Геотермальное отопление что это такое

Существует много различных вариантов обогрева жилища. Внимание людей закономерно сосредоточено на поисках таких способов, которые потребляют меньше всего энергии. Ожесточенные споры вызывает такой прогрессивный способ получения тепла, как использование подземных источников.

Как устроено?

Принцип работы геотермального отопления подразумевает использование тепловых насосов. Они действуют по классическому циклу Карно, беря глубоко внизу холодный теплоноситель и получая взамен нагретый до 50 градусов поток жидкости внутри отопительной системы. Аппаратура работает с коэффициентом полезного действия от 350 до 450% (это не противоречит фундаментальным физическим законам, почему – будет сказано позже). Стандартный тепловой насос обогревает дом или иное здание за счет тепла земли на протяжении 100 тысяч часов (именно таков средний промежуток между профилактическими капитальными ремонтами).

Нагрев до 50 градусов выбран неслучайно. Именно такой показатель по результатам специальных расчетов и при изучении практически реализованных систем был признан наиболее эффективным. Поэтому земляное отопление, использующее поток энергии из недр, в основном дополняется не радиаторами, а теплым полом или воздушным контуром. В среднем, на 1000 Вт энергии, приводящей в работу насос, удается поднять наверх примерно 3500 Вт тепловой энергии. На фоне безудержного роста стоимости теплоносителя в магистральной сети и иных способов отопления это очень приятный показатель.

Геотермическое отопление образовано тремя контурами:

• грунтовым коллектором;
• тепловым насосом;
• собственно, греющим комплексом дома.

Коллектором называется подборка труб, которые дополнили насосом для рециркуляции. Теплоноситель во внешнем контуре имеет температуру от 3 до 7 градусов. И даже такой незначительный внешне разброс позволяет системе эффективно решать поставленные задачи. Для передачи тепла используют либо этиленгликоль в чистом виде, либо его смесь с водой. Полностью водные контуры подземного обогрева встречаются редко.

Причина проста – та вода, которая встречается в достаточно разогретом слое почвы, быстро разъедает оборудование. И даже такую жидкость можно найти далеко не в любом произвольно взятом месте. Выбор конкретного теплоносителя определяется конструктивными решениями инженеров. Насос подбирается в зависимости от устройства остальных частей системы. Поскольку глубина скважины (уровень заложения оборудования) определяется природными условиями, решающие отличия между типами геотермальных систем связаны с устройством коллектора в грунте.

Горизонтальная структура подразумевает расположение коллектора под линией промерзания почвы. В зависимости от конкретной местности это означает углубление на 150-200 см. Такие коллекторы могут оснащаться различными трубами, как медными (с внешним слоем из ПВХ), так и сделанными из металлопластика. Чтобы получить от 7 до 9 кВт тепла, придется уложить не менее 300 кв. м коллектора. Такая методика не позволяет приближаться к деревьям более чем на 150 см, а по окончании монтажа придется благоустраивать территорию.

Вертикально выставленный коллектор подразумевает бурение нескольких скважин, причем обязательно устремленных в разные стороны, и каждую ведут под своим углом. Внутри скважин располагаются геотермальные зонды, тепловая отдача от 1 пог. м достигает примерно 50 Вт. Нетрудно подсчитать, что для идентичного количества тепла (7-9 кВт) придется поставить 150-200 м скважин. Преимущество в этом случае не только в экономии, но и в том, что ландшафтная структура территории не изменяется. Надо будет только выделить небольшой участок для монтажа кессонного блока и для выставления концентрирующего коллектора.

Нагреваемый от воды контур практичен, если можно вывести наружный узел обмена теплом в озеро или пруд на глубину от 200 до 300 см. Но обязательным условием будет расположение водоема в радиусе 0,1 км от отапливаемого строения и площадь водного зеркала минимум 200 кв. м. Существуют также воздушные теплообменники, когда получение тепла внешним контуром происходит из атмосферы. Подобное решение отлично проявляет себя в южных областях страны и не требует никаких земляных работ. Слабости системы – низкий КПД при морозе в 15 градусов и полная остановка, если температура понизится до 20 градусов.

