Геотермальная система обогрева: что это и как работает

Существуют разные типы геотермальных тепловых насосов для отопления частных домов. К основным из них можно отнести те, что работают по принципу «земля-воздух», «земля-вода», «вода-вода», «воздух-воздух» и «воздух-вода». Все они экологичны и обладают высоким коэффициентом полезного действия. В европейских странах более половины загородных построек обогреваются именно такими устройствами.

Функциональные разновидности тепловых насосов по источнику энергии

Грунт-вода (известен в народе под названием “рассол-вода” – из-за частого использования в качестве охлаждающей жидкости солевого раствора).

Ограниченные небольшими размерами участки оснащаются грунтовыми зондами, крупные – полноценными габаритными коллекторами. Циркулирующий по внешнему контуру хладагент притягивает на себя тепловую энергию, что содержится в рассеянном состоянии в каждой среде. Нагреваясь, теплообменная жидкость (используется аммиак, фреон или гликолевый раствор) проходит через испаритель (переводящий агрегатное состояние в газообразное), далее в компрессор (сжимающий газ, для повышения рабочих характеристик и теплоемкости). Центральный узел – конденсатор, собирающий грунтовое тепло и передающий его внутреннему контуру (системе отопления, по трубам которой циркулирует вода – она и распределит полученную энергию по периметру доступной области для обогрева целевого объекта). Отдавая тепло, хладагент возвращается в рабочее жидкое состояние и снова течет по трубкам под землю (редукционный клапан не пропустит газ) – начинается следующий цикл, каждый из которых дает, в среднем, 50 Вт за один метр глубины скважины.

Воздух-вода или воздух-воздух

Аналогичный принцип действия, отличается только тем, что вместо зондов, забирающих тепло из грунта, его аккумулируют воздушные компрессоры. Теплообменник передает полученную энергию как в вышеописанном случае системе жидкостного отопления, или непосредственно, во внутреннюю вентиляцию – актуально для снижения расходов на содержание погребов, теплиц и прочих помещений с обязательной регулировкой температуры и влажности.

Аналогичный принцип действия, отличается только тем, что вместо зондов, забирающих тепло из грунта, его аккумулируют воздушные компрессоры

Вода-вода

Нуждается в прямом доступе к грунтовым или поверхностным водам. Первый вариант позволяет добиться большей стабильности (подземные водоемы зимой не замерзают). Крайне эффективный вариант, особенно для обогрева бассейнов – годовая разница температуры воды в скважине составляет 10 – 15 градусов, но в то же время и самый трудоемкий в исполнении – тепловой насос своими руками собрать в такой конфигурации сможет человек, только обладающий навыками и экипированный профессиональными инструментами.

Тепловой насос системы Френнета (фрикционный теплоэлемент)

Конструкция не связана с предыдущими и отличается высоким КПД (впрочем, энтузиасты и реклама чрезмерно завышают это значение). Запатентованная Евгением Френнетом в 1977 году схема проста, надежна и позволяет собрать эффективный тепловой насос своими руками. Есть несколько модификаций с различным размещением и видоизменением рабочих агрегатов (одна версия будет подробно описана ниже), но общий принцип одинаков: цилиндр помещен в другой побольше, промежутки заливаются маслом. С одной стороны малого элемента располагается электромотор, с другой – радиатор, распространяющий тепло по помещению. Нагрев теплоносителя происходит за счет быстрого вращения внутреннего цилиндра подключенного к электроприводу. Способ доказал свою эффективность на практике и успешно применяется не только для обогрева небольших жилых помещений, но и для промышленных нужд.

Принцип действия

Создать теплонасос своими руками не так сложно, как может показаться. Прежде чем приступать к работе по созданию отопительной системы, следует разобраться с особенностями ТП:

  • агрегат этого типа не может самостоятельно производить тепловую энергию, в отличие от отопительного котла;
  • для работы установки необходимо электрическая энергия, которая потребляется блоком управления, компрессором, циркуляционными насосами, а также вентиляторами;
  • в основе работы ТН находится цикл Карно, также применяемый в сплит-системах и кондиционерах.
Читайте также:  Будет ли работать теплый пол без насоса и насколько хорошо

Установка этого типа получила название «насос», так как способна «выкачивать» теплоэнергию из грунта, воды или воздуха. Каждое вещество, если его температура выше отметки в 273 градуса (абсолютный ноль), содержит тепло. Благодаря новейшим технологиям можно изымать теплоэнергию из воздуха при его температуре не ниже -30°С, а также воды и грунта — от 2 °C.

