Геотермальное отопление: принцип работы, варианты, эффективность

Правильно обустроенное геотермальное отопление поможет снизить затраты на обогрев дома в два-три раза. Идея эта не нова, хотя более-менее массовое ее внедрение началось лишь в конце 20 века. Причин для этого было много, но главные — существенное подорожание основных энергоносителей и увеличение интереса к экологически чистым источникам энергии.

Геотермальное отопление

Преимущества и недостатки геотермального отопления

Принцип работы геотермального отопления заключается в относительно экологически чистом способе накопления тепла, рассеянного в грунтовых массах. Верхний слой грунта в зимнее время промерзает от 50 см до 2-3 м, в зависимости от региона и географической широты местности.

Все, что глубже, в целом имеет температуру в пределах 7-12оС. На первый взгляд, немного, но этого вполне достаточно для отопления частного дома в относительно теплые зимы со средней температурой за сезон от +3оС до -3оС.

Как работает геотермальная система:

  1. В системе используется тепловой насос, это мощный фреоновый компрессор врезанный в контур с двумя теплообменниками.
  2. В процессе работы компрессор сжимает фреон до 10-15 Бар, в одном теплообменнике сжатый газ отдает тепло и переходит в жидкое состояние, во втором — испаряется и сильно охлаждается до низкой температуры.
  3. Для подогрева жидкого фреона используется тосол, циркулирующий в через трубы уложенные в землю на большой глубине. Пройдя по трубам, теплоноситель нагревается и передает тепло жидкому фреону.

Система достаточно простая и широко используется для геотермального отопления частных домов в странах, где есть горячие источники либо грунт изначально нагрет до температуры 12-15оС.

Недостатки геотермального отопления

Во-первых, системы обогрева с отбором тепла требуют существенных капиталовложений на приобретение и установку оборудования. При этом нельзя просто купить и установить систему геотермального отопления, ее эффективность зависит от многих факторов, таких как плотность грунта, его влажность, наличие подземных водоносных слоев.

Поэтому участок, планируемый под геотермальное отопление дома, требует дополнительной оценки специалистами. В ряде случаев гигаджоуль тепла, полученного от сжигания угля или дров, получается дешевле, чем полученный от геотермальной системы.

Во-вторых, геотермальное отопление нельзя назвать полностью экологичным. На первый взгляд, трубы теплового контура, уложенные в грунт, никакого вреда окружающей среде нанести не могут. Они всего лишь отбирают геотермальное тепло, накопленное грунтовыми массами.

недостатки геотермального отопления

На самом деле ситуация гораздо сложнее. В трубы контура закачивают специальный раствор или в некоторых случаях газ при низкой температуре. Грунт охлаждается вплоть до замерзания. В результате работы геотермальной системы отопления в грунтовых массах на участке скапливается огромное количество балластной влаги. Она не испаряется, ее нельзя использовать в качестве питьевой или технической. Жидкость просто превращает почву в болото.

Альтернативным решением может быть бурение водяных колодцев (скважин), но в этом случае себестоимость геотермального отопления и соответственно окупаемость системы резко увеличиваются.

Преимущества

Эффективность геотермального отопления во многом зависит от удачного или неудачного расположения земельного участка. Еще совсем недавно покупка небольшого дома рядом со старым заболоченным прудом, недалеко от поймы реки считалась неудачным приобретением. Но именно наличие на участке водоема или его расположение на склоне с солнечной стороны идеально подходит для геотермального отопления, так как существенно повышает качество источника тепла.

Еще один весомый плюс — принцип работы основан на использовании грунтового тепла, ресурс которого практически неисчерпаем. То есть отбирать геотермальную энергию в больших количествах не получится, но то количество, которое требуется для отопления здания, можно будет использовать каждый год. Проблемы могут возникнуть лишь в случае изменения климата, если зимы станут более морозными, а отопительный сезон растянется не на 3-4 месяца, а на полгода.

Это интересно для вас! Как геотермальный тепловой насос используется для отопления дома.

Виды источников геотермального отопления

В качестве источника тепла может использоваться любой грунт, расположенный ниже глубины промерзания не меньше чем на 1,2-1,5 м. Чем выше теплопроводность грунтовых масс, тем лучше теплоотдача в систему геотермального отопления.

