Геотермальное отопление: особенности, плюсы и минусы, принцип работы

Принцип, по которому работает геотермальное отопление

Геотермальный насос работает по тому же принципу, что и холодильник или кондиционер. Такое отопление имеет один основной элемент – тепловой насос, который включен в два контура.

Главным элементом геотермального отопления является тепловой насос. Это небольшой агрегат, по размерам не больше стиральной машинки. Он имеет высокую производительность: затрачивая 1 кВт электроэнергии, он способен выдавать до 5 кВт тепла. Если сравнить такой насос с кондиционером, то последний на 1 кВт затраченной электроэнергии выдает всего 1 кВт тепловой энергии.

Принцип работы

В нашей стране данный способ обогрева считается альтернативным, ничего необычного или сверхсложного в нем нет. Ключевым элементом данной отопительной системы является тепловой насос. Работа его основана на замечательной способности некоторых веществ повышать собственную температуру при сжатии. Газ (жидкость, рассол), который является хладагентом, циркулирует по теплообменнику, расположенному в толще земли, воды или на открытом воздухе.

Отбирая некоторую часть тепла от среды, хладагент сжимается компрессором, в результате чего его температура значительно увеличивается.  В таком состоянии вещество-хладагент через другой теплообменник отдает тепловую энергию теплоносителю (антифриз, вода), который циркулирует по внутренней системе отопления (СО) дома. Далее, давление в холодильном контуре теплового насоса нормализуется, температура хладагента падает и цикл повторяется. Не правда ли, принцип работы геотермального отопления дома очень напоминает сплит-систему, эксплуатирующуюся на обогрев?

Что такое геотермальное отопление

Это современная технология обогрева зданий. В качестве источника энергии используется тепло земли. На глубине от 1,5 метров даже зимой сохраняется плюсовая температура. Устройство под названием тепловой насос может забирать энергию из глубин. И передавать ее на поверхность для нагревания водяного котла внутри здания.

Почва вбирает в себя энергию солнечных лучей, сохраняет ее даже зимой. Изнутри ее нагревает обширный слой магмы. Чем глубже шахта, тем горячее почва внутри.

В отличие от газа, торфа, других видов топлива, энергия Земли не может закончиться. Ее хватит для всех жителей планеты.

Технология геотермического отопления применяется для домов любой площади. Перед началом работы инженеры составляют проект. Определяют глубину и число скважин, устройство схемы для обогрева внутри коттеджа.

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.

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.

Как работает геотермальное отопление дома?

Геотермальное отопление дома очень схоже с работой холодильника или кондиционера с функцией обогрева. У них имеется тепловой насос, и в нем скрыт весь секрет. Так вот он применяется сразу для внешнего и внутреннего контура.

Чтобы организовать нужное вам отопление, вам обязательно понадобятся трубы и радиатор. Разберем функции каждого из них. Трубы нужны для того, чтобы вода могла перемещаться в вашем доме. Радиатор понадобится для того, чтобы при нагревании труб радиатор отдавал тепло в помещения. Важно еще и то, что трубы и радиатор нужны для образования контура. Как видите, внутренний контур (радиатор) не отличается большой масштабностью. А вот внешний – как раз наоборот. Он будет находиться под землей, если мы говорим о системе «земля-воздух». В некоторых случаях его можно использовать и под водой (вода-воздух).

Схема работы теплового насоса

Внутри внешнего контура циркулирует вода, а иногда и антифриз. Жидкость (теплоноситель), которая находится в трубах под землей, начинает нагреваться. Далее, она отправляется во внутренний контур, где проходит тепловой насос. После него, подогретая вода течет в трубы, а радиатор переносит это тепло в дом. Ключевым фактором в данном виде отопления считается насос. Но ведь вам нужно еще и установить его куда-то. Если сравнивать его площадь, то она примерно равна стиральной машине. Естественно, что такому насосу обязательно понадобится электричество. Но потребляет он его мало, при том, что вырабатывает в 4-5 раз больше энергии в виде тепла. Теперь посчитайте экономию.