Принцип действия

Рабочая жидкость цикла Карно — фреон. Этот газ закипает при отрицательной температуре. После испарения хладагент в теплообменнике конденсируется, забирая в этот момент теплоэнергию из окружающей среды, а затем доставляет ее в другое место. Принцип действия ТН напоминает схему кондиционера в режиме обогрева:

  • Жидкий фреон проходит по наружному испарителю. Забирая тепло из внешней среды, хладагент закипает и испаряется.
  • Перейдя в газообразное состояние, фреон достигает компрессора, предназначенного для нагнетания определенного показателя давления. В результате возрастает точка кипения жидкости, и она конденсируется при более высоких значениях температуры.
  • Во внутреннем теплообменнике рабочая жидкость теплового насоса вновь переходит в жидкую форму и передает теплоэнергию воде, выполняющей роль теплоносителя.
  • Затем хладагент последовательно попадает в ресивер и дроссель. Показатель давления фреона падает, и начинается новый цикл.

В бытовых ТН и кондиционерах используются различные виды терморегулирующей арматуры, необходимой для снижения давления рабочего вещества установки во время прохождения через испаритель. Если делать своими руками тепловой насос для отопления дома, то в качестве регулятора лучше использовать терморегулирующий вентиль.

Преимущества решения

Итак, геотермический способ характеризуется следующим набором положительных особенностей:

  • Используется неисчерпаемая бесплатная тепловая энергия.
  • Отсутствует риск пожара, детонации, короткого замыкания и прочих опасных явлений.
  • Нет необходимости возводить отдельную постройку для организации котельной, сам агрегат занимает мало места, отсутствует нужда в дополнительных площадях для хранения топлива.
  • Схема идеальна с точки зрения экологической безопасности. В процессе использования отсутствуют продукты сгорания и выбросы, провоцирующие загрязнение воздуха, почвы и водоемов.
  • Система не нуждается в регулярном обслуживании и контроле, корректность параметров поддерживается автоматикой. Экономичность обеспечивается также и этой особенностью.
  • Вариативность. Отопительный контур, находящийся непосредственно в здании, по своей конструкции ничем не отличается от традиционных систем водяного обогрева. Хозяева могут воплотить в жизнь и современную идею теплого пола, и более традиционную радиаторную схему.

Что вы получите

Первое, разумеется, экономию. Стоимость теплового насоса при сборке его своими руками сразу падает до $1000-$1500, а особые умельцы ухитряются обойтись суммой до $500.

Установив оборудование, вы сразу получаете все плюсы, которые дает тепловой насос: экологичность, независимость от внешних источников тепловой энергии, значительную экономию в содержании дома. Правильно рассчитанный и изготовленный тепловой насос обеспечит вас теплом круглый год, а при желании может в жаркое время перенастраиваться и на работу в качестве кондиционера.

Два примера видео сборки теплового насоса своими руками:

Минусы и недостатки системы геотермального отопления

Земные недра – известный с древнейших времен источник тепла. На глубине 6 метров от поверхности грунта начинается область стабильной температуры, которая круглогодично равняется средней годовой температуре атмосферы региона (примерно +15 ⁰С в умеренной климатической зоне). Поговорим про минусы геотермального отопления.

Сегодня тепло Земных недр активно используется для организации геотермального отопления.

Разумеется, несмотря на неиссякаемость тепловой энергии грунта, организация геотермального отопления сопряжена со множественными сложностями, как технического, так и экономического характера.

Минусы и недостатки системы геотермального отопления

С точки зрения финансовой выгоды, установка геотермальной системы уступает традиционному твердотопливному, газовому и электрическому обогреву.

Главные недостатки геотермального отопления

1. Необходимость электрической энергии. Простейшая геотермальная система требует для получения 4 (кВт) тепловой энергии не менее 1 (кВт) электричества.

Читайте также:  Использование котлов длительного горения для отопления дома

Забор тепла от грунта не происходит сам по себе. Для теплообмена обязательно и непременно используется насос. Случись что с электросетью, отопительный контур сразу перестанет обеспечивать объект теплом, так как тепловой насос остановится без электропитания.