Сухой песчаный

Для сравнения можно посмотреть энергоотдачу тепла в контур разными видами грунта:

  1. Сухой песчаный с большим количеством корней отдает максимум 25-30 Вт/м2 поверхности участка.
  2. Насыпной материал после двух-трех лет усадки примерно соответствует характеристикам субстрата на грядках до 55 Вт/м2.
  3. Смесь глины, суглинков с каменистыми включениями до 80 Вт/м2.
  4. Влажный грунт, независимо от его структуры, может выдать до 120 Вт/м2, в пойме реки, рядом с озером или незамерзающим ключом показатель может увеличиться до 140 Вт/м2.

Это теория, на практике же первые 4-5 лет работы геотермального отопления сбор тепла с участка не превышает 80 Вт/м2. Если удастся уложить трубы контура на дно большого незамерзающего пруда или реки, то есть возможность увеличить теплоотдачу в геотермальную систему до 160 Вт/м2.

Второй источник тепла — это грунтовые воды. Для отбора геотермальной энергии бурят скважины-колодцы, в которые и укладываются трубы внешнего теплообменника.

Варианты расположения теплообменника

Уложить трубы можно несколькими способами. Если ошибиться в выборе схемы укладки труб, КПД геотермального отопления может резко снизиться. Поэтому исследование структуры грунта на участке продолжается на всех этапах строительства. Площадь участка может достигать от 10 до 100 сотых гектара, в зависимости от требуемой мощности отопления. Структура грунта может существенно отличаться даже в пределах одного участка.

Существует несколько схем укладки труб теплообменника. Первичный или внешний теплообменник собирается из пластиковых труб диаметром 30-50 мм, разделенных на несколько ветвей. Причем общая длина может достигать нескольких сотен метров.

Внутри циркуляционным насосом прокачивается очень холодный теплоноситель, его температура гораздо ниже, чем у грунтовых масс. Благодаря этому можно «собирать» геотермальное тепло у более «горячей» почвы, хотя ее естественная температура часто не превышает 9-12оС. Разница между теплоносителем, циркулирующим в трубе, и почвой невелика, поэтому теплообменник приходится делать очень большим и длинным.

Сухой песчаный отопление

Малейшая ошибка в выборе характеристик геотермальной системы отопления приведет к обледенению наружной поверхности труб теплообменника, как результат, отдача тепла от грунта в теплоноситель резко снизится.

Поэтому конкретный проект запускают в работу лишь после предварительных расчетов и пробной (экспериментальной) проверки реального уровня теплоотдачи геотермальной энергии.

Вертикальное размещение

Самый сложный и дорогостоящий вариант. Но одновременно самый надежный, так как в этом случае трубы располагаются вертикально в шахте глубиной от 40 м до 150 м. Таких скважин на участке может быть до десятка, но общая площадь территории, отведенной под геотермальное отопление, получается в несколько раз меньше.

Вертикальное размещение отопления

В каждой скважине закладывается несколько пар труб, одна из них входящая (холодная), вторая подъемная, с уже разогретым теплоносителем. Количество пар определяют по средней температуре воды, заполняющей ствол скважины. Чаще всего диаметр шахты 25-30 см, что позволяет установить до 5 пар труб. Чем больше количество пар труб, тем надежнее и эффективнее работает геотермальное отопление, хотя такое решение приводит к удорожанию строительства.

У вертикального теплообменника есть несколько важных преимуществ:

  1. Грунтовые слои, залегающие на большой глубине, всегда имеют стабильную температуру 9-10оС, поэтому система геотермального отопления работает примерно на одном уровне тепловой мощности.
  2. Конструкция получается более надежной, если будет повреждена одна из труб, можно просто заглушить ее до окончания отопительного сезона, тогда как остальная часть геотермального теплообменника продолжит работать.
  3. Нет эффекта обводнения участка грунтовыми водами.

Но вертикальный теплообменник удается построить не на каждом участке. Бурение скважин на территориях, под которыми расположены водоносные пласты, категорически запрещено. Но даже если геологоразведка не покажет наличие горизонта питьевой воды, сделать скважины своими руками будет сложно. По закону бурение может производиться только компанией, имеющей соответствующую лицензию и буровое оборудование. В результате стоимость проекта геотермального отопления возрастает.

вертикальный теплообменник

Если на участке есть грунтовые воды, но не питьевого значения (соленые), то систему геотермального отопления шахтного типа можно сделать своими руками. Только вместо скважин придется на участке выкопать (или пробить) несколько колодцев глубиной до 15 м с заглушенным кессоном. На это не требуется лицензия.

вертикальный теплообменник установка

Горизонтальное расположение

Более простой и дешевый вариант. Примерно 85% всех проектов геотермального отопления строится с горизонтальным теплообменником. Суть его в том, что трубы укладываются не в шахту, а на дно котлована. Размеры теплообменника могут быть очень большими, но в целом затраты на его оборудование получаются гораздо меньше, чем для вертикальной шахтной схемы.

Горизонтальное расположение отопления

Геотермальное отопление с горизонтальным теплообменником хорошо работает в песчано-глинистых грунтах. Идеальное место для такого проекта — у подножия большого холма с солнечной стороны, обязательно рядом с крупным водоемом (озером или прудом).

Большая часть грунтовой влаги будет хорошо прогреваться и по подземным каналам стекать в водоем. Именно эта часть участка в зимнее время будет накапливать наибольшее количество геотермальной энергии.

Как работает

Система геотермального отопления может показаться достаточно сложным устройством. Часто такое мнение можно услышать от коммерческих организаций, занимающихся установкой систем обогрева на основе грунтового тепла. Сложностью объясняют также довольно большую стоимость установки и настройки.

Система геотермального отопления

На самом деле никаких хитрых приборов и оборудования в геотермальном отоплении нет. Простейшая конструкция состоит преимущественно из нескольких теплообменников, внешнего контура, компрессора и трех насосов, один из которых прокачивает жидкий теплоноситель через внешний теплообменник. Еще два насоса используются для перекачивания горячей воды через трубы и радиаторы отопления внутри дома.

Наиболее сложным участком считается блок с компрессором, баллоном с фреоном и теплообменником высокого давления.

Схема работы геотермального отопления

Сердце системы обогрева — тепловой насос, точнее, фреоновый или пропановый компрессор. Примерно такой, как используется в морозильных камерах и холодильниках, но большей мощности. В некоторых моделях геотермального отопления используется более безопасный углекислый газ.

Система геотермального отопления состоит из двух частей: первичного и вторичного контура.

Первичный контур — это, по сути, тепловой насос, он смонтирован внутри дома. Эта часть состоит из компрессора, теплообменника высокого давления, погруженного в бак с водой, двойного теплообменника низкого давления. Кроме того, в системе установлен баллон со сжатым фреоном (изобутаном) и редуктором давления.

Работает система следующим образом:

  1. После включения системы геотермального отопления запускается компрессор, который забирает фреон или изобутан из баллона через редуктор, сжимает газ до 5-10 бар и закачивает его в теплообменник высокого давления.
  2. Газообразный фреон (изобутан) при сжатии нагревается до температуры 70-80оС.
  3. Теплообменник высокого давления с горячим газом погружен в бак с водой, поэтому все тепло, выделяющееся при сжатии, через стенки передается жидкости.
  4. Далее горячая вода самотеком или с помощью насоса циркулирует по трубам и радиаторам обычной системы водяного отопления.

По мере того, как фреон или изобутан, закачанный компрессором в теплообменник, отдает тепло, он переходит в жидкое состояние, поэтому его стравливают через тонкую дроссельную трубку в накопительную полость двойного теплообменника. При этом газ сильно расширяется и охлаждается до низкой температуры -12-15оС.

Чтобы вернуть газ в исходное состояние, его нужно подогреть до температуры хотя бы +7оС. Для этого через вторую часть двойного теплообменника циркуляционным насосом прокачивают теплоноситель, который до этого прошел по трубам внешнего контура, зарытого в грунт на глубине не менее 2,5 м. Там он нагревается до 10-12оС. Для того чтобы исключить пульсации в потоке теплоносителя, во внешний контур может дополнительно устанавливаться балластная емкость (бочка).

Какой теплоноситель лучше

В качестве теплоносителя можно использовать автомобильный тосол или обычный солевой раствор воды.