Особенности

Геотермальное отопление дома, загородного в первую очередь, не расходует дорогостоящее и загрязняющее воздух минеральное топливо. Вот уже 7 из 10 новых домов, возводимых в Швеции, отапливаются именно таким образом. В жаркие дни геотермальное оборудование из нагревателя становится средством пассивного кондиционирования. Вопреки распространенному мнению, для работы такой отопительной системы не нужны ни вулканы, ни гейзеры. В самой обычной равнинной местности она действует ничуть не хуже.

Единственным условием оказывается достижение тепловым контуром точки ниже линии промерзания, где температура почвы всегда составляет от 3 до 15 градусов. Сверхвысокий КПД только кажется противоречащим законам природы; тепловой насос насыщен фреоном, который испаряется под действием даже кажущейся людям «ледяной» воды. Пар согревает третий контур. Такая схема представляет собой вывернутый наизнанку холодильник. Потому эффективность насоса относится только к количественному соотношению электрической энергии и тепловых ресурсов. Сама по себе работа привода производится «как полагается», с неотвратимыми потерями энергии.

Достоинства и недостатки

Объективными плюсами геотермального обогрева можно считать:

• превосходный КПД;
• солидный период службы (тепловой насос работает 2-3 десятилетия, а геологические зонды и вовсе до 100 лет);
• стабильность работы практически при любых условиях;
• отсутствие привязки к энергоносителям;
• полная автономность.

Есть одна серьезная проблема, мешающая сделать геотермальное отопление действительно распространенным решением. Это, как показывают отзывы владельцев, высокая цена создаваемой конструкции. Чтобы обогреть обычный дом площадью 200 кв. м (не так уж и редко встречающийся), надо будет строить систему под ключ за 1 млн рублей, до 1/3 этой суммы стоит тепловой насос. Автоматизированные установки очень комфортны, и если все настроено правильно, могут работать годами без вмешательства людей. Все упирается только в наличие свободных средств. Еще одним минусом является зависимость от электропитания насосного узла.

Риск воспламенения геотермальной отопительной системы нулевой. Опасаться занятия ею излишнего места не стоит, в самом доме необходимые части потребуют примерно той же площади, что и рядовая стиральная машина. Более того, высвобождается пространство, которое обычно приходится отводить под запасы топлива. Собственноручно построить необходимые контуры вряд ли получится. Проектирование тоже лучше поручить профессионалам, поскольку малейшая ошибка может привести к неприятным последствиям.

Обустройство

Геотермальный обогрев своими руками пытаются создать достаточно многие люди. Но чтобы такая система работала, должны быть произведены тщательные расчеты, требуется также составление схемы разводки труб. Нельзя приближать скважину к дому больше чем на 2-3 м. Наибольшая допустимая глубина бурения достигает 200 м, однако неплохую эффективность демонстрируют скважины, достигающие и 50 м.

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.

Нужно внимательно рассчитывать действия по регенерации свойств грунта. Только подавая периодически в скважину тепло вместо извлечения его наружу, можно гарантировать стабильную работу системы на многие годы вперед. Как часто это делать и что еще предпринять – подскажут как раз расчеты, производимые опытными проектировщиками. Время окупаемости геотермального обогрева даже при высочайшей эффективности составляет не меньше 10 лет. Так что кроме инженерных моментов, следует внимательно просчитывать и экономику проекта.

Последовательность работ

Теплоснабжение за счет подземных источников должно создаваться по строго проработанному алгоритму. Поскольку водяные и воздушные системы применяются ограниченно, большинство практически используемых вариантов подразумевает бурение скважин. И это еще одна причина, по которой не получится все сделать своими руками. Только специальная техника позволяет проникнуть на глубину 20-100 м, где и создаются необходимые условия для отопления. В качестве зондов допускается применение пластмассовых труб, рассчитанных на давление около 6 бар.

Чтобы повысить результативность системы, используют обвязки из 3 или 4 линий, конечные участки которых связываются в виде буквы U. Подогрев по контуру очень важен, благодаря ему исключается растрескивание труб при суровом морозе. Этот подогрев производится через протянутый в центр канала провод, по которому подается ток. Если не удается применить энергетические сваи, приходится использовать горизонтальные приемники. Для них готовится площадка с габаритами от 15х15 м, с нее убирают почву на глубину до 0,5 м.

Вся эта площадь нужна для укладки подобия зондов. Используют часто электротехнические маты либо трубы, обменивающие тепло. Чтобы повысить эффективность работы отопительной системы, применяют раскладку труб по спирали либо в виде «змейки». Нельзя точно сказать, что лучше – готовые комплексы, выпущенные серийно, либо самостоятельная сборка. В первом случае автоматически решается проблема совместимости, зато во втором возрастает гибкость, повышается потенциал модернизации (правда, внимания проектированию надо уделить больше).

Самодеятельные строители могут уйти от типового аккумулятора тепла с заменой его на стяжку из бетона. Геотермальный обогрев в подобной системе позволяет обойтись без значительных рывков температуры. Можно проводить эксперименты с различными теплоносителями, а также монтировать компрессоры с меняющейся производительностью. Рассчитав нагрузки как следует и правильно распределив тепло по потребляющим контурам, можно сделать систему эффективнее на 15-20%. Параллельно расходы на электропитание заметно сокращаются.

Горизонтально размещенные трубы закладываются на глубину 50-300 см. Чтобы площадь магистралей была наименьшей, их делают в виде витков. Но между отдельными двумя магистралями должно быть минимум 200 мм. Любым строительным работам должно предшествовать определение тепловой отдачи грунта. Если она менее 20 Вт на 1 кв. м, никакого смысла в геотермальном контуре нет. Чтобы обеспечить отвод грунтовых вод, дно котлованов покрывают слоем песка. Отлично проявляют себя трубы на основе сшитого полиэтилена.

Рекомендации по эксплуатации

Наиболее эффективная работа теплового насоса обеспечивается в помещениях, где температура воздуха составляет от 14 градусов тепла. При любой возможности стоит предпочитать вертикальное расположение контуров горизонтальному, потому что оно самое эффективное из всех. Судя по отзывам, в чистом виде геотермальный обогрев нерационален, он прогревает воду слишком долго, потому во многих случаях такая система выполняет сугубо вспомогательную роль. Чтобы добиться высочайшей результативности, следует ориентироваться на максимально допустимую интенсивность вовлечения теплового ресурса и расчетных дебитов скважины.

Если внизу расположены не сухие породы, а горячая вода, это практически оптимальная ситуация. Тогда появляется возможность сэкономить и получить максимальную выгоду. Но надо помнить, что если планируется попутно использовать горячие подземные источники для водоснабжения, вода в них должна соответствовать типовым санитарным требованиям. Когда химический анализ показывает присутствие агрессивных компонентов, целесообразно организовать два автономных контура, жидкость в которых не перемешивается, а происходит только обмен теплом. На стенах закрепляют компрессоры либо от холодильников, либо от кондиционеров.

Если проводка в доме довольно слабая, стоит применить пару компрессоров, чтобы сократить пусковой ток благодаря последовательному включению. При монтаже конденсаторов следует заботиться о движении в них фреона от верхней точки к нижней, а не наоборот. Чтобы коллектор стабильно работал и обогревал помещение, его площадь (для частного дома величиной 100 кв. м) должна составлять 200-250 м2. Горизонтальную схему отопления не стоит использовать, если планируется впоследствии разбить сад или огород. Для комплектования системы можно использовать даже обычный скважинный насос.

О том, что такое геотермальное отопление и как его установить, смотрите в следующем видео.

Что такое геотермальное отопление?

Вследствие нефтяного кризиса, по всему миру, одна за другой, стали появляться геотермальные станции, две из которых расположены на Дальнем Востоке Российской Федерации.

Что представляет собой геотермальное отопление? Настолько ли оно выгодно, и какие плюсы с минусами имеет? Об этом будет рассказано в данном обзоре строительного журнала samastroyka.ru

Что такое геотермальное отопление

Ещё из школы многие помнят, что такое геотермия. Вкратце, данный раздел геофизики изучает тепловое состояние земных недр. К чему это всё? Да к тому, что в основе геотермального отопления, как раз и лежит тепло недр земли, которое люди научились использовать в свою пользу.

Простейшая система геотермального отопления выглядит в виде глубоко уложенных в землю или на дно водоёма труб, по которым всё время перетекает фреон, отбирая тепло из земли или воды, и отдавая его теплообменнику. Полученное тепло используется для нагрева теплоносителя, который подогревает радиаторы отопления и конвекторы в доме.

Именно благодаря тому, что даже зимой температура земли на глубине свыше 20 метров не опускается ниже +10°С, есть возможность использовать геотермальное отопление.

Из чего состоит система геотермального отопления?

Основным элементом системы геотермального отопления является тепловой насос, который потребляя 1 кВт электроэнергии, способен выдавать 3-5 кВт тепловой энергии. Данный параметр геотермального насоса указывается как СОР, и у большинства современных тепловых насосов он приравнивается к значению 5,1.

СОР геотермального насоса, в первую очередь, зависит от температуры подающего теплоносителя и от режима работы. Чем ниже температура теплоносителя, который подается в отопительную систему, тем выше СОР теплового насоса.

Кроме насоса, система геотермального отопления состоит из теплообменника, буфера, насосного оборудования, автоматики (не считая труб). Поэтому устройство геотермального отопления на сегодняшний день обходится достаточно дорого, плюс земляные работы, которые придется осуществлять в любом случае.

Плюсы и минусы геотермального отопления

Пожалуй, геотермальное отопление — это самый чистый вид отопления на сегодняшний день. И если отопление дома ветрогенераторами и солнечными панелями не всегда эффективно в разные периоды года, то с геотермальным отоплением, в данном случае, дела обстоят намного лучше.

Однако самым большим преимуществом геотермального отопления, является дармовая энергия, которая абсолютно бесплатно. Правда, чтобы получить эту самую дармовую энергию, придется изрядно раскошелиться. В целом, стоимость монтажа системы геотермального отопления обойдётся порядка полмиллиона рублей. Однако многие специалисты твердят, что окупаемость геотермальной установки, произойдёт уже за каких-то 5-10 лет после монтажа.

Сегодня, когда плата за централизованное отопление постоянно растет, а в мире назревает следующий по счету нефтяной кризис, геотермальное отопление станет настоящим выходом из него для многих стран. И, пожалуй, лишь единственным здесь недостатком геотермальной системы отопления, является потребление электроэнергии тепловым насосом.

К примеру, чтобы обогреть дом геотермальным отоплением, площадью в 100 м², понадобится около 2 кВт электроэнергии в час. Именно столько будет потреблять тепловой насос, выдавая за 1 кВт электроэнергии — 5 кВт тепла. При этом расчеты на обогрев дома усреднены. Для того чтобы отопить 10 кв., метров жилой площади, нужно приблизительно 1 кВт тепловой энергии.

Вот и получается, что на отопление дома геотермальным отоплением придется платить в месяц свыше 3000 рублей за электроэнергию, что весьма немало. Как вариант, это установка теплового насоса только на теплые полы и другие, низкотемпературные приборы отопления в доме.

Из курса школьной программы мы помним, что геотермия – это тепло Земли. Поэтому прилагательное «геотермальный» ассоциируется, как правило, с гейзерами и вулканами.

Часть природного тепла планеты используется в виде геотермальной энергии. К примеру, в России действует несколько геотермальных электростанций (Верхне-Мутновская, Паужетская, Океанская и другие). Все они располагаются на Дальнем Востоке.

Но геотермальная энергетика в нашей стране считается нетрадиционной, а тепло земного шара – альтернативным источником. Именно поэтому мало кто знает, что низкопотенциальным теплом Земли можно отапливать жилые дома.

Геотермальные отопительные системы начали использовать более тридцати лет назад, в начале 70-х годов ХХ века, когда разразился первый «нефтяной кризис». В настоящее время оно весьма распространено в США, Канаде и странах Западной Европы. Так, в Швеции для отопления многоквартирных жилых домов используется тепло Балтийского моря, а в Германии установка геотермальных отопительных систем осуществляется при финансовой поддержке государства.

У нас же, несмотря на постоянный рост цен на уголь, газ и другие ресурсы, геотермальное отопление – это нонсенс. Из этой статьи вы узнаете, как оно работает, какие виды геотермальных отопительных систем существуют, а также каковы плюсы и минусы их использования.

