. Это весьма дорогостоящая услуга. Оборудование такого вида тепловых насосов целесообразно для владельцев коттеджей, не задумывающихся о стоимости работ. Отопление, использующее тепло из недр земли, способно полностью заменить твердотопливное или газовое.

Геотермальное отопление выгоднее всего использовать в тандеме с устройством водяной «теплый пол». Оно позволяет получить самый оптимальный результат. Из существенных недостатков – большая протяженность трубопровода для сбора тепла, дорогостоящие земляные работы по установке системы, потребность в большой площади для обустройства геотермального поля.

Загородный дом: отопление солнцем

Солнечная энергия, излучаемая светилом круглый год, способна даже в лютые морозы стать альтернативным видом для отопления загородного жилища. Важно научиться правильно ее собирать и использовать в отопительной системе.

Для сбора и преобразования энергии солнца используются солнечные батареи на фотоэлектрических преобразователях и коллекторы, представляющие собой систему трубок, наполненных теплоносителем.

Принципиальное отличие этих преобразователей заключается в том, что батареи вырабатывают ток, который можно использовать при электрическом отоплении загородного дома. Коллекторы же используются в системе водяного и воздушного отопления. Самый эффективный вариант – оборудование в помещениях системы теплых полов.

Мнение о том, что солнце не способно справиться с обогревом дома, справедливо лишь в случае неправильной установки и ошибочных расчетов количества необходимой энергии и тепла. Оптимально подобранная гелиоустановка вполне способна обеспечить автономное отопление. Другой вопрос, что для этого потребуется вложить деньги в покупку оборудования, его монтаж и интегрирование в существующую отопительную систему.

Как устроена и работает гелиосистема

Гелиосистема на фотоэлектрических преобразователях поглощает солнечную энергию, а кремниевые фотоэлементы сразу же превращают ее в постоянный электрический ток. 1 м2установки способен вырабатывать 120 Вт. Помимо панелей, улавливающих солнечное излучение и преобразующих его, для солнечной системы отопления предстоит установить контроллер заряда, преобразователь постоянного тока в переменный и позаботиться о безопасности – поставить предохранители.

Преимущество панелей – возможность подключать аккумуляторные батареи, накапливающие излишки энергии, которую можно использовать в ночное время. Существенный недостаток при использовании гелио батарей – наибольшая их эффективность в южных регионах. В суровом климате экономически нецелесообразно их устанавливать для использования в качестве основного вида отопления.

Солнечные установки, оснащенные системой трубок, больше подходят для регионов с холодными зимами и отрицательной температурой. В зависимости от строения панели и материалов, различают вакуумные коллекторы, плоские и концентраторы. Наиболее дорогостоящие среди них – с вакуумными трубками. Но они самые эффективные в любое время года и любую погоду, ведь умеют поглощать широкий спектр солнечного излучения. Еще одно их преимущество – вакуумные панели успешно функционируют при отрицательной температуре до -35°C.

Принцип работы коллектора заключается в том, что он улавливает солнечное излучение, которое в вакуумных трубках преобразуется в тепло. Далее оно передается теплоносителю, который доставляет его в теплообменный бак. Затем теплоноситель поступает в отопительную систему.

Биотопливо как альтернатива традиционному отоплению

Одним из эффективных и доступных способов обогреть загородный дом служит котел, работающий на биологически чистом топливе. Этот вид альтернативного отопления использует для своей работы отходы производства – шелуха сельскохозяйственных культур, щепа, опилки и другие побочные продукты деревообрабатывающей промышленности.

Из различных отходов делают плотные спрессованные гранулы небольшого размера – пеллеты, которые сжигаются в котлах. По сравнению с обычными дровами такое топливо горит дольше и позволяет получить больше тепла. Также, делают крупные плотные брикеты из различного рода отходов растительного происхождения. Такое спрессованное топливо позволяет получить в 2-4 раза больше тепловой энергии. Его теплотворная способность составляет до 5,0 кВт×ч/кг.

Для газового котла можно использовать биогаз. Его несложно получить в процессе гниения органических отходов. Для этого потребуется соорудить достаточно объемный резервуар, поместить в него отходы, предусмотреть установку для их перемешивания. Под воздействием воздуха и бактерий будет происходить процесс гниения и выделение газа. Предстоит установить трубопровод для сброса отработанного материала. Также, для сбора газа в специальные резервуары, его очистки и перемещения в систему отопления, нужно использовать соответствующие приспособления.

Экологически чистый способ отопления, использующий альтернативный источник получения тепла – водородный котел. В основе его работы лежит реакция взаимодействия молекул водорода с кислородом, в процессе которой выделяется огромное количество тепла. Этот вид отопления требует соблюдения правил эксплуатации и техники безопасности.

Основной недостаток – высокая стоимость фабричного оборудования. Выходом из сложившейся ситуации является оборудование водородной системы отопления своими силами. Для ее работы потребуется постоянное подключение к источникам электроэнергии и воды, водородная горелка, водородный генератор, катализаторы и сам котел. Тепло, полученное в результате химической реакции, поступает в теплообменник, а в качестве отходов – простая вода.

Экономное альтернативное отопление

Проанализировав финансовую составляющую альтернативных видов отопления, можно прийти к неутешительному выводу – потребуются значительные средства на первоначальном этапе. Вот спустя 3-7 лет, в зависимости от выбранного способа отопления, станет заметна существенная экономия благодаря энергонезависимой системе.

Сэкономить на использовании и установке альтернативных установок для выработки тепла можно. Многие домашние мастера с большим энтузиазмом подходят к созданию своими руками аналогов фабричным приборам преобразования альтернативной энергии. Так, достаточно просто и недорого можно собрать гелиоустановку из шланга, которая послужит дополнительным источником нагрева воды.

Успешно собираются в домашних условиях небольшие ветряки из подручных средств. Также, начитанные фермеры, проживающие в сельской местности, сооружают установки по преобразованию биологических отходов растительного и животного происхождения в биогаз.

В дальнейшем он используется для потребностей хозяйства. В зависимости от размера резервуара для сбраживания отходов и площади частного дома, возможно полностью обеспечить хозяйство биогазом для удовлетворения всех нужд.

Видео об альтернативных источниках отопления

Ролик об изготовлении ветрогенератора своими руками:

Видео о комбинировании альтернативных источников для получения электричества в небольшом загородном доме:

Небольшое видео об использовании теплового насоса:

Отказаться от традиционных источников отопления вполне реально. Для этого нужно внимательно подобрать альтернативу или скомбинировать несколько, исходя из особенностей местности, площади своего загородного дома и придомовой территории. Энергия солнца, земли, сила ветра, утилизация бытовых отходов растительного и животного происхождения вполне способны стать достойной заменой газу, углю, дровам и платному электричеству. опубликовано econet.ru

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ: