Обогрев дома за счет тепла земли

Достоинства и недостатки обогрева от тепла земли

Проведя подробный анализ, удалось выделить положительные и отрицательные стороны таких систем.

Экономия: используется бесплатная энергия земли.

• Масштабность: земля настолько большая, что собирать энергию можно бесконечно, тем более она генерируется постоянно.
• Экология: решение экологических вопросов, связанных с добычей нефти, газа, угля.
• Автономность работы. Такая энергия безгранична, поэтому автономная работа по высасыванию тепла не прекращается.
• Возможность самостоятельной сборки. Благодаря этому системы и получили популярность.

Если рассчитывать на долгосрочное использование, то придётся покупать довольно дорогую систему. Цена варьируется в пределах 3—10 тыс. долларов.

1 Преимущества и недостатки

Отопление дома теплом земли, называемое также геотермальным (от «геотермия» — тепло земли), не требует использования какого-либо топлива. Кроме того, для работы системы будет тратиться гораздо меньше электроэнергии, чем для тепловых электроприборов. Все это говорит об экономичности новой отопительной системы. Геотермальное отопление имеет ряд дополнительных достоинств:

• эффективность;
• экологичность;
• безопасность;
• низкий уровень шума;
• не нужно постоянно контролировать процессы системы;
• правильная установка не требует ремонта и другой технической поддержки в течение 30 лет;
• окупаемость (экономия на топливе, электроэнергии и ремонтных работах позволяет окупить стоимость затрат на монтаж оборудования за 5—7 лет эксплуатации).

Кроме того, для установки потребуется бурение, которое удобнее делать при строительстве, когда еще не проведены ландшафтные работы на участке.

Также следует иметь в виду, что отопление за счет тепла земли наиболее эффективно в южных и умеренных широтах, а вот в северных регионах его возможно применять только для обогрева домов площадью не более 200 м².

Схемы построения системы отопления

Несмотря на всю простоту системы, устройство геотермального отопления для загородного дома – довольно дорогостоящий и трудоемкий процесс.

Связано это не столько с дороговизной теплового насоса, сколько с масштабами внешнего контура: в среднем его площадь должна превышать отапливаемую площадь в 2,5 раза. Располагают внешний контур одним из трех способов:

Горизонтально в грунте

Трубы контура располагают под поверхностью земли ниже глубины промерзания.

При отоплении дома площадью в 200 кв. м для горизонтального размещения внешнего контура понадобится участок земли площадью 500 кв. м.

Недостатки такого способа очевидны: придется изрыть солидный участок земли, полностью уничтожив расположенный на нем ландшафт.

Если на участке растут деревья, задача усложняется: трубы контура в плане должны находиться не ближе 1,5 м от дерева.

Все работы по горизонтальному размещению внешнего контура в грунте можно выполнить самостоятельно, и это главное преимущества данного способа. Процесс относительно прост, хотя и трудоемок: рытье траншей, сваривание и укладка труб.

Горизонтальная укладка на дне водоема

Если поблизости от вашего дома имеется водоем, можно обойтись без земляных работ, сохранив существующее благоустройство участка возле дома. Требования к водоему таковы: он должен располагаться не далее, чем на 100 м от дома, и иметь площадь не меньше, чем 200 кв. м.

Если вы не являетесь его владельцем, то, скорее всего, понадобится разрешение местных властей на размещение в водоеме внешнего контура вашей геотермальной системы.

Оптимальная глубина, на которой следует располагать трубы, составляет 2,2-2,5 м.

Разместить внешний контур в водоеме также можно самостоятельно, такая работа не требует особого опыта или высокой квалификации. Если есть возможность на время монтажа спустить из водоема воду, задача потребует еще меньше усилий.

Вертикальное размещение в грунте

В этом случае для размещения внешнего контура строится скважина. И само строительство, и монтаж в скважине труб контура потребует привлечения специалистов и бурильного оборудования. Зато все существующие насаждения и элементы благоустройства остаются нетронутыми.