[su_box title=»На заметку» style=»noise»]Самое недорогое оборудование работающее по принципу теплового насоса — системы воздух-воздух — это обычные сплит-системы с функцией обогрева, где в трубках используется газ фреон «сосущий» тепло из воздуха, грубо говоря. Отказавшись от обычных ТЭНовых обогревателей и установив канальную сплит-систему работающую до -15 -20 гр.С, получим экономию электричества примерно в три раза. А если установить геотермальное отопление земля-воздух, то в 4-5 раз, правда его установка обходится значительно дороже, но это быстро окупается.[/su_box]

Конструктивные особенности теплового насоса «земля-вода»

Геотермические системы, созданные с использованием тепловых насосов данного типа, имеют в своей конструкции:

• коллектор или земляной зонд;
• теплообменник, который предназначен для переноса тепловой энергии к внутреннему контуру;
• компрессор;
• теплообменник, обеспечивающий передачу энергии в отопительную систему;
• систему ГВС или отопления, которая расположена внутри дома.

Оборудование функционирует стабильно, вне зависимости от внешних условий. Это обусловлено тем, что тепло извлекается из глубокозалегающих горизонтов грунта, температура которых всегда составляет от 5 до 10 градусов по Цельсию.

Преимущества и недостатки геотермальных систем отопления

Одним из самых весомых преимуществ геотермальных систем отопления хотим выделить его экологическую безопасность для Вашего жилища. Ведь процесс нормальной работы теплового насоса не сопровождается какими-либо вредными выбросами в атмосферу. А отсутствие горючих веществ в топливном насосе при наличии исправной электропроводки фактически сводит на нет угрозу возгорания.

Отсутствие топлива — это и отсутствие расходов на его доставку и хранение.

Низкое потребление электроэнергии при сравнительно высокой теплоотдаче ( с 1 кВт электроэнергии до 5 кВт тепловой энергии) еще один важный (или самый важный) фактор, определяющий выбор геотермальной системы отопления загородного дома.

Автономность геотермальной системы отопления освобождает вас от необходимостьи следить за ней и обслуживать.

Важным функциональным преимуществом геотермальной системы отопления является ее способность работать как кондиционер в жаркую погоду. В таком режиме происходит все наоборот: тепло из помещения прогревает хладагент, который передает его внешнему тепловому коллектору.

Недостатком такой системы является сложность ее монтажа и соответственно высокая стоимость, как монтажных работ, так и самого оборудования.

Геотермальная система отопления является самой дорогой в монтаже и приобретении оборудования.

В этом случае можно сэкономить средства на самостоятельной установке этой системы, но необходимо уделить значительное внимание расчетам и консультациям с «профи».

Монтаж

Существует несколько способов, позволяющих затратить минимум пространства для монтажа тепловых насосов:

1. эксплуатация подземных зондов. Для этого потребуется запустить в глубокую скважину специальный контур, который наполнен антифризом;
2. эксплуатация теплых грунтовых вод. Для этого потребуется пробурить достаточно глубокую скважину. Грунтовые воды прогоняются через теплообменник, предварительно выкачиваясь насосом;
3. прокладка специальных зонтов в горизонтальном положении ниже уровня зимнего оледенения на дне водоема.

Геотермальная энергетика: откуда берется энергия?

Применение геотермальной энергии отталкивается от исходной температуры. Теплоноситель, нагретый естественным образом до +30 – +1000С пригоден для отопления без дополнительной трансформации. Вода, пар высокой температуры применяются для выработки электричества.

Принцип работы термальной электростанции похож на устройство ТЭС. Рабочим элементом в обоих случаях служит нагретый пар. А вот методы нагрева различаются. На теплоэлектростанциях воду в пар превращают, используя для нагрева уголь, мазут или природный газ. Термальные установки и теплоноситель берут уже готовым.

Петротермальная энергетика

Верхние слои почвы прогреваются или промерзают естественным образом под воздействием солнечного тепла или при его отсутствии. Играют роль и другие внешние факторы.

Чуть глубже температура держится на одном уровне независимо от солнечной активности. Это ощущали многие, кто спускался в пещеры или подземелья.

Основную роль начинает играть раскаленное земное ядро. Геотермальная энергетика основана на увеличении температуры Земли по мере погружения внутрь. Температура в среднем увеличивается на 2,5 0С каждые 100 метров. В горнодобывающих шахтах жарко, температура держится в пределах 300С.

В цифрах это выглядит следующим образом:

• на глубине 5 км t=1250C;
• 10 км t=2500C;
• 100 км t=15000C;
• 400 км t=16000C;
• 600 км (ядро земли) t=50000C.

Суть петротермальной энергетики: Чтобы получить тепло из недр земли бурят две скважины. В одну закачивают воду. Под воздействием температуры она испаряется, пар перетекает во вторую скважину, из которой извлекается уже в виде электроэнергии.

При кажущейся простоте геотермальная энергетика остро ставит проблему рентабельности. Сложность заключается в подъеме глубинного тепла на поверхность и использовании отработанной воды.

Гидротермальная энергетика

Иногда проблему добычи геотермальной энергии решает сама природа. Нагретые вода или пар – естественный теплоноситель – выходят на поверхность или залегают на небольшой глубине. При этом их температура хоть не на много, но выше окружающего воздуха.

Это и есть геотермальная энергия. Она пригодна для отопления, но встречается в природе реже чем петротермальная, которая присутствует везде, но добывать ее гораздо труднее.

Ресурсы гидротермальной энергии в 100 раз ниже. Соответственно, 35 и 3500 триллионов тонн топлива.

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.

Вертикальное геоотопление — особенности

Этот тип системы — наиболее популярный. Его оформление также потребует определенных затрат, но при этом требования к количеству необходимой свободной площади намного меньше. Установить теплообменик вертикального расположения вы сможете намного быстрее. Для этого выполните следующие действия:

1. Подготовьте бурильную установку подходящей мощности — для этой цели вполне подойдет переносная техника с небольшими габаритами.
2. Обозначьте те места, которые станут наиболее выгодными для оформления скважины.                                                                                         
3. Если площадь здания меньше 200 м2, при бурении скважины придерживайтесь следующих условий:
   • 1 яма с глубиной 150-200 метров;
   • 3-4 — с высотой до 60 метров.                                Важно! Соотнесите необходимую для бурения глубину, исходя из соотношения выработки энергии и производительности насоса. Общий принцип расчета сводится к следующей пропорции: на 1 метр коллектора приходится 40-50 Вт.
4. При укладке внешнего контура используйте трубы ПНД.

Рабочий принцип

Ученые установили, что глубокие слои грунта даже в зимнее время не охлаждаются ниже плюса пяти градусов. В комбинации с солнечным светом, этого тепла вполне достаточно для обеспечения достаточно высокой температуры внутри помещения.

В почве монтируется комплекс коммуникаций, благодаря которым подземное тепло нагревает теплоноситель, поднимающийся наверх, распространяющийся по трубам и радиаторам, расположенным внутри конструкции.

Если точно рассматривать конструкцию, то в ее составе имеются два контура:

• Первый контур расположен ниже точки промерзания грунта, именно он осуществляет сбор тепловой энергии;
• Второй контур заполнен теплоносителем, будь то специальная жидкость или простая вода, распространяющимся по трубам и радиаторам.

Плюсы

Функционирование подобных отопительных систем осуществляется на качественно новом и необычном топливе – энергия недр земли используется для кондиционирования, а также обогрева частного дома. Эта энергия создает оптимальные и уютные условия для жизни, а также не загрязняет окружающую среду вредными веществами и отходами. Отопление дома осуществляется с помощью бесплатной энергии, на 1 кВт электроэнергии система возвращает 4-5 кВт тепла

Не менее важное достоинство – нет необходимости в приобретении дополнительных вытяжек и дымоходов, которые могут потребоваться для обеспечения бесперебойного функционирования прочих видов отопительных систем. Во время работы отопления от земли не выделяются вредные испарения и запахи, такая система не издает лишнего шума, к тому же не занимает много места. Геотермальные агрегаты, в отличие от твердотопливных и жидкотопливных систем, практически не заметны для людей, они не разрушают целостность фасада и интерьера дома

Не потребуется тратить время на обдумывание таких вопросов, как хранение, доставка и приобретение топлива, поскольку энергия планеты неисчерпаема

Геотермальные агрегаты, в отличие от твердотопливных и жидкотопливных систем, практически не заметны для людей, они не разрушают целостность фасада и интерьера дома. Не потребуется тратить время на обдумывание таких вопросов, как хранение, доставка и приобретение топлива, поскольку энергия планеты неисчерпаема.

