Как сделать геотермальное отопление дома своими руками

Способы получения природной тепловой энергии

Геотермальные тепловые насосы различаются по способу извлечения тепла:

1. Установки, использующие тепло грунтовых вод глубокого залегания, горячих гейзеров и т.д.
2. Системы, в состав которых входит резервуар с антифризом, устанавливаемый в грунте на глубине от 75 метров. Отопление из недр земли обеспечивается за счет естественного нагрева емкости с антифризом; в результате хладагент, проходя через теплообменник, отдает полученное тепло и возвращается в емкость.
3. Геотермальный контур укладывается по дну водоема, который является естественным аккумулятором тепла. В данном случае нужно учесть, что водоем может полностью промерзнуть в зимнее время.

Виды геотермальных тепловых насосов
Отопление дома энергией земли требует масштабных работ по монтажу системы, но зато это экологичный способ получить практически бесплатную тепловую энергию. Чтобы отопить дом, потребуются незначительные расходы на электроэнергию, необходимую для функционирования системы.

Типы и конструкции

Если Вы решились установить отопление из земли, стоит обратить внимание на разновидности. Виды геотермального отопления отличаются, прежде всего, по типу теплообменника, выбор которого зависит от объективных факторов.

От свойств конкретной местности и характеристик участка, где расположен дом, зависит могут использоваться три вида теплообменников.

Первый вид представляет собой горизонтальный теплообменник, установка которого предполагает наличие свободного участка земли непосредственно у дома. Так, для отопления дома площадью 100 кв. м понадобится не менее 300 кв. м земли. Нужно уложить трубы в траншеи, имеющие на глубину ниже замерзания грунта.

Ко второму виду относится вертикальный теплообменник, использование которого не требует дополнительной местности и не наносит ущерба ландшафту приусадебной территории. Этот тип предполагает углубление специальных зондов внутрь скважин, созданных с помощью бурильного оборудования и имеющих параметры: глубины 100–150 м, диаметра 100–150 мм.

Третий вид составляют теплообменники, устанавливаемые в воде, что является наиболее экономичным вариантом сравнительно с дорогостоящими технологиями монтажа предыдущих систем. Правда, обязательным условием для установки такого отопления является наличие вблизи (не далее 100 м) водоема.

При этом, трубы теплообменника будут уложены на дно водоема и смогут использовать для отопительной системы энергию тепла воды. Глубина установки труб должна быть не менее 2,5–3 м при площади водоема от 200 кв. м.

Как видим, каждый из видов геотермальных систем имеет свои особенности, оказывающие прямое влияние на выбор конкретного варианта. Так, если недалеко от дома расположен водоем, следует отдать предпочтение третьему виду, который считается наиболее выгодным по простоте монтажа и финансовым затратам.

Если возле дома есть достаточно неосвоенной земли, тогда можно установить горизонтальный теплообменник. А вот выбор в пользу вертикального вида потребует от Вас ощутимых денежных затрат и сложных бурильных работ.

Принципы функционирования геотермального отопления

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

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

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

Принцип работы теплового насоса

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

Функциональные особенности системы

Принцип действия и функциональные особенности системы геотермального отопления дома заключаются в выполнении следующих этапов:

1. Раствор, находящийся во внешнем контуре, приобретает дополнительный нагрев в земле примерно на 5 градусов. Его окончательная температура может находиться в районе 3.
2. Поступив в теплообменник насоса, раствор передаёт свою даже небольшую энергию фреону, которому её вполне достаточно для испарения. Перейдя в газообразное состояние, фреон поступает в компрессор, где происходит его сжатие. Термодинамические процессы, происходящие при этом, приводят к подъёму температуры до 100. И уже горячий газ подается в теплообменник, где передает энергию теплоносителю внутреннего контура, чаще всего воде. Благодаря научным работам физиков и инженеров, этот процесс детально изучен и заложен в принципиальных основах работы различного типа современного оборудования.
3. Теплоноситель внутреннего контура достигает температуры 50–70 и поступает в радиаторы, трубы. Охлаждённый фреон, поступает в расширительный экран, его температура и давление падают до первоначальных значений и весь цикл можно повторить заново. Раствор внешнего контура таким же образом передвигается в глубину земли за новой порцией энергии.

Устройство геотермальной отопительной системы

Геотермия (наука о тепловом состоянии Земли) сделала возможным практическое применение тепловой энергии, которую земная кора получает от раскаленной магмы в центре планеты.

Специально разработанный тепловой насос для отопления дома устанавливается на поверхности, а в грунте или на дне водоема монтируется теплообменник. Тепловая энергия «выкачивается» на поверхность и позволяет нагреть теплоноситель в контуре отопления дома или объекта нежилого назначения.

Как происходит процесс обогрева

Геотермальное отопление частного дома — экономически эффективный вариант. Если использовать энергию земли для отопления дома, то на каждый киловатт электроэнергии, необходимой для работы оборудования, приходится от 4 до 6 кВт полезной тепловой энергии, полученной из недр планеты.

В сравнении с функционированием кондиционера увидим, что при его эксплуатации на получение 1 кВт тепловой энергии требуется затратить более 1кВт электроэнергии. Это связано с неизбежными потерями на преобразование одной энергии в другую и т.д.

Отапливать жилой дом за счёт тепловой энергии земных недр очень выгодно, но период окупаемости оборудования и затрат на монтаж займет определенное время.

Использование тепла земли для отопления дома не требует установки традиционного котла для нагрева теплоносителя.

В данном случае система состоит из трех составляющих

:

• контур нагревания — геотермальный источник тепловой энергии;
• отопительный контур внутри дома — низкотемпературный радиаторный либо напольный;
• насосная станция — тепловой насос для перекачивания в отопительный контур тепловой энергии из контура нагревания в толще грунта или под водой.

Геотермальная система отопления может применяться также для обогрева теплиц, вспомогательных построек, воды в бассейне, садовых дорожек и т.д.

Преимущества и недостатки

Геотермальная энергия, запасы которой настолько велики, что лишь 1%, скрытый в земной коре общей глубиной в10 км может обеспечить объём в 500 раз, превышающий все мировые запасы нефти и газа.
Выделяют четыре основных типа геотермальной энергии:

1. Это тепло земли из небольших глубин, используемое тепловыми насосами.
2. Энергия горячего пара, воды в земной коре, используемая в настоящее время для производства электроэнергии.
3. Тепло, идущее с глубоких слоев без наличия воды и энергия магмы, накапливаемая в вулканических зонах.
4. Использование этого удивительного дара природы определяется только существующим уровнем техники, возможностями технологии и экономическим расчётом.

Современные конструкции геотермальных отопительных систем имеют как положительные, так и отрицательные моменты.

Основным отрицательным моментом является стоимость. Но это только кажется в начальный момент. Все затраты окупаются по различным данным за 4, 5 лет. Это связано с тем фактом, что современные модели тепловых насосов используют для своей работы гораздо меньше энергии, чем любые другие системы отопления. При потреблении 1 кВт электроэнергии их отдача составляет 5 кВт.

Положительные моменты:

1. Они не сжигают топливо и не производят вредные выбросы различных соединений в окружающую среду.
2. Минимальные затраты на обслуживание с высоким значением КПД.
3. Экологическая безопасность.
4. Надёжные свойства пожарной безопасности системы.

Оборудование для обустройства геотермального отопления

Геотермальное оборудование для глубинной отопительной системы позволяет аккумулировать извлеченную из окружающей среды тепловую энергию и передавать ее теплоносителю в отопительном контуре.

Список оборудования для обогрева с помощью тепла земли включает

:

• Испаритель. Устройство располагают на глубине, и оно служит для поглощения находящейся в геотермальных водах или грунте тепловой энергии.
• Конденсатор. Позволяет довести температуру антифриза до необходимой для функционирования системы величины.
• Тепловой насос. Обеспечивает циркуляцию антифриза в контуре нагревания, контролирует работу геотермальной установки.
• Буферный бак — емкость для сбора нагретого антифриза. Позволяет передавать тепловую энергию земных недр теплоносителю. Бак, через который проходит теплоноситель, оборудован теплообменником в виде змеевика. По нему, отдавая тепло, движется нагретый антифриз.

Схема устройства теплового насоса

Появление и распространение

Энергия земли для отопления стала распространяться в США ближе к концу 80-х годов прошлого века в городах, тяжело переживавших кризис. Системой сразу заинтересовались состоятельные люди, которым она давала возможность экономить на обогреве жилья. Затем она стала дешеветь, и ее стал применять и более бедный класс населения.

Спустя некоторое время тепло земли для отопления превратилось в прерогативу большинства владельцев частных домов. В Европе с каждым годом число домохозяйств, использующих отопление дома теплом земли, только увеличивается.

Такая тенденция распространения геотермального обогрева вполне понятна. Использование тепла земли для отопления позволяет существенно экономить семейный бюджет, оно безопасное и экономичное.

Функционирование геотермального обогрева

Его принцип работы можно сравнить с обычным холодильником, только наоборот. Земля удерживает тепло постоянно, поэтому ним можно нагревать объекты, расположенные на ее поверхности.

Смысл способа в том, что изнутри планета прогревается горячей магмой, а сверху грунт не дает ей промерзать. Получаемая тепловая энергия используется геотермальной системой обогрева, основанной на специальном тепловом насосе.

Получить отопление от тепла земли можно благодаря тепловому насосу

Происходит следующий процесс:

1. Тепловой насос устанавливают на поверхности.
2. В земле бурится отверстие, в которую опускают теплообменник.
3. Проходящая через насос грунтовая вода нагревается и используется затем в бытовых и промышленных целях.

С помощью теплового насоса удается преобразовать 1 кВт электричества в 4-6 кВт теплоэнергии

Основным преимуществом системы является соотношение электрической энергии и получаемой мощности – 1 к 4–6 кВт. К примеру, при использовании обычного кондиционера выходит 1 к 1. Поэтому установка вполне себя сможет окупить в скором времени.

Особенности

Самостоятельное отопление дома от земли имеет определенные трудности, о которых мы расскажем ниже:

1. Начинаются они с изготовления шахтного ствола. Его расчет ведется отдельно для каждого конкретного случая, во внимание принимают:

• климат в данной местности;
• тип грунта;
• характеристику строения земной коры в данном регионе;
• площадь обогрева.

На фото – основу геотермального обогрева дома составляют глубинная скважина и тепловой насос

Обычно глубина варьируется в пределах 25–100 м.

1. На следующем этапе в ствол опускают трубы, которые должны поглощать тепло из недр и подавать его в насос, повышающий температуру теплоносителя в системе отопления.

работы лучше проводить с помощником, так как трубы часто бывают достаточно большой массы.

Летом отопление энергией земли можно запустить в качестве кондиционера. Для чего активируется обратный механизм. Во время работы теплообменник начнет брать охлаждающую энергию.

Виды

Для экологически безвредной и эффективной работы системы есть три основных варианта:

Грунтовые воды	В этом случае применяют для обогрева здания тепловую энергию грунтовых вод, расположенных на большой глубине. У нее достаточно большая температура, поэтому тепловой насос отопления поднимает ее и нагревает. После этого вода через теплообменник отдает основную часть имеющейся энергии.
Антифриз	Метод требует дополнительных расходов. На глубину 75 м и ниже опускается резервуар с антифризом, цена которого довольно высокая. Когда он нагреется, его тепловым насосом поднимают к теплообменнику. После отдачи тепла антифриз поступает снова в емкость.
Водоем	Данный способ не требует оборудования грунтовой шахты. Такое отопление дома от земли подходит в том случае, если есть выход на водоем. От теплообменника по дну водоема ставят горизонтальные зонды, которые помогают преобразовывать тепло воды.