2. Низкий уровень теплоотдачи. Традиционная горизонтальная система геотермального отопления, которая уходит под землю на глубину 15-30 метров, обеспечивает лишь 40 (Вт) тепловой энергии с каждого погонного метра подземной магистрали.

Минусы и недостатки системы геотермального отопления

Для получения 4 (кВт) тепловой энергии нужно задействовать не менее 100 (м) трубопроводного контура. Если же планируется отапливать объект общей площадью 250 (м2) (высота потолка 2,5-3 метра), нужно задействовать систему отопления мощностью не менее 27,5 (кВт). Для работы такого оборудования понадобится минимум 688 метров погонных подземного трубопровода.

Это далеко не все недостатки геотермального теплового насоса.

3. Ограниченная сфера применения. Геотермальное отопление возможно установить далеко не на каждом объекте. К примеру, отапливать отдельную квартиру в многоэтажке или какой-нибудь магазин в центральных районах города точно не получится. Разрабатывать грунт на территории густонаселенных жилмассивов вряд ли кто-то разрешит.

Другое дело, если геотермальное отопление организовывается на территории жилищного объекта из частного сектора или для какого-нибудь предприятия на окраине города.

4. Высокая стоимость установки геотермального отопления. Само оборудование для организации геотермального отопления стоит минимум в 10 раз дороже аналогичной по мощности газовой техники.

Минусы и недостатки системы геотермального отопления

Но покупка оборудования является далеко не полной статьей расходов. В сумму установки геотермального отопления нужно дополнительно включить расходы на создание и обустройство подземных коммуникаций. Не нужно забывать и про пусконаладочные работы, а также обслуживание.

Геотермальное отопление обходится очень дорого.

5. Длительная окупаемость. Срок окупаемости среднестатистической геотермальной системы во многом превышает 10-15 лет. Большой срок окупаемости обусловлен высокой стоимостью оборудования и монтажа коммуникаций.

Для сравнения, традиционный бытовой газовый котел мощностью до 12 (кВт) окупается в среднем за 5 лет.

Вывод

Минусы и недостатки системы геотермального отопления

Конечно, минусы данного типа отопления хорошенько компенсируются преимуществами геотермальных систем. Стоит отметить, что геотермальное отопление не наносит вреда экологии. Если вы приверженец “зеленой энергетики” и не сильно ограничены в бюджете, то грех не использовать геотермальную энергию.

Еще одним важным преимуществом геотермальных коммуникаций является неприхотливость к обслуживанию. Так же как и к хорошему холодильнику, к геотермальному насосу можно не подходить для сервиса на протяжении первых 30 лет точно.

Воздухообмен

Так как для нормального функционирования системы принудительный воздухообмен во многих случаях не нужен, на отводы, которые выходят на поверхность, можно установить обыкновенный вентиляционный грибок. Для предотвращения сильных температурных перепадов и улучшения рабочих показателей можно установить самодельный вытяжной вентилятор, а также фильтрующее приспособление. Установка, выполняющая принудительный воздухообмен, также фильтрует воздух. Ее можно сделать своими руками, руководствуясь эффективной и несложной схемой.

Воздухообмен

Обслуживание

Для некоторых геотермальные насосы кажутся чем-то сложным и необычным. Однако такое оборудование – нетребовательное и простое в своем использовании.

Процесс обслуживания заключается в тщательном осмотре системы перед отопительным сезоном. Для предотвращения проблем периодически нужно контролировать работу насоса. Внешний осмотр следует проводить ежемесячно. Делается это для того, чтобы убедиться в целостности кабелей и всей конструкции. Раз в полгода нужно анализировать теплоноситель на плотность и кислотность. При необходимости восстанавливается химический состав.

Горизонтальная система — правила монтажа

Принцип устройства такого геотермального отопления идентичен конструкции теплого пола. Ниже предложенная схема поможет вам понять, как ее оформить и выбрать оптимальный вариант укладки теплообменника.