Вдобавок, размещение контура в скважине делает отопительную систему более эффективной, ведь грунт на больших глубинах (глубина скважины составляет от 50 до 200 м) круглогодично сохраняет постоянную температуру в 10-12 градусов.

Дополнительное преимущество – длительный срок службы скважины, который может составлять 100 лет.

Существует еще одна разновидность геотермальной системы отопления загородного дома, которая называется открытой. Внешний контур в ней отсутствует, а роль теплоносителя играет вода, которая закачивается в тепловой насос из артезианской скважины.

Для сброса воды на ту же глубину строится вторая скважина. Часть артезианской воды может использоваться для водоснабжения дома, поэтому данная разновидность геотермального отопления более распространена в тех регионах, где отсутствует централизованная подача воды.

Установка своими руками

Прежде чем решиться на подобный шаг, нужно сопоставить возможности с объёмом и сложностью всех необходимых работ для установки геотермальной системы.

Расчет стоимости

Расчёт стоимости устройства геотермальной системы вычисляется относительно:

• приобретения теплового насоса определённой мощности;
• цены всего трубопровода, в соответствии с мощностью насоса;
• производства сопутствующих земельных работ (бурение скважин, выкапывание траншей), а также стоимости работ по прокладке сетей;
• установки и подключения теплового насоса.

Фото 1. Геотермальный тепловой насос модели Vitocal 300-W Pro с электроприводом для отопления, производитель — «Viessmann».

Расчёт включает и покупку теплового насоса, цена которого различается в зависимости от мощности и производителя.

Модели мощностью в районе 4—5 кВт будут оцениваться в 3—7 тыс. у. е. Прибор мощностью 5—10 кВт стоит 4—8 тыс. у. е. За 10—15 кВт — 5—10 тыс. у. е.

Размещение коллектора

Существует подразделение по способу установки внешнего контура (коллектора). В грунте он может размещаться вертикально или горизонтально. В грунте водоёма — горизонтально. Для каждого из этих случаев имеются свои преимущества и недостатки.

Вертикальный тип

При построении установки вертикального типа присутствует необходимость бурения скважин глубиной 50—200 метров. То есть — до слоя, имеющего повышенную температуру. Одна из шахт, которую называют дебетовой, служит для забора тепла.

Теплоноситель в ней поднимается, благодаря работе насоса, затем происходит подача в трубы и радиаторы внутреннего контура.

Возвращаясь, после прохождения всего цикла, теплоноситель сбрасывается через другую шахту обратно, к подземным слоям.

Считается, что срок эксплуатации такой установки — около сотни лет.

При устройстве коллектора вертикального типа с двумя шахтами эффективность его применения для обогрева частного дома снижается, так как для обеспечения работы циркулярного насоса потребуется значительное количество электроэнергии. Это является подходящим вариантом для устройства системы «тёплый пол».

При более экономичном кластерном методе, количество скважин увеличивается, но их глубина уменьшается.

Для вертикальной установки существует и вариант, который предусматривает укрепление ёмкости (бака), содержащей антифриз, на глубине 100 м. Непрерывное движение этой жидкости, нагревающейся от грунта, обеспечивает тепловой насос.

Если не рассматривать вариант бурения скважин для вертикальной конструкции, который требует навыков и оборудования, то работы можно провести самостоятельно.

Теплообменник горизонтального расположения

Для устройства теплообменника горизонтального расположения (типа) понадобится немного усилий, но и тепловая отдача в этом случае будет меньше. Потребуется проведение земляных работ, чтобы соорудить котлован ниже отметки промерзания грунта. В выкопанные траншеи укладывается трубопровод внешнего контура, а впоследствии вся конструкция вновь засыпается землёй.

Температура грунтового слоя будет гораздо ниже, а длина больше, чем при использовании теплообменника вертикального типа. Площадь примерно вдвое превышает ​помещение, которое предстоит отапливать.

По такому же принципу происходит устройство системы в подводном грунтовом слое водоёма.

Крайне желательно, чтобы площадь самого водоёма была более 200 кв. м., а расстояние от него до отапливаемого здания не превышало 100 м.

Требуется как минимум 1 м толщи воды от замерзающей водной поверхности. Кроме того, необходимо разрешение специальных служб, если водоём не является вашей собственностью.

Внимание! Некоторые специалисты предостерегают от проведения всех работ «своими руками». По их уверениям, подобные действия могут обернуться частичной или полной порчей оборудования

Как это работает?

Общеизвестный факт, что температура грунта на глубине около 1.5 м и более постоянна в течение всего года. Ее значение лежит в диапазоне плюс 5—7 °С, причем температура постепенно повышается с ростом глубины. Благодаря такому явлению люди хранят продукты и овощи с огорода в подвалах.

Получается, что температура там всегда положительна и грех не использовать это тепло из земли для обогрева жилья.

Перемещать в помещения такое слабенькое тепло, как +7 °С абсолютно бессмысленно. Задача стоит не так: нам нужна именно энергия, а не температура. И в этом может помочь обычный кондиционер, только перевернутый наоборот. Ведь что он делает? Летом берет энергию изнутри здания и перемещает его наружу, а зимой – в обратном направлении. Это происходит благодаря теплообменным процессам внутри холодильной машины (цикл Карно).

Если вкратце и простыми словами, то внутри кондиционера циркулирует между двумя теплообменниками жидкость – хладоноситель. В первом она испаряется, отбирая теплоту от воздуха помещения, а во втором – конденсируется, отдавая ее в окружающую среду. Переходу хладагента из одного агрегатного состояния в другое способствуют 2 главных агрегата – компрессор и расширительный клапан.

Таким же образом выделяется тепловая энергия земли. По контуру из труб, помещенному вглубь грунта, движется теплоноситель, нагретый до температуры +7 °С. В первом теплообменнике он встречается с рабочим телом – фреоном, заставляя его испариться. Во втором фреон конденсируется, передавая полученную тепловую энергию системе отопления.

В результате такого перемещения земля охлаждается на 2—3 °С, а вот дом прогревается на 20—40 °С

Не стоит обращать внимание на несоответствие температур, ведь в земляном контуре тоже циркулирует в 10 раз больше жидкости, чем в отопительном. Энергозатраты – мизерные, расходуется электричество для работы компрессора, насоса и автоматики

В целом соотношение затрат энергии к добытой из земли – примерно 1 : 5—1 : 7.

Варианты обустройства геотермального отопления

Система прокладывается несколькими способами, требующими определенных территориальных условий. Например:

• Горизонтально, ниже уровня промерзания земли. Для такого варианта требуется внушительная придомовая территория, исключающая насаждения, постройки и сам дом. Иначе, количества тепла, произведенного тепловым насосом, будет недостаточно для комфортной оптимальной температуры.
• Горизонтально по дну водоема. Считается самым экономически выгодным, так как температура воды зимой больше чем у грунта, следовательно, энергоэффективность лучше. Не требуется снимать слой почвы у дома, что располагает к обустройству территории. Но способ выгоден владельцам участков, чья недвижимость расположена в непосредственной близости от источника воды – озера, пруда.
• Вертикальный зонд. Не требует чистоты почвы и ее обширности, равно как и водоема, однако, дорогостоящий из-за специально пробуренной скважины не менее 30 м.

Профессиональную оценку даст только специалист, побывавший на участке

Кроме территории, важно оценивать состав грунта – на песчаниках геотермальное отопление практически бесполезно, требуются влажные суглинистые почвы

Каким образом это работает?

Источником низкопотенциальной тепловой энергии могут быть как подземные воды с низкой температурой, воздух, так и слои земли глубиной до 400 метров. Основное формирование теплового режима земли происходит за счет падающей солнечной радиации извне и потоком радиогенных тепловых волн изнутри. Более устойчивая температура слоев грунта отмечается на глубине более 20 метров, так как здесь уже не влияют сезонные и суточные температурные колебания. На этой глубине положительная температура около 10 градусов наблюдается постоянно круглый год.

Тепло из земли – восстанавливаемый ресурс. Тепловой насос забирает именно столько тепла, сколько земля сможет воспроизвести. Таким образом, все тепловые насосы работают по принципу «холодильник наоборот», предложенный впервые еще гениальным ученым-физиком своего времени У. Томсоном (Великобритания). Такой насос с полной уверенностью может обогнать и заменить все существующие котлы отопления (на жидком или газовом топливе либо работающие от электричества).

Схема работы теплового насоса типа “грунт-вода”.

Типы насосов бывают разные (например, с горизонтальным или вертикальным грунтовым теплообменником). Поговорим о вертикальном типе насосов.

На глубине 100 метров проводится бурение скважины, для того чтобы появилась возможность забрать тепло из земли. Геотермальный тепловой насос с помощью специального зонда, в котором циркулирует особая жидкость (рассол), забирает тепло от земли. Именно она позволяет преобразовывать и направлять тепло в систему отопления и горячего водоснабжения, повышая на выходе температуру до +65°C. Электроэнергия затрачивается лишь при работе приводов. Единственным движущим элементом теплового насоса является компрессор со сроком эксплуатации в среднем порядка 15 лет. Даже при его замене такая установка отопления может прослужить еще долгие десятилетия.

Так, из одного потраченного кВт электроэнергии выходит 4 кВт преобразованной тепловой энергии, что соответствует коэффициенту эффективности теплового насоса, равному 1:4. На практике проверено, что такая установка окупается приблизительно через 5 отопительных сезонов. Но следует помнить, что если вы выберете подобный вариант отопления своего жилища, то организацию этой задачи следует планировать еще на начальном цикле строительства, так как установка теплового насоса потребует больших объемов земляных работ.

Основные этапы установки системы альтернативного отопления

Вся работа по установке обогрева дома теплом земли совершается в несколько ответственных и трудоемких этапов. Ни в коем случае не пытайтесь произвести ее самостоятельно, монтаж и подключение системы должны выполнять профессионалы. Вам необходимо будет приобрести:

• тепловой насос;
• трубы для коммуникаций разного диаметра;
• раствор для трубопровода;
• соединительные клапаны.

Все оборудование и инструменты для монтажа отопительной системы имеются у специалистов.

Схема отопления дома энергией земли.

1. Первым делом вкапываются в землю коллекторы, которые будут забирать тепло из земли. Они могут располагаться вертикально или горизонтально. Устанавливая вертикальный коллектор, необходимо будет пробурить в грунте одну или несколько скважин глубиной 20-100 м (их количество и размер напрямую зависят от мощности теплового насоса). Для горизонтального коллектора нужно выкопать длинные траншеи глубиной в 1,5 м.
2. В вырытые отверстия укладывается трубопровод и засыпается сверху землей. На месте установки коллектора не рекомендуется сажать деревья, так как со временем их разрастающаяся корневая система сможет повредить трубы.
3. Трубопровод заполняют хладоагентом – специальной смесью, имеющей низкую температуру замерзания.
4. Коммуникации соединяют с тепловым насосом, который можно поставить в кладовой комнате или на кухне. Прибор, осуществляющий обогрев, имеет небольшие габариты и работает бесшумно, поэтому не будет мешать обитателям дома.

Горизонтальные установки, осуществляющие обогрев тепловым насосом, занимают много территории, поэтому их целесообразно располагать на придомовых участках, площадь которых достигает хотя бы 200 м². Если территория возле дома небольшая, тогда стоит отдать предпочтение вертикальным установкам, не занимающим много места.