Как работает геотермальное отопление

Система геотермального отопления состоит из теплового насоса и магистралей. Последние прокладываются под землей (в грунте или скважинах) либо по дну водоемов. Об этом мы поговорим чуть позже, пока рассмотрим подробнее тепловой насос.

Принцип его работа схож с холодильником. Насос, располагающийся в доме, «отбирает» энергию земли и преобразует ее в тепло. Для этого незамерзающий фреон течет по магистралям, набирая тепло земли (воды), затем поступает в испаритель теплообменника, где происходит отбор тепла. Это тепло идет на нагрев воды в батареях. Далее фреон охлаждается. Чтобы цикл повторился, его нужно вновь нагреть до 5-7 градусов. Для этого и нужна тепловая энергия Земли. Даже в самые суровые зимы температура под землей не опускается ниже +4 градусов, а на глубине в 30 метров она составляет +8-10 градусов.

Примечательно, что летом тепловой насос работает наоборот: из под земли в дом поступает прохлада, а тепло идет в ее недра. Именно поэтому работу геотермального насоса часто так же сравнивают с кондиционерами реверсионного типа.

Виды геотермальных отопительных систем

Как уже было сказано, трубы геотермальной отопительной системы могут быть проложены под грунтом, по дну водоема и внутри скважины. В связи с этим выделяют геотермальное отопление с горизонтальным, водоемным и вертикальным контурами.

В первом случае магистрали укладываются в землю на глубину ниже промерзания почвы (она зависит от климатических особенностей региона). При этом требуется достаточно большая площадь. Так, для обогрева помещения в 200 квадратных метров, нужен участок размером 500 квадратных метров.

Второй вариант – магистрали, прокладываемые по дну водоема. Считается, что это самый экономически выгодный способ прокладки геотермального отопления, так как меньше первоначальные вложения и больше эффективность. Но озера и реки глубиной более 2 метров есть далеко не везде.

Третий вид геотермальных отопительных систем, напротив, очень дорогостоящий. Бурение скважин, для которого необходима специальная техника, стоит недешево. А скважину нужно пробурить минимум на 30 метров (в зависимости от рельефа). Зато не требуется много места, а значит, возможно использование геотермального отепления как для уже построенных домов, так и для зданий, расположенных на небольших участках.

Преимущества и недостатки геотермального отопления

Геотермальное отопление – экологически чистое. Использование тепловой энергии земли не загрязняет окружающую среду. Оно абсолютно безопасно для человека. Не выделяется вредных веществ, неприятных запахов. Нет риска пожара, так как не происходит сжигания никакого топлива. Кроме того, тепловые насосы работают почти бесшумно и не требуют практически никакого ухода.

Но главное – геотермальная энергия бесплатна. Средняя стоимость геотермальной системы отопления (с монтажом и всеми наладочными работами) составляет 500-600 тысяч рублей. Специалисты утверждают, что вложения окупаются примерно за 5 лет. Ведь платить за централизованное отопление не нужно. Траты происходят лишь при оплате электроэнергии, от которой работает тепловой насос. И вот здесь таится принципиальный недостаток геотермального отопления, делающий его в нашей стране непозволительной роскошью.

Произведем небольшой расчет (при этом будем использовать средние значения и думать, что отопление происходит в «идеальных условиях», без теплопотерь). Допустим, для обогрева помещения с площадью 10 кв.м нужен 1 кВт отопительной мощности. Тогда, чтобы обогреть дом, площадью в 100 кв.м. потребуется 10 кВт отопительной мощности. Из одного киловатта электроэнергии, потребляемого тепловым насосом, получают до пяти киловатт тепла. Следовательно, для выработки 10 кВт тепла нужно 2 кВт электроэнергии в час. В сутки – 48. В месяц – 1440 кВт. При стоимости одного киловатта электроэнергии 2 рубля 50 копеек, геотермальное отопление будет обходиться в 3600 рублей в месяц. Вот и получается, что бесплатное тепло земли стоит дороже, чем любой традиционный источник энергии.

Тем не менее, геотермальное отопление приобретает все большую популярность. На него перешли многие коттеджные поселки в центральных регионах России. А готовы ли вы отказаться от газа и угля в пользу альтернативной энергетики?