Принцип работы геотермального отопления дома с тепловым насосом

Геотермальный тепловой насос

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

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

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

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

Это далеко не все недостатки геотермального теплового насоса.

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

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

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

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

Геотермальное отопление обходится очень дорого.

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

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

Особенности отопительной системы

В отличие от газового котла, тепловому насосу не требуется нагревать теплоноситель системы отопления до высокой температуры, так как образование конденсата при холодной «обратке» ему не грозит. К тому же работа в низкотемпературном режиме потребует меньших энергозатрат.

Чтобы компенсировать низкую температуру теплоносителя, поверхность радиаторов пришлось бы сильно увеличивать, поэтому вместо них лучше использовать систему «теплый пол». Этот вид отопления является и наиболее рациональным, так как нагреваемый воздух в первую очередь поступает, так сказать, в зону обитания, а не под потолок.

Еще один аргумент в пользу «теплого пола» – минимальные теплопотери. Ведь их величина зависит, в первую очередь, от перепада температур, а он при низкотемпературном режиме является наименьшим. Второй фактор – площадь контакта нагретого воздуха с наружными стенами. Поднимающийся от «теплого пола» воздух наружных стен не касается (при использовании обычных радиаторов он буквально омывает остекление окна и прилегающие участки наружной стены).

Основной недостаток «теплого пола» – энергозависимость – в данном случае неактуален, так как тепловой насос тоже не сможет работать без электричества.

Опасность скрытой протечки также можно не принимать во внимание, если контур делать цельным из гибких полимерных труб.

Монтаж системы

Геотермальное отопление загородного дома на этапе обустройства требует солидных денежных вложений. Высокая итоговая стоимость системы во многом обусловлена большим объемом земельных работ, связанных с монтажом контура нагревания.

С течением времени финансовые затраты окупаются, поскольку используемая в отопительный сезон тепловая энергия извлекается из земных глубин с минимальными затратами электроэнергии.

Монтаж горизонтального теплообменника геотермальной системы отопления

Для обеспечения отопления дома теплом земли необходим монтаж системы

  • основная часть должна располагаться под землей или на дне водоема;
  • в самом доме устанавливается только достаточно компактное оборудование и прокладывается контур радиаторного или напольного отопления. Оборудование, расположенное внутри дома, позволяет регулировать уровень нагрева теплоносителя.

Как выглядит геотермальное оборудование в доме При проектировании отопления за счет тепла земли, необходимо определиться с вариантом монтажа рабочего контура и типом коллектора.

Различают два типа коллекторов

  1. Вертикальный — погружается в грунт на несколько десятков метров. Для этого на небольшом расстоянии от дома требуется пробурить некоторое количество скважин. В скважины погружается контур (самый надежный вариант — трубы из сшитого полиэтилена).
  2. Недостатки: Большие финансовые затраты на бурение в грунте нескольких скважин глубиной от 50 метров.

Преимущества: Подземное расположение труб на глубине, где температура грунта отличается стабильностью, обеспечивает высокую эффективность работы системы. Кроме того, вертикальный коллектор занимает небольшую площадь земельного участка.

Преимущества: Более дешевые земельные работы, которые можно даже выполнить своими силами.

Горизонтальный и вертикальный тип коллектора Геотермальную энергию можно добывать, если уложить на дне непромерзающего водоема горизонтальный геотермический контур. Однако, это сложно осуществить на практике: водоем может быть расположен за пределами частной территории и тогда установку теплообменника нужно будет согласовывать. Расстояние от отапливаемого объекта до водоема должно составлять не более 100 метров.

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, достоинства и недостатки

Образец подобного тепловому насосу устройства есть в каждом доме – это холодильник. Он вырабатывает не только холод, но и тепло – это заметно по температуре задней стенки агрегата. Подобный принцип заложен и в тепловом насосе – он набирает термальную энергию из воды, земли и воздуха.

Принцип работы и устройство

Составляющие отопительной системы

Система работы устройства следующая:

  • вода из скважины или водоёма проходит через испаритель, где её температура падает на пять градусов;
  • после охлаждения жидкость попадает в компрессор;
  • компрессор сжимает воду, увеличивая её температуру;
  • нагретая жидкость перемещается в теплообменную камеру, где отдаёт своё тепло системе отопления;
  • остывшая вода возвращается к началу цикла.

Система отопления с тепловым насосом

Системы отопления на основе теплонасосных установок имеют три составные части:

  • Зонд – змеевик, расположенный в воде или земле. Он собирает тепло и передаёт его в устройство.
  • Тепловой насос – прибор, извлекающий термальную энергию.
  • Сама система отопления, включающая теплообменную камеру.

Плюсы и минусы устройства

Сначала о положительных сторонах подобного отопления:

Тепловой насос не требует никакого специального ухода или расходных материалов

  • Универсальность. Эта отопительная система может устанавливаться в любой местности. Особенно это актуально для удалённых районов, где отсутствуют газовые магистрали. При невозможности подключения электроэнергии насос может работать на дизельном или бензиновом двигателе.
  • Полная автоматизация. В систему не нужно добавлять воду или следить за её работой.
  • Экологичность и безопасность. Теплонасосная установка не производит никаких отходов и газов. Устройство не может случайно перегреться.
  • Такой агрегат может не только отапливать дом зимой при температуре воздуха до минус пятнадцати градусов, но и охлаждать его летом. Такие функции есть в реверсивных моделях.

Принцип реверсивности в работе теплового насоса

Есть у этой системы и свои недостатки, о которых нельзя не упомянуть:

  • Цены. Тепловой насос для отопления дома – не дешёвое удовольствие. Окупится эта система не раньше, чем через пять лет.
  • В местности, где зимняя температура опускается ниже пятнадцати градусов мороза, для функционирования устройства потребуются дополнительные источники тепла (электрические или газовые).
  • Система, забирающая тепловую энергию из земли, нарушает экосистему участка. Урон не значительный, но следует это учитывать.

Устройство забирает тепло из грунта, понижая его температуру, это может неблагоприятно сказаться на корневой системе деревьев и кустарников

Преимущества и минусы

Если в России геотермальное отопление частного дома получило небольшое распространение, значит, эта идея не стоит затрат на реализацию? Применение системы геотермального отопления дома является выгодным решением. И на это есть множество причин:

  • моментальный монтаж оборудования, которое может долгое время функционировать без сбоев. Если применять в отопительной системе антифриз высокого качества, то вода не будет замерзать, а износ будет минимальным;
  • исключается процесс сжигания топлива. Получается полностью пожаробезопасная система, которая на момент использования не наносит вреда жилью;
  • исключаются другие моменты, связанные с наличием топлива: не нужно искать место для его хранения, заготавливать и осуществлять доставку;
  • акустический комфорт. Тепловой насос функционирует без звуков;
  • экономическая выгода. На момент использования системы не нужны дополнительные вложения. Ежегодный обогрев осуществляют природные силы, за которые люди не платят деньги;
  • экологическая составляющая. Геотермальное отопление частного дома является экологически безопасным решением. Отсутствие процесса горения предотвращает поступление в атмосферу продуктов сгорания. Если это поймут многие и такая система получит общее распространение, отрицательное воздействие людей на природу намного снизится;
  • компактность установки. Вам не придется искать в своем доме специальное место для установки или организовывать котельную. Все, что требуется – это тепловой насос, который можно разместить в подвале. Объемный контур устройства будет находиться под землей или водой, на поверхности участка его не будет видно;
  • многофункциональность. Система может функционировать в качестве отопления в холодное время года, так и в качестве охлаждения летом. Она заменит вам не только обогреватель, но и кондиционер. Покупка геотермальной отопительной системы экономически выгодна, несмотря на то, что придется выложить кругленькую сумму за покупку и установку систему.

Единственным минусом считается наличие расходов, с которыми придется столкнуться при установке системы и подготовки ее к работе. Необходимо будет приобрести насос и некоторые материалы, сделать монтаж внешнего коллектора и внутреннего контура.

Но все эти затраты окупаются в течение нескольких лет. Последующее применение уложенного в землю или погруженного в воду коллектора позволяет сэкономить намного больше средств. Сам процесс установки не настолько сложен, чтобы обращаться за помощью к сторонним специалистам. Если не делать бурение, то все остальное можно сделать своими руками.

Геотермальные системы отопления

Все геотермальные вариации отопительных систем разделяются на три разновидности по принципу размещения.

  1. Горизонтальный теплообменник
  2. Вертикальный теплообменник
  3. Подводный теплообменник

Как правильно обшить деревянный дом?

Что нужно знать, выбирая систему отопления в частный дом?

1. Горизонтальный теплообменник

Змеевик теплообменника прокладывается в плоскости на приусадебном участке. Глубина зависит от промерзаемости почвы, трубы располагают ниже этого предела. Такой способ возможен при большом размере участка: при площади домовладения до 200 м² необходимо под трубы около 600 – 800 м². Если усадьба уже активно используется и ландшафт облагорожен, такая организация отопления создаст много проблем с внешним видом и техническими аспектами работ.

2. Вертикальный теплообменник

Трубы теплообменника прокладываются вглубь участка. Длина труб зависит от почвенных показателей, площади обогрева и уровня промерзания земли. Глубина бурения колеблется от 50 до 200 м. Способ не требователен к габаритам участка, но требует применения специального бурового оборудования. Оптимальный вариант на обжитом участке, практически сохраняющий внешний вид.

3. Подводный теплообменник

Идеальный во всех отношениях вариант при условии расстояния до ближайшего солидного водоема (пруд, озеро от 100 м²) не больше 100 м. Теплообменник укладывается на дно на глубину от 2,5 м. что позволяет избежать промерзания воды и выхода системы из строя. Исключение затрат на земляные процессы снижает себестоимость монтажа.

Разбираемся насколько выгодно геотермальное отопление частного дома

Выбирая вариант обогрева индивидуального жилья или производственных построек, обращают внимание в первую очередь на доступность и стоимость топлива в месте строительства. Важно представлять размеры финансовых и трудовых вложений в период монтажа оборудования, эксплуатационные расходы, а также эффективность будущей системы в конкретных условиях эксплуатации.

Геотермальное отопление частного дома преподносится маркетологами в качестве универсального решения для любых случаев, что не совсем верно. В статье собран материал, помогающий понять, что и по какой цене предлагают застройщику, а также сравнить этот вид отопления с другими способами.

Читайте в статье

Преимущества и недостатки геотермальных тепловых насосов

Опыта массовой и, главное, продолжительной эксплуатации тепловых насосов в России немного. Пользователи разделились на два противоположных лагеря: на тех, кто хвалит систему отопления (сюда же стоит отнести продавцов и монтажников) и противников, столкнувшихся с трудностями эксплуатации или недобросовестными компаниями-установщиками.

Геотермальное отопление дома

Трубы геотермального отопления

На основании отзывов можно сделать выводы о достоинствах и недостатках тепловых насосов.

ПреимуществаНедостатки
Низкий расход электроэнергии, на 1 кВт потраченной электроэнергии получают 2,5-3,5 кВт (в реальности) и до 7 кВт (в идеале) тепловой мощностиБольшие финансовые вложения на этапе проектирования и монтажа
Возможность установки в любой местности – в зависимости от региона применяют грунтовые, водяные или воздушные контуры забора внешнего теплаНеобходимость дополнительных источников тепла при температуре воздуха ниже 25°С
Реверсивность – система работает на обогрев зимой и охлаждение летомОпасность для почвенных микроорганизмов – грунт охлаждается, гибнут бактерии, снижается плодородие почвы
Универсальность – можно использовать для отопления дома, нагрева воды для повседневных нужд или воды в бассейнеСистемы эффективны только при оборудовании «тёплого пола» – теплоноситель греется до 50°С, этого недостаточно для эффективной работы радиаторов
Долговечность – зарубежный опыт говорит о 30-50 годах эксплуатации до замены оборудованияНизкая эффективность при небольшом разбросе температур теплоносителя во внешнем контуре и среде прокладки (грунт, вода)
Минимальные затраты на техническое обслуживание
Полная автоматизация процесса
Экологическая безопасность – нет вредных выбросов
Для работы потребуется только наличие электричества

Достоинства проявляются при качественном проектировании, верном выборе оборудования, соблюдении правил монтажа.

Устройство и принцип работы геотермального отопления

Наглядно увидеть как работает тепловой насос можно на примере бытового холодильника или сплит-системы. Если дотронуться до радиатора на тыльной стороне холодильника, он окажется горячим, в то же время стенки морозильной камеры будут охлаждены.

В похожем режиме работают разнесённые в пространстве кондиционеры – внутренний блок охлаждён и служит источником прохлады, наружный блок сбрасывает на улицу тепло. В реверсном режиме сплит-система греет воздух в помещении.

Принцип работы теплового насоса

Схематический принцип работы теплового насоса.

В тепловом насосе, предназначенном для отопления, внешний блок забирает тепло из воздуха, грунта или воды, для чего прокладывают внешние контуры из труб. В водяных контурах возможна перекачка воды, вход и выход в этом случае располагают на расстоянии около 20 метров. После преобразований в центральном блоке тепло поступает в дом.

Геотермальное отопление дома схема

Альтернативный способ организации посредством перекачки грунтовых вод.

В состав геотермальной системы отопления входят:

  1. Непосредственно тепловой насос с компрессором, испарителем, конденсатором и дроссельным клапаном.
  2. Контур низкотемпературного тепла.
  3. Контуры обогрева помещений (водяной или жидкостный) и подогрева воды.

В основе работы заложены работы Николя Леонара Сади Карно, одного из видных учёных, изучавших термодинамику на стадии становления этой науки. Подробно алгоритм работы заключается в следующем:

  1. Теплоноситель внешнего контура перекачивается по трубам. За время движения жидкость нагревается на несколько градусов от тепла земли, воды или воздуха.
  2. Внешний контур проходит через теплообменник-испаритель, где нагревает хладагент, например, фреон, который испаряется. Кроме того, хладагент поступает в испаритель через капиллярное отверстие и резко расширяется, что также способствует нагреванию.
  3. Компрессор сжимает нагретый хладагент, ещё больше повышая температуру фреона.
  4. Горячий сжатый хладагент поступает в конденсатор, где, охлаждаясь и превращаясь из пара в жидкость, отдаёт тепло теплоносителю системы отопления, циркулирующему уже по трубам отопления. Другой вариант — нагревает воздух, который распределяется по помещениям.
  5. Далее хладагент вновь поступает в испаритель, где нагревается новой порцией теплоносителя, циркулирующего во внешнем контуре.

Часто задают вопрос: откуда получается КПД тепловых насосов 300-700%. Это происходит благодаря тому, что теплоноситель внешнего контура выходит из насоса имея температуру от -15°C до +7 о С и нагревается грунтом (водой, воздухом) до на 2-8°С, т.е. «забирает» часть энергии из внешних источников. Хладагент в насосе испаряется не только за счёт работы компрессора, но и из-за поступившего извне тепла.

Важно! Точные цифры температуры теплоносителя внешнего контура могут меняться у разного оборудования, но, чтобы тепловой насос выполнял свои функции, теплоноситель должен нагреваться хотя бы на 2-4 градуса. В противном случае экономический эффект отсутствует или даже получается отрицательным.

Способы организации геотермального отопления

Геотермальные системы отопления классифицируют по нескольким признакам:

  1. Комбинации среды прокладки внешнего контура и виду теплоносителя внутреннего контура.
  2. Способу прокладки тепловых зондов (контуров) в грунте или воде – вертикальный или горизонтальный.

Первый параметр указан производителем оборудования. Например, обычная сплит-система будет относиться к классу «воздух-воздух», забирать тепло из воздуха улицы и отдавать в помещения.

Насос «грунт-вода» забирает тепло земли и греет жидкий теплоноситель системы отопления. Параметр «вода-воздух» подразумевает конструкторское решение, при котором внешний контур расположен в воде (внешнем водоёме или в скважине), а тепло по дому распределяется потоками нагретого воздуха.

Выбор того или иного способа зависит от условий эксплуатации.

Обоснование выбора класса оборудования

Один из главных параметров на который обращают внимание при покупке тепловых насосов – это коэффициент трансформации теплоты COP (coefficient of performance). Он может быть равен от 1 до 7, иными словами: 1 кВт электроэнергии преобразуется в 1-7 кВт тепловой мощности. Важно понимать, что реальный коэффициент геотермальных тепловых насосов будет меньше заявленного в паспорте, так как для работы потребуются затраты электроэнергии на перекачку теплоносителя по внешнему контуру, и чем он длиннее, тем больше будут эти затраты.

На практике и по отзывам пользователей следует рассчитывать на СОР равный 2,5-3,2 если вести учёт в течение всего периода эксплуатации – температура грунта и воды постепенно меняется в зависимости от климатических условий.

В большей степени выбор среды, откуда будет забираться тепло, зависит от климатических условий региона и геологических особенностей места строительства.

Геотермальное отопление от водоема

Еще один альтернативный способ организации геотермального отопления с использованием водоема.

Оборудование с внешним контуром, расположенным в воде, выбирают, если:

  • водоём является частным прудом;
  • глубина скважины до подземных вод не превышает 20 метров (в некоторых регионах до 45 метров).

Если эти условия не соблюдаются, то необходима лицензия на право пользования недрами. Если при проверке контролирующими органами лицензии не окажется, то оборудование придётся остановить и заплатить штраф до нескольких миллионов рублей.

Кроме того, важным является расстояние от водоёма до дома, если оно свыше 25-30 метров, то эффективность резко снижается – потребуется дополнительные расходы на перекачку теплоносителя и утепление трубопровода.

Размещение внешнего контура в грунте на своём участке не запрещается, но следует правильно выбрать способ расположения труб – горизонтальный или вертикальный.

Способ расположения контуров

Горизонтальный и вертикальный внешние контуры.

В зависимости от состава грунта, с одного метра горизонтальной трубы можно снимать до 50 Вт тепловой мощности. Однако это справедливо для глинистых грунтов. Песчаники и суглинки могут отдать от 12 до 25 Вт/м, а для теплового насоса мощностью 10 кВт может понадобиться внешний горизонтальный контур длиной от 200 до 700 м. Для его размещения понадобится участок 450 м 2 . Размещение труб кольцами не эффективно, так как теплоноситель охлаждает грунт вокруг себя и соседние кольца просто не будут эффективно прогреваться.

Внешний контур геотермального отопления

Расположение труб кольцами

Важно! В течение зимы грунт постепенно вымораживается, становится холоднее и СОР падает к февралю-марту, так как теплоноситель уже меньше нагревается.

По отзывам владельцев участков в месте, где размещён горизонтальный контур теплового насоса через несколько лет эксплуатации меняется структура грунта, хуже растут овощные растения и землю используют только под газон. Не сажают в таких местах и деревья с мощной корневой системой, которая может разрушить трубы.

Оптимальной считают вертикальную систему проколов или скважин, в которых размещают несколько контуров, расходящихся в разные стороны. На большой глубине температура земли стабильнее и мало зависит от климата. Для выводов труб оборудуют колодец, в котором размещают коллекторы. Скважины бурят под углом к горизонту и располагают по окружности – так снижается влияние каждого контура друг на друга.

Колодец геотермальной системы отопления

Скважина внешнего контура геотермального отопления

Можно ли сделать все своими руками

Собрать геотермальную систему отопления своими руками в теории можно, но на практике сделать это трудно, если не невозможно.

Понадобится большой объём земляных работ при горизонтальной укладке контура. Трубы размещают минимум на 0,5 метра ниже уровня промерзания грунта, т.е. всего придётся копать землю на глубину 2-2,5 м. Грунт необходимо где-то складировать и размещать на время прокладки труб.

Бурение скважин общей глубиной до 200 м потребует специального дорогостоящего оборудования, сделать такой объём работы своими руками невозможно. Самостоятельно приступать к укладке контура целесообразно только при наличии в пользовании технических средств: экскаватора, самосвала, бульдозера или буровой установки.

Экономическое обоснование использования геотермальных тепловых насосов

Выбор того или иного способа отопления дома зависит от многих параметров:

  • технической возможности и стоимости подключения к сетям поставки энергоресурсов (газ, электричество);
  • стоимости оборудования и монтажных работ;
  • сроков эксплуатации установленного оборудования;
  • эксплуатационных расходов на энергоресурсы и техническое обслуживание системы в течение срока эксплуатации.

В статье сравним затраты на отопление дома площадью в 200 м 2 на протяжении 10 лет эксплуатации разными способами: магистральным газом, электричеством, газом из индивидуального газгольдера, тепловым насосом, питаемым электроэнергией.

Изначальные и эксплуатационные расходы

В смету на изготовление полной системы отопления, организованной с помощью теплового насоса входит цена:

  • насоса необходимой мощности;
  • труб внешнего контура;
  • дополнительного оборудования – циркуляционного насоса, расширительного и накопительного баков;
  • труб для обустройства «тёплого пола» или воздуховодов для распределения тепла по помещениям;
  • запорной и регулирующей аппаратуры;
  • монтажных и пусконаладочных работ.

Мощность насоса должна на 10–15% превышать тепловые потери дома через стены, пол потолок, двери и окна. В среднем считают, что для Средней Полосы дом 200 м 2 потребует установки насоса мощностью 13 кВт для отопления и ещё около 700 Вт уйдёт на подготовку горячей воды для санитарных нужд. Таким образом, необходимо приобрести тепловой насос мощностью 14 кВт.

Насос геотермального отопления

Так выглядит типичная «котельная» с тепловым насосом.

Цена такого оборудования у разных производителей колеблется от 210 000 рублей в базовой до 500 000 рублей в премиум комплектации.

Длина труб коллектора будет зависеть от структуры почвы:

  • сухой песок отдаёт 10 Вт/м длины трубы диаметром 25 мм;
  • сухая глина – 20 Вт/м;
  • влажная глина – 25 Вт/м;
  • глина с большим содержанием грунтовых вод – до 35 Вт/м.

Таким образом, длина контура составит от 400 до 1 200 м.

Вертикальные контуры выгоднее по теплоотдаче:

  • осадочные породы отдают 20 Вт/м;
  • каменистая почва и влажные осадочные породы с грунтовыми водами – 50 Вт/м;
  • подземные воды – до 70 Вт/м.

Исходя из показателей, общая глубина скважин составит от 200 до 700 м, что в 2 раза меньше, чем при горизонтальном расположении. В грунте с хорошей теплоотдачей для дома 200 м 2 бурят 3 скважины длиной по 75 метров.

Для обеспечения необходимой мощности циркуляционный насос должен обеспечивать прокачку теплоносителя через контур в объёме 5 м 3 /час.

В первичном контуре теплонасосной станции устанавливают расширительный бак, ёмкость которого должна составлять 10% от объёма теплоносителя. Его можно узнать, рассчитав внутренний объём труб. Например, 1 м трубы с внутренним диаметром 32 мм содержит 0,8 литра жидкости.

В обратной ветке контура устанавливают накопительный бак объёмом 10-20 литров на 1 кВт мощности насоса, т.е. в нашем случае для насоса 14 кВт потребуется ёмкость объёмом 140-280 литров. Необходимость бака обусловлена тем, что насос без накопительного бака будет работать непрерывно – это снижает срок эксплуатации.

Как на самом деле выбрать самые дешевые на рынке радиаторы отопления

Узнать стоимость оснащения дома тепловым насосом без учёта внутренней разводки можно с помощью калькуляторов, представленных на сайтах производителей оборудования и монтажных организаций. Цены колеблются для разных регионов. Готовые системы под ключ (со стоимостью работ и оборудования) специализированные организации готовы изготовить по цене от 670 тысяч в регионах до 1,5 млн. рублей в Московской области.

Точных данных о сроках эксплуатации систем в России пока нет, но зарубежный опыт показывает, что в среднем тепловые насосы «грунт-вода» служат до замены около 50 лет.

Сравнение стоимости отопления для разных энергоносителей

Средние данные по стоимости оборудования дома и расходам на отопление дома площадью 200 м 2 системами с разными энергоносителями приведены в таблице ниже.

Тепловой насос «грунт-вода»Магистральный газЭлектричествоГазгольдер
Стоимость оборудования и монтажа, тыс. руб.570-1 500200-300 (с подключением)20-60180-250
Срок эксплуатацииДо 50До 50 с заменой котла через 10 лет7-1030
Амортизационные расходы, тыс. руб. в год15-305-84-68-10
Эксплуатационные расходы за год, тыс. руб.20-40*30-40100-200*50
Общие расходы в отопительный период с учётом амортизации, тыс. руб.40-7045-55110–210*60-70

* — взят тариф на электроэнергию в среднем 2,52 кВт/ч в сельской местности и 4,8 в городских условиях.

В таблице приведены максимальный расход денежных средств на отопление. В реальной практике затраты несколько ниже, так как в течение отопительного периода случаются продолжительные оттепели, когда оборудование работает в режиме 40-50% мощности.

Геотермальные тепловые насосы набирают всё большую популярность в нашей стране. Принимая решение оборудовать дом именно этой системой, нельзя слепо верить обещанием продавцов. У этого типа оборудования есть недостатки, а расчёт и монтаж следует поручить известным компаниям, изучив максимальное количество отзывов об их работе.

Отопление дома геотермальным насосом

Идея использовать внутреннее тепло Земли для отопления совсем не нова и неоригинальна. И хотя далеко не у всех поблизости есть горячие подземные воды, ее все-таки может использовать каждый. Такую возможность предоставляют геотермальные тепловые насосы. Они извлекают из земли и воды запасы накопленной в них солнечной энергии, и проедают ее в отопительный контур дома.

Теория разработана еще в 1852 знаменитым лордом Кельвином. Реализовал ее он же в 1855 году, и успешно использовал не протяжении многих лет. Несмотря на высокую эффективность, геотермальные тепловые насосы для отопления не находили широкого применения вплоть до конца 20 века. Тогда в 70-х годах в Европе стали активно развивать энергосберегающие технологии, и одним из направлений были тепловые насосы.

Наружный блок геотермального теплового насоса выглядит так. И что приятно, так это то, что работать они могут и на отопление и на охлаждение

Наружный блок геотермального теплового насоса выглядит так. И что приятно, так это то, что работать они могут и на отопление и на охлаждение

В чем привлекательность этой идеи: затратив 1 кВт электричества, вы можете получить от 2 кВт до 6 кВт тепла. И это не противоречит законам теплотехники. Просто эта установка тратит энергию не на производство тепловой энергии, а на ее перенос.

Такая разная эффективность — от 2 до 6 — зависит не только от конструктивных особенностей установок, но и от условий эксплуатации. Самая высокая производительность у тепловых насосов может быть достигнута при температуре в отопительном контуре в районе +35 o C. Потому идеально эти установки стыкуются с водяными теплыми полами.

Есть, конечно, и установки, которые нагревают воду в отопительном контуре до 50-65 o C, но, во-первых, стоят они больше, Во-вторых, лучшую эффективность показывают все равно в заданном диапазоне.

Принцип действия геотермального теплонасоса

Тепло у нас под ногами есть в любой среде. Его количество разное в разных регионах, но оно есть повсеместно. И геотермальный тепловой насос отбирает это тепло у природных источников и передает его нагревательному контуру.

Что может стать источником тепла? Любая среда вне помещения, температура которой зимой выше 0 o C. Это близлежащий непромерзающий водоем, речка, даже колодец с достаточным количеством воды. Есть тепло и в грунте: ниже точки промерзания температура всегда положительная.

Источником тепла может быть любая среда с температурой выше нуля зимой

Источником тепла может быть любая среда с температурой выше нуля зимой

Принцип работы геотермального теплового насоса состоит в том, что тепло от источников переносится в установку, где преобразовывается и передается в отопительный контур.

Если говорить чуть подробнее, то все происходит так. В относительно теплой среде находится трубопровод с теплоносителем большой протяженности. Трубопровод чаще всего замкнутый, его движение обеспечивается насосом. Теплоноситель нагревается до температуры среды. Обычно это +5 o C или чуть выше. Проходя по первому теплообменнику-испарителю, он отдает тепло находящемуся во втором контуре хладагенту.

Устройство теплового насоса: это три контура с теплоносителями, компрессор и испаритель, сбросный клапан

Устройство теплового насоса: это три контура с теплоносителями, компрессор и испаритель, сбросный клапан

Хладагент — вещество, которое кипеть начинает при температуре выше -5 o C. В большинстве установок используют фреон. До включения установки он находится в жидком состоянии. Потом, по мере поступления тепла от термальных источников, его температура поднимается. Фреон начинает испаряться, переходит в газообразное состояние. Этот газ уже имеет температуру порядка +5 o C. Он поступает в компрессор, где его сжимают. При сжатии выделяется большое количество тепла, и из компрессора газ уже выходит с температурой от 35 o C до 65 o C. Он поступает в еще один теплообменник — конденсатор, где отдает тепловую энергию теплоносителю, который идет в контур отопления.

Сам фреон, отдав большую часть тепла, частично остывает, но все еще находится в газообразном состоянии при повышенном давлении. Он поступает на сбросный клапан, где давление резко падает, он резко охлаждается и сжижается. После чего снова поступает в испаритель, где начинается новый цикл преобразования.

Источники тепла и способы доставки энергии

Как уже говорилось, источник тепла для теплового насоса — любой объект, имеющий зимой положительную температуру. Большая часть из них — низкопотенциальные, то есть количество тепловой энергии заключено в них этого незначительное. Но это не значит, что использовать эту энергию нельзя. Можно, только придется делать для этого большой контур для ее сбора. И в этом состоит сложность устройства геотермальных тепловых насосов: кроме значительных затрат на оборудование, требуются немалые средства на строительство внешнего контура сбора тепла.

Тепловой насос с теплыми полами - идеальная совместимость

Тепловой насос с теплыми полами — идеальная совместимость

Сразу можно сказать, что четкого определения того, какие источники тепла являются геотермальными, а какие нет, вы не найдете. Некоторые считают что геотермальные — это те источники, которые находятся в грунте. Другие говорят, что вода — также подходит под эту категорию: она часто находится под землей, и та, что находится в открытых водоемах, также когда-то протекала в грунте. Тем более что способ переноса тепла одинаков: при помощи циркулирующего по контуру теплоносителя и подавляющее большинство современных агрегатов работать может с любым из этих источников.

Рассмотрим все источники тепла, которые могут подходить под эту категорию. И начнем с самого простого, требующего минимум затрат на обустройство.

Даже зимой подо льдом вода имеет достаточно высокую (относительно воздуха) температуру: от +5 o C до +7 o C. Вся задача состоит в том, чтобы эту энергию перенести к тепловому насосу. Для этого в водоем укладывают полимерные трубы, заполненные незамерзающей жидкостью (чаще всего это соляной раствор, иногда антифриз). В среднем считается, что с метра трубопровода, уложенного в водоеме, можно получить 30 Вт тепла. Исходя из этого, считают протяженность труб. Например, вам для обеспечения теплом дома нужно 12 кВт тепла. Получаем: 12000 Вт : 30 Вт/м = 400 м. Вот столько труб нужно будет уложить в водоем.

Энергию у воды можно не только в открытом водоеме. Если близко подпочвенные воды можно использовать скважины

Энергию у воды можно не только в открытом водоеме. Если близко подпочвенные воды можно использовать скважины

Есть другой вариант. Он приемлем, если потребность в тепле не очень большая, а на участке имеется колодец с хорошим дебетом (высокая скорость притока воды). Понадобиться вторая скважина для сброса воды, но никакого длиннющего контура. Только не путайте! Если в колодце стоит 3 кольца воды, это совсем не значит, что дебет у него хороший. Это значит, что грунтовые воды близко. Но скорость поступления воды (а дебет — это именно она) может быть при этом небольшой.

Нужно будет подавать в дом из колодца необходимое количество «теплой» воды, а остывшую отводить во вторую скважину. Обязателен в этом случае расчет потребности воды и определение параметров циркуляционного насоса.

Грунт

Всем известно, что ниже точки промерзания температура почвы выше 0 o C. Это значит, что тепло оттуда можно перекачать для отопления дома. Делают это двумя способами: при помощи горизонтального коллектора или вертикального.

Горизонтальные геотермальные контура

Для устройства горизонтального геотермального поля требуется большая площадь: от 200 м 2 и больше. На всей этой площади приходится снимать грунт на 30-50 см ниже точки промерзания грунта. На практике это 1,2-2 метра в зависимости от региона. Ниже копать не стоит. В грунте сохраняется энергия, накопленная с лета, а слишком глубоко опустившись можно потерять значительную часть тепла: туда оно просто не проникло.

Так выглядит площадка под горизонтальный геотермальный зонд

Так выглядит площадка под горизонтальный геотермальный зонд

Необходимая площадь зависит от потребности в тепле и типа грунта: в одних можно забрать 30 Вт с одного метра, в других 60-75 Вт. Самые значительные запасы энергии есть во влажных грунтах с близко расположенными грунтовыми водами. Если возле вашего дома именно такие — вам повезло. Если нет, тоже ничего страшного, просто площадь потребуется больше (и труб тоже). Расстояние между двумя соседними витками трубы 1-1,5 метра.

Сколько тепла можно получить с одного метра горизонтального теплового зонда

Сколько тепла можно получить с одного метра горизонтального теплового зонда

Для уменьшения занимаемой площади можно использовать спиральную укладку. Это когда контур из труб выкладывается не «змейкой» или «улиткой», а спиралями, которые находят одна на другую. Площади требуются несколько меньшие, но все-таки значительные.

Большие пространства есть далеко не возле каждого дома. Тем более что дальнейшее их использование ограничено: нельзя высаживать растения с мощной корневой системой (деревья) или ставить капительные строения. Если вы не можете выделить такой участок под сбор тепла, или не хотите выполнять подобный объем земельных работ, можно использовать вертикальные скважины.