Горизонтальная система — правила монтажа

Рекомендации к укладке системы отопления горизонтального типа:

  1. Обозначьте территорию для прокладки трубопровода. Для этого выполните простой расчет геотермального отопления: прилегающий участок для размещения элементов цепи теплового накопителя должен в 2,5-3 превышать площадь, занятую самим зданием.
  2. Время проведения работ назначьте до выполнения дизайна ландшафта.
  3. Определите расположение и выройте траншею глубиной до 1,8 метра или ниже, чем показатель глубины промерзания почвы на вашем участке.
  4. Укладку трубопровода по траншее выполните изгибами из ПНД изделий.
  5. Проектируя схему размещения труб, одновременно создайте проект по дальнейшему озеленению, чтобы в процессе монтажа не затронуть нужные участки.
  6. В отношении расстояния между траншеей и зелеными насаждениями, придерживайтесь стандартного требования — не менее 1,5 метра.                                                                                      
Горизонтальная система — правила монтажа

Важно! Особенности горизонтальной конструкции системы обогрева с использованием природного тепла делают ее не столь востребованной. Позволить себе подобное решение могут только те, у кого во владении имеется достаточно масштабный участок.

Горизонтальная система — правила монтажа

Оборудование для обустройства геотермального отопления

Геотермальное оборудование для глубинной отопительной системы позволяет аккумулировать извлеченную из окружающей среды тепловую энергию и передавать ее теплоносителю в отопительном контуре.

Читайте также:  Как сделать обвязку котла на твердом топливе

Список оборудования для обогрева с помощью тепла земли включает

Оборудование для обустройства геотермального отопления
  • Испаритель. Устройство располагают на глубине, и оно служит для поглощения находящейся в геотермальных водах или грунте тепловой энергии.
  • Конденсатор. Позволяет довести температуру антифриза до необходимой для функционирования системы величины.
  • Тепловой насос. Обеспечивает циркуляцию антифриза в контуре нагревания, контролирует работу геотермальной установки.
  • Буферный бак — емкость для сбора нагретого антифриза. Позволяет передавать тепловую энергию земных недр теплоносителю. Бак, через который проходит теплоноситель, оборудован теплообменником в виде змеевика. По нему, отдавая тепло, движется нагретый антифриз.

Схема устройства теплового насоса

Перспектива применения геотермальных тепловых насосов

Поскольку работа теплового насоса для частного дома не сопровождается горением, то эта система абсолютно пожаробезопасна. Высокая экологичность, так как при функционировании системы исключены образование и выброс в атмосферу вредных веществ.

Уровень шума и вибрации не превышает тех, что производит обычный бытовой холодильник. Легкость обслуживания теплового насоса. Эксплуатация теплового насоса не сопряжена с большими расходами и окупается в течение 1,5–2 лет. Долговечность. Тепловой насос способен работать 25–30 лет и более. Несмотря на наличие серьезных плюсов, отопление домов с помощью теплового насоса в нашей стране – явление довольно редкое (для сравнения – в Швеции 70 % домов обогреваются таким способом), что объясняется тем, что первоначальная стоимость оборудования достаточно высокая (порядка 300 000–350 000 рублей), потребуются масштабные земляные работы, которые обойдутся не дешево. Кроме того, есть немало относительно недорогих видов топлива, которые могут быть применены для целей отопления жилых домов.

Тем не менее перспектива применения геотермальной системы вполне оптимистичная, тем более что есть реальная возможность нивелировать затраты.

Практика показывает, что примерно 1 месяц в году насос работает на полную мощность, в остальное время его нагрузка не превышает 70–80 % от максимальной. Поэтому можно купить менее мощный насос, который обеспечит потребности в тепле до конкретного температурного показателя, а когда температура достигнет расчетного значении, следует использовать второй теплогенератор, например, электронагреватель, котел, работающий на каком-либо виде топлива, гелиоколлектор. Но, чтобы рассчитать и правильно подобрать тепловой насос, необходимо привлечь специалиста, хотя сделать приблизительные расчеты можно и самостоятельно.

Для этого надо знать тепловую потребность дома (для старой постройки и некачественной теплоизоляцией составит 75 Вт/м, для нового дома с качественной теплоизоляцией – 50 Вт/м, для низкоэнергетического дома – всего 30 Вт/м) и умножить ее на общую площадь.

Отопление дома с помощью теплового насоса будет полноценным только тогда, когда теплоизоляция постройки обеспечена на высоком уровне, что минимизирует энергопотери.

И последнее замечание: монтировать тепловой насос можно либо перед закладкой фундамента, либо в процессе выполнения строительных работ.

Подробно об отоплении домов тепловыми насосами рассказывается в этом видео :