Тепловые насосы относятся к оборудованию с высокой степенью взрыво- и пожаробезопасности, их можно устанавливать без дополнительной системы вентилирования. Все финансовые расходы по использованию тепла для отопления жилья сводятся только к оплате электроэнергии, которую потребляет оборудование. Полная окупаемость средств, вложенных в монтаж системы, составляет около 9-10 лет.

Источники тепла для внешнего контура

Схема и принцип работы глубинного теплового насоса.

Для устройства отопления дома теплом земли, может использоваться энергия нескольких источников:

Использование энергии грунта предусматривает устройство трубопровода из пластиковых труб диаметром 35-40 мм. Его необходимо закладывать на глубину не менее 2 м, причем расстояние между трубками не должно превышать 1 м. Если не соблюдать эти условия, может возникнуть эффект выхолаживания участка на котором заложен внешний контур системы отопления, что приведет к отсутствию на нем растительности и другим негативным явлениям. Наиболее подходящими считаются влажные грунты с высоким уровнем грунтовых вод. Устройство внешнего контура в сухом грунте требует увеличения длины труб. Необходимую длину трубопровода можно просто рассчитать, зная, что на 1 м трубопровода приходится 20-30 Вт тепловой энергии.

В скальных породах для установки трубопровода необходимо бурить скважины. Их глубина зависит от необходимой производительности теплового насоса. Например, исходя из того, что 1 м скважины дает около 50-55 Вт тепловой энергии, можно рассчитать, что для насоса в 10 кВт необходима скважина глубиной 200-180 м. Бурение одной глубокой скважины обходится слишком дорого, поэтому ее можно заменить несколькими менее глубокими, суммарная длина которых будет равняться общей расчетной глубине.

В качестве источника тепловой энергии подходят достаточно большие водные объекты с проточной водой. Контур из труб укладывают на дно, где всегда положительная температура, а для предотвращения его всплывания предусматривается установка на каждый погонный м не менее 5 кг груза. На 1 м такого контура приходится примерно 30 Вт тепловой мощности.

Использование воздуха в качестве источника тепловой энергии целесообразно только в относительно теплом климате. Такая система работает эффективно только в том случае, если температура воздуха не ниже -10°С. При более низких температурах используют дополнительный обогрев электрическими тэнами, что приводит к значительным расходам.

Тепло из земли

Большинство систем геотермального отопления получает тепло из земли, накопленное там за период тёплого времени. Для этого трубы, в которых циркулирует низкокипящий теплоноситель, заглубляют в грунт.

При наличии свободной площади на участке применяется горизонтальная укладка, в противном случае внешний контур погружается в вертикально пробуренные скважины.

Горизонтальная укладка

При устройстве горизонтального контура, необходимо учесть глубину промерзания почвы. Для большей части европейской России, Южного и Среднего Урала, части юга Сибири, а также Приморского края эти показатели не превышают 2–2,5 метров. Как правило – эта глубина составляет 0,6–1 метр.

Труба под внешний теплоноситель укладывается в предварительно прорытые траншеи, глубиной 1,5–2,0 метра. К концу холодного сезона температура там не опускается ниже +1– -1°C, что вполне достаточно для образования перепада в 4–5°C.

Это позволяет поддерживать комфортный климат в помещении со значениями 20–25°C. Средняя длина труб составляет около 500 метров и её длины хватает для отопления дома площадью 250–350м².

Расчёт необходимых потребностей в размерах коллектора осуществляется из соотношения 20–25Вт с одного метра трубы. Зная полезную тепловую мощность можно определить длину заглубленного контура. Для вышеприведённого примера, с учётом коэффициентов теплопередачи, размеры трубы составят не менее 300–350 метров.

Объём земляных работ значителен, поэтому целесообразно воспользоваться услугами стороннего траншеекопателя. В случае перекрещивания коллектора со сточной системой, последнюю можно углубить на 30–50 см ниже, нежели основная траншея.