Чтобы уменьшить площадь под геотермальное поле можно использовать скрученные в спирали трубы

Чтобы уменьшить площадь под геотермальное поле можно использовать скрученные в спирали трубы

Недостатки горизонтального поля:

  • Большой объем земляных работ.
  • Летом режим пассивного охлаждения недоступен.
  • Постепенное понижение температуры к концу отопительного периода (и это тоже нужно учитывать при расчете длины трубопровода).
  • После завершения укладки труб нельзя сразу приступать к ландшафтным или другим работам: нужно ждать усадки грунта. А это не менее года.
Вертикальные зонды

Ниже 20 метров от поверхности температура грунта повышается. На этой глубине она вне зависимости от погоды и времени года всегда стабильна: от 10 o C и выше (в зависимости от региона). Для того чтобы добраться до этого тепла делают скважины для тепловых насосов. Они обычно дают больше тепла, потому требуется не такое значительное их количество.

Но количество энергии, которою можно «выкачать» сильно зависит от типа грунта. Меньше всего дают песчаные почвы: 30 Вт/м, много энергии содержится в граните — до 75 Вт/м. Потому очень может разниться и длина требуемой скважины.

Сколько тепла можно «снять» с одного метра скважины в грунте

Бурение скважин — далеко не самое дешевое удовольствие. Особенно на большие глубины: для этих целей используется мощная техника, стоимость работы которой велика. Но не обязательно делать одну скважину. Можно пробурить несколько на меньшую глубину, важно только чтобы суммарная их протяженность совпадала с рассчитанной. В этом случае под геотермальное поле занимается меньший участок, но он тоже значительный. К тому же требуется организовать коллектор для сбора потоков от всех зондов, а это еще дополнительное оборудование, и земляные работы (трубы от одной скважины к другой прокладывают ниже уровня промерзания).

Вертикальный зонд - скважина приличной глубины. Но такое бурение очень дорого, так что можно сделать некоторое количество более коротких скважин

Вертикальный зонд — скважина приличной глубины. Но такое бурение очень дорого, так что можно сделать некоторое количество более коротких скважин

Недостатки вертикальных зондов:

  • Высокая стоимость бурения.
  • Значительные площади под геотермальное поле: минимальное расстояние между скважинами — 8 метров.
  • При большой глубине скважин есть ежегодное снижение температуры. Через несколько лет процесс сильно замедляется, но тепла со временем поступает меньше. Это тоже нужно учитывать при расчетах.
Кластерное бурение

Что делать, если и под вертикальные зонды у вас места не хватает? Есть так называемое кластерное бурение. Это когда от общего центра скважины расходятся в разные стороны лучами. Для этой технологии требуется выделить участок в 4 м 2 . В этом квадрате снимается грунт и устраивается своеобразный колодец, в который потом заводят трубы от зондов. В принципе, этот центр можно устроить даже в подвале дома.

Для такой системы зондов, конечно, требуется специальная техника, но она не очень мощная: глубина бурения средняя, высокая производительность ни к чему. Эта технология, как и многие другие, разработана в Европе. Там обращают внимание не только на безопасность, но и на сохранение природы и бережное отношение к частным владениям. Потому некоторые установки для кластерного бурения имеют резиновые гусеницы и практически не повреждают придомовую территорию. В целостности остаются и газоны, и дорожки.

В пробуренные скважины опускают заполненные теплоносителем трубы. Тут опять таки-есть варианты. По одной технологии используются, как и в других внешних контурах, полимерные трубы, а в других — металлические. Металл применяется особый, коррозионно-стойкий. Его строк эксплуатации 50-70 лет. А чем он лучше? У него выше теплопроводность, то есть тепло переносится эффективнее. Это значит, что с одного метра скважины, «снять» можно больше тепла. Потому и скважины в этом случае должны быть менее длинными.

Кластерное бурение экономит землю

Кластерное бурение экономит землю

Работу установки кластерного бурения вы увидите в видео. Тут же можно оценить размеры геотермального насоса для дома (площадь 250 м 2 ).

Производители и отзывы

В Европе геотермальные тепловые насосы для отопления окупают себя за несколько лет. Но у них стоимость отопления гораздо выше, как и цена на энергоносители. Для нашей же страны, потраченные на установку 10 тыс. — 15 тыс. долларов, возвращаться будут годами, если не десятилетиями. Это не значит, что оно не окупится вовсе (хотя может случиться и так), но очень нескоро. И, тем не менее, устанавливать геотермальный тепловой насос из Китая не стоит. Хоть они и дешевле, и порой значительно, но у них нет ни запчастей, ни сервисов, ни гарантийных обязательств. Если что-то с техникой случится, вы останетесь сами со своей проблемой.

Какие установки стоит приобретать? В первую очередь это немецкие. В Германии самые строгие законы, нормирующие строительные материалы и оборудование для дома, и очень жесткая сертификация. Если установки допущены к эксплуатации в Германии, то они точно безопасны и качественны. Примеров тому множество в любой области строительства. То самое, знаменитое «немецкое качество» присуще и геотермальным насосам для дома.

Схема организации системы отопления дома с использованием тепловых насосов

Схема организации системы отопления дома с использованием тепловых насосов

Кроме немецких агрегатов хорошие отзывы имеют еще многие другие европейские производители. Часть из них производит подобную аппаратуру уже более 50 лет, так что технологии давно выверены и отлажены. К примеру, геотермальные тепловые насосы Nibe в Швеции устанавливались не только в квартирах и частных домах. Термальный насос Nibe был смонтирован даже на крупной свиноводческой ферме, где от его тепла греются поросята. В этом варианте, кстати, зонды закладывались не в грунт и не в скважины. Они отбирали тепло у навозной жижи: проложили наружный контур вдоль бортов сточных каналов. Вот уж точно бесплатный источник тепла. Владелец фермы очень доволен: его вложения окупились за 1,5 года.

В геотермальных тепловых насосах Daikin применяется инверторное управление, что позволяет снизить затраты электроэнергии еще на 20% по отношению к аналогичным агрегатам обычного типа.

В шведских геотермальных насосах Danfoss собраны сразу три запатентованные технологии. Две из них позволяют при меньших затратах быстрее нагревать воду для ГВС и достигать более высоких температур в контуре отопления. Еще одна руководит работой циркуляционных насосов, оптимизируя их скорость. Это позволяет добиться максимальной производительности.

Итоги

Геотермальные насосы — не самая дешевая затея. Если у вас есть возможность подключить газ, и эта затея обойдется вам меньше, чем 15 000 долларов, подключайте газ. Если такой возможности нет или сумма получается больше — целесообразно установить тепловой насос. И лучше геотермальный. Он хоть и требует больших вложений на старте, но работает стабильнее и показывает большую производительность. Сумма вложений — очень приблизительная и зависит от конкретных условий. Но эти устройства тем и отличаются, что проект и расчет геотермального теплового насоса — вещь сугубо индивидуальная и считается под каждый проект. Даже на двух соседних участках условия (и сумма) могут значительно отличаться.

Геотермальное отопление: принцип работы, возможности и эффективность

Словосочетание «геотермальная энергетика» у большинства людей вызывает ассоциации с Исландией, гейзерами и вулканами, кто-то вспомнит о промышленно осваиваемых месторождениях термальных вод на Камчатке, в Дагестане, в Ставропольском крае. Однако, геотермальная энергетика – это не только промышленные масштабы, но и геотермальное отопление частного сектора. Например, в странах Скандинавии с помощью тепловых насосов отапливается порядка 1,5 миллиона домов, подобные проекты реализуются и в России. Разбираемся, как работает технология отопления подземным теплом, в каких формах она реализуется, и насколько эффективна.

Геотермальное отопление: как оно работает

Первые дома, обогреваемые теплом Земли, стали появляться 50 лет назад; сегодня их можно встретить по всему миру, от Канады до Новой Зеландии.

Работа устройства, использующего тепловую энергию недр, основана на применении обратного цикла Карно, описывающего круговые процессы обмена теплом. Такая термодинамическая система функционирует благодаря разнице температур составных частей; принцип давно и успешно реализован в холодильниках и кондиционерах.

Чтобы запустить геотермальное отопление дома, нужно организовать систему, которая будет собирать тепло из почвы (или воды) и передавать его в контур отопления дома. Подземное тепло генерируется в любой точке земного шара, и геотермальное отопление успешно реализуется в России, например, в Московской области. Интересно, что схема функционирует таким образом, что летом она работает как кондиционер, а зимой – как источник отопления.

На глубине шести метров начинается зона, где температура остается стабильной круглый год. Она сохраняется на уровне средней годовой температуры атмосферы в данной местности; в областях с умеренным климатом это +15°C, ниже она растет. Для сбора подземной тепловой энергии применяется контур (теплообменник). Это трубопровод, который монтируют под землей или под водой. Для организации отопления из земли используют следующие методы:

  • В вертикальную скважину. Вариант, подходящий для небольших участков. Рядом с домом пробивают две геотермальные скважины по 80-90 м, в каждую помещают геотермальный зонд. Тепловой насос поднимает нагретую воду, она проходит через теплообменник и отдает тепло во внутренний контур дома. Вертикальный контур отличается наибольшей энергетической эффективностью и сроком эксплуатации.
  • С устройством горизонтального коллектора. Метод подходит для участков большой площади. Чтобы получить исправно работающий коллектор, с помощью экскаватора подготавливают траншеи глубиной 2-2,5 м, куда укладывают ПНД (полиэтиленовые) трубы. Площадь участка, с которого будет собираться тепло, соизмерима с площадью жилья.
  • На дне водоема. Горизонтальный коллектор (зонды горизонтального типа) устанавливают на дне, если водоем обладает достаточными габаритами (площадью и глубиной), и находится недалеко от дома. Способ также демонстрирует хорошую энергоэффективность.
  • С использованием антифриза. На достаточную (75 м и более) глубину погружают емкость, заполненную антифризом. Нагретая жидкость поднимается тепловым насосом и отдает энергию теплообменнику, а затем возвращается под землю для следующего цикла.

Плюсы и минусы технологии

Геотермальное отопление дома, принцип работы которого не включает сжигание топлива, идеально с точки зрения современных представлений об экологической безопасности. Геотермальная отопительная система предоставляет своим владельцам следующие преимущества:

  • Безопасность во всех сферах: отсутствие вредных выбросов, что важно для здоровья хозяев, их домашних животных, для окружающей среды, а также пожаробезопасность.
  • С отсутствием топлива пропадает необходимость в его закупке (заготовке), доставке и хранении.
  • Экономическая выгода. Силы природы работают бесплатно. Вы тратитесь только на приобретение и монтаж системы, а во время эксплуатации – на электроэнергию для теплового насоса. При этом в отрегулированной системе на каждые 1 кВт, затраченных на работу насоса, приходится около 3,5-4 кВт, добытых из-под земли.
  • Компактные размеры. Основной по размеру контур прячется под землю (воду), в доме нужно будет установить только насос, и отдельная котельная для этого не нужна.
  • Доступность. Оборудование можно установить где угодно. Единственное условие для начала работы – наличие электричества в доме.
  • Многофункциональность. Когда холодно, система работает на обогрев, когда жарко – на охлаждение.
  • Долгий срок эксплуатации. Технологически правильный монтаж станет гарантией длительного функционирования. Геотермальный контур надежно защищен толщей земли, а срок службы тепловых насосов составляет 25-30 лет.

Владельцы, не доверяющие геотермальному отоплению частного дома, выдвигают следующие аргументы:

  • Приходится идти на значительные затраты, чтобы подготовить систему к работе: приобрести насос, дополнительные материалы, выполнить монтаж внешнего и внутреннего контура. Оборудование обойдется в 8-10 раз дороже, чем аналогичная газовая техника.
  • Геотермальная система не является автономной. Чтобы она функционировала, на каждые 4 кВт тепловой энергии придется тратить 1 кВт электричества.
  • Уровень теплоотдачи иже, чем у традиционных технологий. Например, контур, уходящий вглубь на 20-30 м, отдает только 40 Вт тепла с одного погонного метра.
  • Длительный период окупаемости. В среднем он превышает 10-15 лет, тогда как среднему по мощности газовому котлу (до 12 кВт) понадобится примерно 5 лет, чтобы окупиться.

Как монтируют геотермальное отопление

Работы по установке геотермальной системы отопления включают три этапа:

  • На площадке проводятся буровые и монтажные работы.
  • Приобретается и доставляется оборудование и тепловой насос.
  • Монтируется внешний и внутренний контуры. Они соединяются через тепловой насос, затем проводятся пуско-наладочные работы.

Горизонтальный, вертикальный и подводный контуры имеют свои особенности монтажа: Горизонтальный трубчатый теплообменник укладывают ниже глубины промерзания. Если грунтовые воды пролегают высоко, организуется песчаная подушка, предпринимаются меры, нивелирующие пучение, деформацию и выдавливание контура.

Длину горизонтального теплообменника определяют расчетом: 40 м труб на 1 кВт тепловой энергии. Для подобной системы может потребоваться солидный участок (до 2,5 соток), и вам придется придумать, как его потом использовать, так как над теплообменником нельзя возводить строения с подземным фундаментом или высаживать деревья.

Вертикальный подземный контур почти на треть эффективнее горизонтального аналога. Глубину скважины рассчитывают из соотношения 10-30 м труб на 1 кВт (зависит от свойств пород). Если глубина получается слишком большой и экономически нецелесообразной, можно сделать несколько мелких скважин, дающих в сумме нужную мощность.

Организовать подводный контур можно при условии, если водоем находится максимум в ста метрах от дома, и он не промерзает зимой. Чтобы получить 1 кВт тепловой энергии, понадобится уложить 35 м труб. Несмотря на то, что надо будет позаботиться о якорном балласте, препятствующем всплыванию, и защите на кромке ледообразования, подводный контур будет самым дешевым по затратам.

Действующие системы организованы так, чтобы обеспечивать нагрев в 50°C, поскольку специальные расчеты показали наибольшую эффективность данного варианта. Следствием ограничения является использование в домах с отоплением от земли преимущественно не привычных радиаторов, а теплых полов или воздушного (парового) отопления.

Видео описание

Об окупаемости теплового насоса в следующем видео:

Коротко о главном

Геотермальное отопление является перспективной, но недооцененной системой для частных домов. Его можно организовать тремя способами: в вертикальной скважине, в виде горизонтального подземного коллектора или под водой.

Обогрев подземным теплом экономически выгоден; максимального эффекта от установки можно добиться при использовании теплых полов. Система работает круглогодично: зимой нагревает помещения, а летом снижает температуру воздуха, из-за чего отпадает надобность в кондиционере. Многие владельцы загородных домов не спешат выбирать экологичную технологию по причине высоких трат на покупку и монтаж оборудования.

Геотермальное отопление: принцип работы, практическое использование, перспективы

Суть геотермальной энергии заключается в использовании естественного тепла земли на глубине 1,5 м. Этот один из альтернативных способов обогрева активно используется на промышленных предприятиях, сельских фермах, в жилых домах. Наибольший эффект достигается в регионах, где температура опускается ниже -20 градусов.

Большая часть нашей страны, за Уралом в Сибири на Дальнем востоке, не может похвастаться умеренно холодными зимами как в европейской части России. За частую столбик термометра опускается ниже отметки -40 -45 градусов. Широко известные и доступные воздушные тепловые насосы в этих условиях теряют свою актуальность, так как самые продвинутые модели способны эффективно работать с низкопотенциальным источником тепла температурой до -20.

Геотермальное отопление для частного дома

В это же время, грунт и вода укрытые снегом, сохраняют большое количество теплоты. Температура земли ниже точки промерзания всегда сохраняет положительные значения +8 +12. Логично в этой ситуации отказаться от легкодоступного низкопотенциального источника воздуха в пользу более стабильной и теплоёмкой земли и воды.

Так же следует заметить, что КПД теплового насоса, а точнее его COP на прямую зависит от температуры источника. Чем теплее, тем эффективней процесс преобразования энергии.

Актуальность геотермального отопления

Традиционные виды топлива дорожают каждый год, при использовании углеводородов в атмосферу выбрасывается огромное количество загрязняющих веществ. Все это объясняет привлекательность альтернативных источников энергии. Например, в Швеции из 10 новых загородных домов 7 используют описываемый метод обогрева. При этом вопреки бытующему мнению, для эффективного функционирования системы не нужны близко расположенные гейзеры или вулканы: на равнине отопление работает ничуть не хуже. Геотермальное отопление дома подразумевает использование тепла от почвы, грунтовых вод, которые относительно легкодоступны. Чтобы получить 4-5 кВт/ч энергии, тепловому насосу хватит 1 киловатт-часа. Особенности системы:

  • экологическая и пожарная безопасность;
  • отсутствие шума при работе;
  • небольшие габариты системы;
  • автономный режим;
  • под оборудование, размещаемое в доме, требуется место, сопоставимое с габаритами обычной стиральной машины;
  • при правильном монтаже и настройке вмешательство человека не требуется;
  • длительный эксплуатационный ресурс: тепловые насосы служат от 20 до 30 лет;
  • высокая стабильность системы, работающей при любых погодных условиях;
  • большой промежуток между профилактическими ремонтами насоса (до 100 тыс. ч).

Принцип действия

Впервые был опубликован еще в 1824 г. во Франции ученым Сади Карно. Действие геотермального отопления можно сравнить со старым типом холодильника. В нем тепло отводится посредством обменника за пределы холодильной камеры: в итоге содержимое бытового прибора остывает. Геотермальный способ наоборот, вытесняется холод в грунт, а тепло накапливается в помещении.

Согласно закону термодинамики, теплота от нагретого тела стремится перейти к холодному и перейти в состояние равновесия. Благодаря расширению-испарению хладагента его объём увеличивается, а температура снижается, тепловая энергия земли старается уравновесить эти процессы. Контактируя с грунтом, через промежуточный теплоноситель, фреон поглощает его тепло. Однако этого мало, чтобы обогреть здание.

Геотермальное отопление

В системе – три главных составляющих:

    ;
  • коллектор, размещенный под землей;
  • система отопления дома.

Как работает тепловой насос

Внешне он напоминает небольшой холодильник, среди основных элементов которого стоит выделить:

  • ЭРВ: устройство дросселирующее фреон. Жидкий охлажденный хладагент под высоким давлением впрыскивается в испаритель с низким давлением.
  • Испаритель. Здесь хладагент испаряется и холодный газ поглощает окружающее тепло.
  • Компрессор, в котором нагнетается давление, благодаря чему газ разогревается до +70 градусов.
  • Конденсатор: сюда подается горячий газообразный фреон из компрессора, чтобы, конденсируясь и отдавая тепло снова, превратиться в жидкость. Через стенки конденсатора осуществляется теплообмен фреона и теплоносителя, циркулирующего в системе отопления здания.

Как работает тепловой насос

Уникальность теплового насоса (ТН) в том, что он в жаркое время года может работать, как система охлаждения. Наиболее эффективно использовать это устройство с низкотемпературной системой отопления, теплыми полами либо фанкойлами. При выборе насоса стоит учитывать нижеследующие параметры:

  • СОР. Аббревиатура принята во многих странах мира и указывает на рентабельность ТН. Например, СОР 4 означает, что на 1 кВт потребляемого электричества вырабатывается 4 кВт тепловой энергии. Следует заметить, что СОР теплового насоса будет максимальным в случае, когда разница между низкопотенциальным источником и теплоносителем в системе отопления не будет превышать 40 градусов.
  • Контроллер. Наличие в составе ТН встроенного контроллера и автоматики управления устройством, говорит о том, что все собрано и протестировано на заводе изготовителе.
  • Компрессор. Современные холодильные системы все больше переходят на инверторные модели с частотным регулированием мощности.
  • Русификация. На первом этапе пользовательского освоения ТН, меню на русском языке сильно облегчает задачи по управлению и программированию устройства.

Способы размещения труб (коллектора)

  1. Первый из них, горизонтальный, подразумевает размещение коллектора под точкой промерзания грунта. В зависимости от региона глубина расположения коллектора может составлять от полутора метров. Длинна подземного трубопровода не может быть короче труб теплого пола, уложенных в доме, так же она зависит от обводненности грунта, чем влажнее земля, тем выше теплоотдача.Не допускается строительство над контуром сооружений с заглубленным фундаментом, а после завершения монтажа потребуется благоустройство участка.
  2. Второй способ расположения коллектора – вертикальный. Придется бурить в грунте несколько скважин на расстоянии не ближе 2-3 м от дома, каждая из которых входит в почву под своим углом и направлены они в разные стороны. Внутри земляных отверстий глубиной до 50 м размещают геотермальные зонды. По конструкции это одна или пара U-образных труб, выполненных из пластика марки ПНД. Одна скважина (1 погонный метр) способна отдать до 50 Вт. Т. е., чтобы получить те же 7-9 кВт, нужно от 150 до 200 м геотермальных зондов. Это актуально, если участок небольшой, места мало. Данный способ в разы дороже горизонтального, но его плюс, не нарушается ландшафт участка. Единственное дополнительное условие – подготовка небольшого места под кессонный колодец, объединяющей трубы коллектора.
  3. Третий способ требует наличия рядом с домом водоема, который не промерзает зимой до дна (глубина должна быть от 2 м),там где будет располагаться затопленный геотермальный контур. Преимущества метода заключается в отсутствии необходимости проведения трудоемких земляных работ (исключая рытье транше до дома). Но есть и минусы – потребуется специальное разрешение, особенно, если водоем общественный. К тому же далеко не у каждого загородного дома рядом имеется озеро или пруд, река. И все же этот способ считается наиболее экономичным. Для отопления 100 кв. м площади понадобится от 250 до 300 погонных метров коллектора.
  4. И последний способ обустройства геотермальной установки – переливной. Когда вода отбирается из пробуренной водоносной скважины охлаждается в ТН на 4-5 градусов и снова сбрасывается, либо в приемную скважину, находящуюся на удалении 20 метров, либо в ближайший водоём. Недостатки данного способа заключаются в невозможности контроля уровня водоносного горизонта и необходимости дооборудования ТН фильтрами и промежуточными теплообменниками.

Геотермальное отопление

Общие отрицательные стороны геотермальных установок

Наиболее серьезная проблема – высокая стоимость подключения к низкопотенциальному источнику. Для отопления здания площадью в 300 кв. м инсталляция под ключ обойдется примерно в миллион рублей. При этом половина средств пойдет на покупку теплового насоса. Срок окупаемости самой эффективной системы, в сравнении с отоплением электричеством – от пяти лет. Еще один минус – сложность самостоятельного обустройства, о чем речь пойдет ниже.

Можно ли оборудовать геотермальную установку своими руками

Установить контуры самостоятельно очень сложно: нужны максимально точные расчеты, выполнить которые могут только специалисты. Малейшие ошибки в проектировании могут привести к низкой эффективности оборудования, и, как следствие, ее доработке, что повлечет к лишним расходам. Параметры, учитываемы при расчете геотермальной системы:

  • климат региона (среднегодовая температура, влажность);
  • извлекаемая тепловая мощность;
  • система отопления дома должна быть низкотемпературной.
  • суммарные теплопотери ограждающих конструкций дома, не должны превышать 70 Вт на 1 квадратный метр площади дома.

Перспективы развития геотермальных конструкций

Всего 25 лет назад в Европе для обогрева жилищ использовали тепло земли 25 млн. домовладельцев, сегодня эта цифра выросла в несколько раз. Это доказывает рентабельность геотермальных систем, окупаемых за несколько лет. К тому же правительства многих стран дотируют домовладельцев, пожелавших использовать энергию земли. В России такие конструкции распространены мало, что связано с большими изначальными затратами. Однако перспективы есть: с развитием конкуренции стоимость тепловых насосов будет уменьшаться, что приведет к удешевлению геотермального отопления. Но лучший вариант – государственная или хотя бы региональная поддержка. Особенно, если учитывать экологическую значимость подобного способа обогрева жилищ.

Геотермальное отопление по стоимости расходов на 2020 год и удобству эксплуатации, приравнивается к отоплению магистральным газом, при этом полностью взрывобезопасно и устанавливается за пару недель. Все остальные способы отопления либо существенно дороже, либо требуют больших ежедневных трудозатрат. Тенденции удорожания энергоносителей в обозримом будущем приведут к выравниванию российских цен с ценами для европейских потребителей. Разговоры об окупаемости в основном ведутся конкурентами по цеху, они не учитывают удобство такого способа отопления и инфляцию.

Сегодня условный потребитель зарабатывает достаточно денег, чтобы не замечать высокую стоимость обогрева своего жилища, но со временем, все может измениться.
Так как мысли о загородном доме возникают у населения нашей страны старше 40 лет, то инвестиции в отопление ТН можно рассматривать как вложения в личный пенсионный фонд. Потратиться на инсталляцию один раз и в последующем получать на 1 кВт электроэнергии 4-5 кВт тепла.

То что сейчас кажется необоснованно дорогим, завтра будет оцениваться совсем по другому.

Принцип работы геотермального отопления дома с тепловым насосом

Способы получения тепла из альтернативных источников приобретают большую популярность у владельцев домов, вынесенных за пределы города. В условиях невозможности подключения к центральным магистралям, частых перебоев подачи электричества геотермальное отопление дома может стать хорошим выходом и получить тепло для прогрева дома любой площади. Рассмотрим особенности и возможности применения оборудования.

Что такое геотермальное отопление?

Геотермальным отоплением называется система добычи тепла из постоянных источников – земли, воды. На определенных глубинах грунт и вода не промерзают, сохраняя плюсовые температуры, задача насосов взять тепловую энергию и направить ее на отопление дома.