Если вам требуется отопление дома теплом земли, то также стоит учесть его финансовую сторону. Сразу же отметим, что процесс монтажа подобной системы потребует больших затрат по сравнению с дизельным и газовым оборудованием.

В противовес этому можно отметить, что уровень потребления электроэнергии значительно меньше, так что в долгосрочной перспективе экономическая целесообразность приобретения именно геотермального оборудования видна невооруженным глазом. По словам разработчиков, с каждого потраченного киловатта электрической энергии будет возвращено до пяти киловатт тепловой энергии.

Распространение геотермальной системы отопления

Отопление с помощью тепла земли стало распространяться еще в конце 80-х годов в городах США, которые особенно тяжело переживали кризис. Сначала такую систему применяли состоятельные люди, которые таким вот образом экономили на отоплении дома, однако скоро система стала дешеветь, и более бедные американцы заинтересовались ею. И вскоре использование тепла земли для отопления стало прерогативой большинства американцев, которые владели частными домами. В европейских странах 20 лет назад статистические данные отмечали, что геотермальные системы отопления использовали примерно 12 миллионов граждан. И в течение всего этого времени до сегодняшних дней эта цифра только возросла.

Тенденции распространения геотермального отопления являются понятными. Ведь отопление за счет энергии земли – это удобно, экономично и безопасно.

Газовая система отопления хоть и является самой популярной, но по этой же причине каждый год запасы природного газа уменьшаются, стоимость на него растет и растет. А применение для обогрева дома твердого топлива – это трудозатратно. Кроме этого, вследствие сжигания дров и угля выделяется вредный углекислый газ, образовывается сажа и смолы. Поэтому геотермальное отопление становится все более распространенным и в России.

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.

Принципы функционирования геотермального отопления

Отопление за счет энергии земли успешно применяется в различных климатических зонах: системы способны работать и в южных, и в северных регионах.

Геотермальная установка в процессе своего функционирования использует такое физическое свойство некоторых жидкостей, как способность испаряться, что приводит к охлаждению поверхности. Именно это явление лежит в основе работы холодильного оборудования.

Принцип работы геотермального отопления представляет собой запущенный в обратную сторону процесс охлаждения. Именно так работают кондиционеры, способные не только охлаждать, но и подогревать воздух в помещении.

Принцип работы теплового насоса

Однако, установки для кондиционирования воздуха имеют ограниченную работоспособность — они не могут функционировать при температуре ниже -5°C. А геотермальная система способна обеспечить обогрев дома независимо от температуры воздуха на поверхности. Это связано с тем, что в той среде, откуда она забирает тепловую энергию, естественным образом поддерживаются стабильные температурные условия.

Рекомендации по монтажу

Сразу оговоримся, что геотермальное отопление, сделанное своими руками – это миф. Работы, связанные с расчетами длины контуров и мощности теплообменной установки, да и разработкой проекта в целом может выполнить только специалист в этой области, имеющий инженерное образование и опыт. Что касается внедрения проекта, то здесь не обойтись без землеройной или бурильной техники, не станете же вы копать котлован вручную. То же касается и монтажа труб, их прокладки в дом и установки оборудования.

Единственное, что вы можете сделать своими руками, — это собрать домашнюю систему отопления. На эту тему можно почерпнуть достаточно информации в других статьях. Мы же дадим несколько общих рекомендаций:

• с компанией – подрядчиком следует заключить официальный договор и оговорить в нем все моменты;
• в силу особенностей работы гелиосистем для обогрева частного дома лучше всего подойдет низкотемпературная схема отопления. К таковым относятся теплые полы и плинтусные водяные конвекторы. Можно поставить и традиционные радиаторы, но об этом намерении надо заблаговременно сообщить специалистам, занимающимся расчетами теплового насоса;
• для подстраховки не помешало бы иметь в доме резервный котел, желательно – энергонезависимый, работающий на дровах или дизельном топливе. Это позволит избежать ситуаций, когда вы можете остаться без отопления посреди зимы в результате какой-либо неисправности системы или аварии;
• с той же целью надо приобрести дизельный или бензиновый генератор электроэнергии. Обычные бесперебойники не подойдут, им не хватит мощности или заряда;

лучше всего, когда теплообменная установка геотермального отопления располагается в подвале или цокольном этаже дома, вместе с другим тепловым оборудованием. Так удобнее и дешевле подводить коммуникации.