С целью повышения эффективности системы отопления и нехваткой свободной площади устраиваются многоуровневые контуры. То есть применяются несколько рядов, расположенных по высоте на 70–100см друг от друга.

Вертикальная укладка

Такая система используется при ограниченных свободных площадях, но она более эффективна, нежели горизонтальная система. Впрочем, все полезные результаты могут быть сведены на нет более дорогим монтажом. Система может использовать погружные зонды или водозаборные скважины.

В грунте выполняются две или более вертикальные скважины, в которые опускаются внешние контуры, — по одной трубе течёт отработанный теплоноситель, по другой, — подогретый теплом земли. Глубина скважин может достигать 40–70 метров.

Эффективный отбор тепла достигает в среднем около 50–55Вт, что почти в 2 раза больше по сравнению с горизонтальным контуром. Но конструкция коллекторов более сложна, например, применяется коаксиальная труба, — это одно изделие меньшего диаметра находится внутри другого.

Необходимо соблюдать герметичность. Все трубы требуется теплоизолировать, система обрастает различной арматурой.

В этом случае используется забор тепла от подземных вод, что значительно повышает тепловую эффективность системы отопления. Это происходит благодаря более высокой температуре влаги и значительному коэффициенту теплообмена.

При такой системе геотермального отопления необходимы минимум две скважины, — одна – заборная, другая – сбросовая. Понадобятся скважинные насосы, и, соответственно, дополнительная энергия для их питания. Кроме этого, с целью предотвращения замораживания воды, целесообразно использовать предохранительный теплообменник.

При выборе этого способа понадобится периодически, — один раз по истечении сезона менять рабочие скважины местами. Для этих целей необходимо запастись ещё одним скважинным насосом.oes here

Большой плюс этой системы – минимальное количество земляных работ и большая теплоотдача.

Повысить эффективную отдачу тепла можно применив солнечные коллекторы, которые нагреваясь в солнечную погоду, могут передавать дополнительное тепловую энергию для нагрева грунта.

Схема работы всей конструкции

По сути, есть три контура, по которому циркулирует жидкость. Первый из них мы обозначили как нагревание. Следующий контур находится внутри насоса. Там хладагент забирает тепло от контура нагревания и передаёт его на третий цикл посредством труб в дом.

Теплоноситель проходит по контуру под землёй и нагревается до температуры 7° C (таков показатель на глубине ниже уровня промерзания). Вся энергия, которую теплоноситель забрал из земли, приходит в тепловой насос.

В тепловом насосе есть первый теплообменник. В нём теплоноситель из земляного контура нагревает хладагент, повышая ему не только температуру, но и давление. В состоянии газа хладагент переходит во второй теплообменник. Тут он нагревает теплоноситель, который циркулирует по трубах внутри дома, а затем снова возвращается в жидкое состояние.

Какой технологии отдать предпочтение?

Учитывая постоянное развитие технологий и поиск новых практичных решений для удешевления процесса отопления частного дома, на сегодня разработаны 3 основные геотермальные технологии:

горизонтальная; вертикальная; водоразмещение. Важно! Какому именно варианту отдать предпочтение определите, исходя из обязательных требований для каждого способа, перечисленных ниже. В этом случае критериями выбора станут следующие факторы: размеры участка; особенности ландшафта; степень озеленения и типы использованных для этой цели растений; финансовые возможности; профессиональные навыки выполнения строительных работ

Принимая решение сделать отопление дома теплом земли, заранее настройтесь на то, что предстоящие работы отличаются достаточной сложностью и потребуют не только финансовых вложений на начальном этапе, но и времени, внимательности и аккуратности, обязательного соблюдения правил при монтаже. Только при таком подходе удастся достичь необходимого результата, а сформированная система обогрева с природным источником энергии станет действительно выгодной и позволит не беспокоиться о замене устройства на протяжении многих лет.

Видео

Просмотрите видео, в котором наглядно показан весь процесс монтажа отопительной системы при использовании теплового насоса.