геотермальное отопление

Оборудование представляет собой кондиционер, но с обратной функцией, направленной не на выработку холода, а тепла. Алгоритм теплового насоса выстроен на передаче энергии от источника с низким потенциалом к теплоносителю. Источники низко потенциальной тепловой энергии – это как раз земля или вода.

Преимущества и недостатки системы

К плюсам относят:

  1. Постоянство обеспечения и экономичность. Вода и земля не промерзают ниже определенных точек, поэтому отопление тепловым насосом будет осуществляться в постоянном режиме, плюс выделение тепла превышает затраты на электричество, необходимое для работы насоса.
  2. Чистота. Во время работы оборудование не образует вредных газов, шлаков. Не придется чистить горелки и топку – вся схема выстроена на отсутствии любых отходов сгорания, что объясняет экологическую чистоту.
  3. Снижение расходов. Кроме экономии электричества, хозяин не тратит деньги на закупку топлива, химических веществ и жидкостей.
  4. Безопасность. Схема выстроена таким образом, что она не вызывает возгорания, не выделяет опасных газов.
  5. Длительность эксплуатации. Обустраивая отопление за счет тепла земли или воды, владелец получает схему, которая будет работать от 100 лет. Замены потребуют некоторые конструкционные узлы со сроком износа 30-50 лет.
  6. Отсутствие шумовых эффектов. В продаже есть оборудование с шумом в 40 дБ (это тише, чем тиканье часов), такие насосы можно ставить в доме рядом с жилыми комнатами.

На заметку! Чтобы добиться максимальной экономической выгоды, владельцу придется основательно вложиться в оборудование, настройку и запуск схемы в работу. Но затраты будут однократными.

К дополнительным плюсам относят расположение всех основных узлов системы за пределами строения. Благодаря такому устройству системы подходят для применения в домах небольшой площади. Также к преимуществам относят возможность применения установки не только для прогрева, но и охлаждения помещений – тепловые насосы геотермального типа работают вне зависимости от погоды на улице, зимой они прогревают теплоноситель, а летом – охлаждают, а значит, можно сэкономить на покупке кондиционера.

Минус один – большие разовые затраты. Расходы связаны с покупкой станции, заказом услуг мастеров для формирования системы – своими руками тут не обойтись. Также придется составлять проект, покупать насос, материалы для первичного контура и создания тепловой магистрали в доме.

Источники и принцип работы термального отопления

Чтобы получить отопление из земли, используется высоко- и низкотемпературный источник. Это может быть термальный источник с горячей водой, что встречается нечасто, или любая другая энергия, добываемая из земли, воды, воздуха. Добывается тепловая энергия насосом, который монтируется на поверхности, а теплообменник системы погружается в шахту.

принцип работы термального отопления

Рассматривая термальное отопление, принцип работы которого основан на передаче тепловой энергии из земли, можно отметить, что постоянство прогрева достигается стабильностью плюсовых температур в толще грунта. Теплоноситель внешнего контура прогревается только до показателей внешней среды грунта, затем энергия передается в тепловой насос, где аккумулируется и направляется для обогрева дома.

На заметку! Размеры теплового насоса не превышают размеров стиральной машины. Для питания требуется электроэнергия. На 1 кВт электрической энергии насос вырабатывает до 5 кВт тепловой энергии, а электрокотел всего 0,09-0,99 кВт тепловой энергии на 1 кВт электричества.

Виды геотермальных установок

Различается всего три типа установок:

  • Земля-вода. Тепловая энергия забирается из грунта с помощью зондов, накапливается в коллекторе и передается в систему отопления с жидким теплоносителем. Такая схема считается оптимальной для применения в жилых домах.
  • Вода-вода. Здесь энергия тепла добывается из воды, для чего требуется источник в виде пруда, реки, озера. Профессионалы считают, что такое геотермальное отопление дома по принципу работы считается самым стабильным по показателям температуры.
  • Воздух-воздух. Это системы, напоминающие кондиционер и использующие в качестве источника бесплатный и доступный ресурс – воздух. Для работы схемы нужны вентиляторы, испарители, соединенные в одну схему.

На заметку! Системы воздух-воздух показывают высокую эффективность до -15 С окружающей среды, с понижением температуры КПД оборудования также снижается.

Варианты расположения теплообменников

Теплообменник можно выкладывать горизонтально или вертикально. В первом случае укладка петель производится на дно водоема, в котлован, монтаж контура выглядит как змеевик. При вертикальном обустройстве теплообменник погружается в шахты или скважины.

горизонтальное размещение контура

Рассмотрим оба варианта подробнее:

  1. Вертикальное обустройство требует бурения скважин на глубину до 200 м и более. На таких уровнях грунт поддерживает температуру от +10 С в круглогодичном режиме. Если обустраивается система вода-вода, то пробуриваются две артезианских скважины, из которых одна применяется для отбора тепла, а вторая – для сброса воды.
  2. Горизонтальное размещение контура не требует применения специальной техники для бурения, но нужна большая площадь выкладки петель. Укладывается трубопровод ниже точки промерзания грунта, для чего копаются траншеи. Для того чтобы определить площадь земли для выкладки контура, нужно площадь дома, которую следует отапливать, умножить на 3. Получается, что для дома в 80 м2 контур выкладывается на участке размером в 240 м2. Поэтому для горизонтальной выкладки проще всего использовать водоемы, в противном случае будет занят весь земельный придомовой участок.

Важно! Горизонтальна укладка контура чаще всего выполняется на этапе возведения дома, при работах по очистке придомового участка. Вертикальный монтаж не требует много места, но придется бурить скважины.

Как сделать геотермальный агрегат своими руками?

Разобравшись, что такое отопление от земли, как работает насос, стоит продумать варианты изготовления оборудования своими руками.

геотермальный агрегат своими руками

Простых способов два:

  • Из холодильника. Мастеру потребуется снять змеевик, расположенный на задней стенке агрегата. Чтобы сделать из змеевика конденсатор, деталь устанавливается в прочную тару из усиленного пластика или металла – главное, чтобы материал переносил пониженные и повышенные температуры. Теперь на всю конструкцию закрепляется компрессор, а в качестве испарителя используется пластиковая бочка. Систему соединить, оснастить схему полипропиленовыми трубами, которые присоединены к отопительной магистрали дома, можно запускать схему в работу.
  • Из кондиционера. Тут меняются местами блоки наружный и внутренний. Испаритель не потребуется, он уже встроен во внутренний модуль, а конденсатор для передачи тепловой энергии стоит в наружном модуле. В систему нужно поставить четырехходовой клапан, а для источника тепла используется вода, воздух.

На заметку! Если делать геотермальное отопление дома своими руками с помощью кондиционера, мастеру может потребоваться помощь специалиста – установка четырехходового клапана требует опыта.

Тепловые насосы продаются в магазине, причем фабричные изделия могут оснащаться дополнительными функциями. Стоят насосы дорого, а учитывая затраты на все элементы контура, следует попытаться сделать насос из холодильника или кондиционера. Иногда мастера разбирают старые кондиционеры, затем из деталей комплектуют стандартные системы с испарителем, компрессором и конденсатором – схема простая, особого опыта не требует и обходится намного дешевле покупного насоса.

Примерные затраты и окупаемость системы

Чтобы добыть тепло из земли, потребуются разовые значительные расходы. Перед тем как покупать оборудование, следует обратиться к проектировщикам за составлением схемы отопления, затем будут проводиться геологические промеры на местности, это нужно для выявления особенностей грунта и подбора оптимального типа оборудования. Только после предварительных этапов осуществляется покупка прибора, который также выбирается по мощности, функциональным возможностям.

Оборудование в 4-5 кВт мощности оценивается от 3000-7000$ (от 200000 рублей), агрегаты на 5-10 кВт стоят 4000-8000$ (от 260 тысяч рублей), если нужен насос с мощностью в 10-15 кВт для отопления больших площадей, то придется выложить 5000-10000$ (от 325000 рублей).

Плюс 50% от суммы потратится на работы по монтажу, запуск системы. Смета на работы получается весьма значительной, однако при постоянной эксплуатации схемы зимой на отопление, а летом на охлаждение, расходы окупаются за 5-7 лет. А работает вся система не менее 100 лет – это выгодное вложение капиталов.

На заметку! Если установить солнечные батареи, накопительные коллекторы, то можно получить автономную схему обеспечения без нужды в подаче электрического тока. Такая система будет экономить очень немалые средства и проработает без техобслуживания минимум 30 лет.

Читайте также:
Ножки для стиральной машины от вибрации
Ссылка на основную публикацию