В некоторых проектах геотермального отопления применяются так называемые безопасные теплоносители. Они, в отличие от тосола или насыщенного раствора соли, в случае повреждения трубы не нанесут ущерба окружающей среде. Тогда как диэтиленгликоль или этиленгликоль (тосол) могут стать причиной отравления, если утечка из системы геотермального отопления произойдет рядом с грядками или колодцем с питьевой водой.

Тосол обладает вдвое большей теплоемкостью, чем вода. Соответственно, при движении по трубам собирает удвоенное количество геотермального тепла. Размеры контура в грунте можно сделать меньше. Кроме того, использование тосола заметно повышает ресурс циркуляционного насоса. Но тосол стоит недешево, в трубу диаметром 30 мм и длиной 500 м поместится до 200 л жидкости. Кроме того, у него большой коэффициент теплового расширения.

Если делать систему геотермального отопления своими руками, то можно залить солевой раствор, но только хлорида кальция, а не поваренной соли. Правда, систему придется промывать от выпавшего осадка каждый сезон.

Как сделать своими руками — инструкция

Прежде чем начинать стройку, нужно сделать ориентировочные расчеты по основным характеристикам будущей системы геотермального отопления. Собрать своими руками геотермальную систему отопления можно из готовых компонентов: труб, теплового насоса и водяного контура обогрева дома. Это позволит сэкономить до 15% от стоимости стандартного проекта геотермального отопления под ключ. Можно купить отдельно тепловой насос, а остальные детали изготовить самостоятельно.

системы геотермального отопления

Стоит насос очень дорого, поэтому чаще систему геотермального отопления либо делают полностью своими руками (получается дешевле в 2-3 раза), либо заказывают установку под ключ.

Можно попробовать сделать геотермальное отопление полностью своими руками, это не так сложно, как может показаться с первого взгляда.

Теплотехнические расчеты

Допустим, у нас есть жилой дом общей площадью 30 м2 с уже готовым водяным контуром, с батареями отопления. По существующим нормативам для обеспечения нормальной температуры в зимний период расход энергии в электрическом эквиваленте должен составлять не менее 100 Вт/м2. Значит, мощность нагревателя должна быть не менее трех киловатт.

Современные модели тепловых насосов промышленного изготовления способны перекачивать тепло с коэффициентом 1:3. Это значит, что тепловой насос, условно потребляющий 1000 Вт электроэнергии, перекачивает в помещение тепло равным 3000 Вт в электрическом эквиваленте. Но при условии, что температура тосола во внешнем контуре (в грунте) на выходе составляет не менее 10-12оС.

Для самодельного теплового насоса коэффициент передачи в лучшем случае составит 1:2. Это значит, для геотермального отопления жилья площадью 30 м2 потребуется компрессор мощностью не менее 1200-1500 Вт. А перекачать он должен тепловой энергии не менее 3000 Вт*ч или 10,5 МДж.

Теперь нужно определить характеристики и размеры наружного теплообменника (длину и диаметр труб, уложенных в грунт). Для упрощения примем, что на входе в трубу внешнего теплообменника температура теплоносителя 2-3оС, на выходе — 10оС. Удельная теплоемкость воды — 4,17-4,2 кДж/кг, соответственно, для того, чтобы «снять» с грунта температурой 12оС требуемые 10,5 МДж, за час потребуется прокачивать 10,5/4,18=2500 л соленой воды. Если использовать тосол, то объем прокачки через систему геотермального отопления составит 3500 л/ч.

Оптимальная скорость потока теплоносителя не должна превышать 4-5 м/с, соответственно длина труб, уложенных в грунт, получится от 500 м до 1000 м, в зависимости от внутреннего диаметра и толщины стенок. Плюс ко всему для прокачки теплоносителя по трубам в грунте потребуется насос мощностью до 250 Вт.

Это интересно для вас! Тепловой насос своими руками: рабочие варианты изготовления из подручных средств. Тепловой насос для отопления дома: виды и принцип работы, их плюсы и минусы.

Строим внешний контур теплообменника

Объем работы большой, но сам процесс изготовления геотермального теплообменника выглядит достаточно просто. Первое, что необходимо сделать, — это разметить участок и вырыть котлован на глубину не менее 3 м. Оптимальная длина участка — 30 м, для геотермального теплообменника в 1000 м нужно будет уложить змейкой 33 ряда с шагом 60 см.

внешний контур теплообменника

Площадку выравнивают, утрамбовывают, делают гидроизоляцию и отсыпают песком для того, чтобы исключить деформацию уложенных труб в случае просадки грунта, или если температура тосола (соленой воды) опустится до -3оС.

Если общая длина труб более 1200 м, то теплообменник делают из нескольких пар ниток, разведенных в стороны от одного общего коллектора. Делается это для того, чтобы исключить взаимное влияние и улучшить теплоотдачу из грунта в теплоноситель.

Теплотехнические расчеты

Допустим, у нас есть жилой дом общей площадью 30 квадратных метров. По существующим нормативам для обеспечения нормальной температуры в зимний период расход энергии в электрическом эквиваленте должен составлять не менее 100 ватт на 1 м квадратный. Значит, мощность нагревателя должна быть не менее трех киловатт.

Для мощных систем и геотермального отопления используют контуры, длина труб которых может достигать 3-4 км. В этом случае их выкладывают кольцами на дно траншеи, чтобы уменьшить площадь участка. Геотермальный теплообменник можно уложить в траншеи, но глубину закладки придется увеличить до 3,5-4 м.

После того как трубы были уложены, необходимо одеть на концы выхода и входа соединительные муфты, зафиксировать их на стене в подвальном помещении. Здесь они будут подключены к двойному теплообменнику. Уложенные на дно траншеи трубы закладывают теплоизоляцией, засыпают мокрым песком и щебнем и уплотняют трамбовкой.

Обычно для засыпки используют материал с невысокой теплопроводностью, поэтому в замес могут добавляться остатки битого кирпича или старой измельченной штукатурки, любого минерального материала с хорошей теплоизоляцией. Последние два слоя по 50 см отсыпают исключительно смесью песка с глиной.

Если термальную систему отопления строят в местности с большой глубиной промерзания грунта, то под трубы желательно сделать бетонную стяжку. Для этого на песчаной подушке заливают плиту толщиной до 10 см (бетон плюс крошка базальта) и армируют его сеткой. Такое основание очень хорошо собирает геотермальное тепло.

Как построить тепловой насос своими руками

Лучше всего купить готовый агрегат для геотермального отопления. Цена на стационарный тепловой насос может достигать 18-20 тыс. евро для моделей производства Германии или Швейцарии, 10-12 тыс. евро для китайских аналогов. Это лучшее решение, в этом случае геотермальное отопление гарантированно проработает 15-20 лет, но часто покупка теплового насоса недоступна по финансовым причинам, поэтому агрегат заменяют аналогами или изготавливают собственноручно.

тепловой насос

Тепловой насос для геотермального отопления можно построить своими руками. Например, для обогрева загородного дома можно использовать 3 компрессора мощностью 500-550 Вт, устанавливаемых в холодильных шкафах и морозильных камерах.

Все три компрессора нужно будет использовать вместе с теплообменниками и панелью испарения фреона. То есть лучше всего разобрать несколько старых морозильных камер, выбросить корпус, теплоизоляцию. Использовать только компрессор с автоматикой, внешний теплообменник и камеру-панель, в которой испаряется фреон.

Для подогрева воды можно использовать любую металлическую емкость, лучше всего подойдет алюминиевая или же бак из нержавеющей стали емкостью 200-250 л. Оптимальный вариант — плоский бак из нержавейки высотой 20 см, шириной 15 см и длиной 160 см. Размер и форму емкости приходится подбирать индивидуально, материал стенок не имеет особого значения. Важно, чтобы в емкость поместились три теплообменника от морозильных камер.

тепловой насос 1

Внутрь емкости устанавливают горячие теплообменники от морозильных камер. Каждый такой теплообменник изготовлен из тонкой медной трубки, уложенной змейкой на стальную рамку. Его можно сделать самостоятельно из медной трубы диаметром 8 мм и длиной 15-20 м.

Но лучше все же использовать готовый узел от морозильной камеры. Для установки такого теплообменника нужно будет просверлить отверстия в боковой стенке, вывести трубки и припаять их к патрубкам компрессора.

Наружные стенки емкости задувают теплоизоляцией, можно оклеить пенопластом толщиной до 70 мм или просто задуть поверхность пенополиуретаном. В нижней части емкости врезают два штуцера, к которым подключают выход и обратку от труб отопительного контура дома.

Запас воды в баке должен быть не менее 200 л. Вода будет нагреваться до температуры не более 70оС. Этого вполне хватает, но если нужно быстро прогревать помещение, то придется дополнительно установить циркуляционный насос мощностью 50 Вт.

Строим камеру отбора геотермального тепла

Это двойной теплообменник, в котором тепловой насос будет забирать тепло от потока тосола, циркулирующего через внешний контур системы геотермального отопления.

Для изготовления потребуется металлический или пластиковый бак прямоугольной формы емкостью до 200 л. Первым делом внутрь бака нужно будет установить испарительные панели от морозильных камер, трубки вывести через стену бака к компрессору и припаять пропановой горелкой.

В разных конструкциях морозильных шкафов форма и размер панелей, в которых кипит фреон, может быть разной, поэтому размеры, форма и габариты бака могут отличаться в каждом конкретном случае. Но это никак не влияет ни на производительность, ни на мощность геотермального отопления.

После того как все три панели были установлены внутри бака, на противоположных стенках нужно будет сделать два дополнительных отверстия. Первое вырезаем в верхней части стенки, вкручиваем в нее штуцер и подключаем трубу слива (в бак) из внешнего контура теплообменника, вкопанного на участке.

Второе отверстие нужно сделать на высоте 50-100 мм от дна емкости. В него врезаем еще один штуцер для подачи тосола (соленой воды) теплоносителя. К нему через резиновый патрубок 30-40 мм подключаем циркуляционный насос, которым теплоноситель будет закачиваться во внешний контур.

камера отбора геотермального тепла

Контроль работы

Остается лишь залить в емкость теплоноситель и включить компрессор, примерно через 30-40 минут вода в первой емкости нагреется до температуры 40-45о. Еще через час работы компрессоров жидкость в системе водяного отопления прогревается полностью, и можно запускать водяное отопление в доме.

Функционирование всех систем самодельного геотермального отопления нужно будет контролировать. Для этого нужно будет установить несколько электрических термометров:

  1. На выходе из внешнего (грунтового) теплообменника. Датчик можно установить прямо в баке на сливе теплоносителя.
  2. Второй датчик температуры ставят перед входом в нагнетающий насос.
  3. Третий сенсор нужно установить в баке с горячей водой на равном удалении теплообменников.

Для каждого датчика нужно будет вывести стрелочные или светодиодные индикаторы. Используя их показания, нужно будет отрегулировать обороты и производительность насосов и компрессоров.

Все горячие поверхности нужно закрыть теплоизоляцией, можно пенополиуретаном или любым другим материалом. Благодаря тому, что в самодельной геотермальной системе используются три компрессора, их можно отключать для обслуживания или если на улице установилась теплая погода.

Геотермальное отопление считается наиболее перспективным способом обогрева помещений. Цены на тепловые насосы снижаются, появляются схемы с более высоким КПД и ресурсом работы. Поэтому приобретенный опыт самостоятельной постройки теплового насоса будет полезен при установке промышленного образца.

Расскажите о своем опыте использования тепловых насосов для геотермального отопления.

author

главный редактор

Автор публикации
Все про утепление и отопление дома и квартиры
Отзывы и комментарии
Комментарии
  1. Пахомов Алексей Анатольевич:

    Делал своими руками что-то похожее но вместо трех компрессоров ставил один от старого кондиционера (БК). Нагреть антифриз во внешнем контуре выше 8 град не получалось, но в целом отопление работало, хоть и заняло весь подвал дома.

  2. Марин Виктор:

    А не дешевле использовать электрический котел с ночным тарифом. Экономия будет той же что с тепловым насосом.

Ваш отзыв

Обсуждения
Потребуется соблюдать некоторые правила безопасной эксплуатации такой печи. Дровяные тандыры не
Уход потребуется не сложный, но систематический. После каждого приготовления очищают топку. Применяют
Спасибо большущее за ценные советы! Котёл baxi Luna 3,ошибка 001 исчезла после поднятия давления от 1,5 до 2
Размер шрифта
Мы в соц. сетях