Виды геотермального обогрева

Преимущества геотермального обогрева

Теперь узнаем, какими достоинствами обладают такие системы, и смогут ли они удовлетворить наши запросы:

1. Тепловой энергии выделяется в несколько раз больше, чем расход электроэнергии на работу насоса.
2. Нет вредных выбросов, поэтому отопление загородного дома от земли экологически чистый способ.
3. Для функционирования системы необходимо только электричество. Не требуется использование химических средств и топлива.
4. Во время работы нет опасности взрыва или возгорания.
5. Правильный монтаж отопительной системы гарантирует функционирование без техподдержки примерно 30 лет.

Как самостоятельно воспользоваться теплом земли для обогрева дома

Самостоятельная установка геотермального обогрева

Нужно сказать сразу, что отопление дома энергией земли потребует одномоментного большого вложения средств. Львиная доля из которых пойдет на обустройство шахтного ствола.

самая дорогая часть в тепловом насосе – компрессор. Если не хотите проблем, не приобретайте его с китайского завода. Лучше использовать Danfoss или Copeland (желательно не из Китая).

Рекомендуем также использовать вместо радиаторов отопления систему теплый пол. Так можно снизить окупаемость оборудования в разы. Учесть следует и ежегодное повышение тарифов на традиционные энергоносители, в тоже время геотермальная система отопления дома позволит избежать ценовых скачков.

Внутри дома ничего не будет напоминать про то, что вы используете земляное отопление. Основная часть схемы – скважина и теплообменник, будут скрыты под землей. Необходимо только выделить небольшое место для прибора, к примеру, в подвале, генерирующего теплоэнергию.

Конструкция теплового насоса

Устройство позволяет производить регулировку температуры и подачу теплоэнергии. Инструкция по монтажу системы отопления в доме не отличается от традиционного способа, поэтому никаких особенностей в нем нет.

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.

:

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.

3. Горизонтальный. Использование такого коллектора допускается в регионах с теплым и умеренным климатом, так как глубина промерзания грунта не должна превышать 1,5 метров.
4. Недостатки: Необходимость использования большой площади участка (основной недостаток). Этот участок земли после укладки контура невозможно использовать под сад или огород, так как система работает с выделением холода при транспортировке хладагента, из-за чего корни растений будут перемерзать.

   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.

Температура окружающей коллектор среды не должна опускаться ниже +5°C. Контактирующую с промерзающим грунтом верхнюю часть коллектора нужно защитить термоизоляцией для избежания потерь тепловой энергии.

Разновидности геотермальных систем

Существует несколько видов таких систем отопления. Все они отличаются только теплообменником. Его выбор зависит от особенностей участка и некоторых нюансов местности.

• Горизонтальный теплообменник используется для отопления только при наличии значительной территории, где нет огорода либо сада. Если вы хотите обеспечить тепловую энергию для загородного дома площадью в 200 м², то размеры земельного участка должны составлять минимум 600 м². Трубы располагаются в подготовленных траншеях, находящихся ниже уровня промерзания земли. Естественно, эта глубина может быть разной в зависимости от региона.
• Вертикальный теплообменник помогает сэкономить место. Устанавливать такое оборудование можно, сохраняя ландшафт местности. Для углубления зондов применяется бурильное оборудование, что делает использование тепловых насосов дорогим. Важно помнить о том, что глубина скважины составляет около 100 м, а диаметр – не более 150 мм.
• Некоторые теплообменники размещаются в толще воды. Подобный вариант отопления признан наиболее экономным, однако он подойдет только для тех людей, чей дом находится на расстоянии в 100 м от ближайшего водоема. В таком случае удастся использовать тепловую энергию воды. Соответственно, все трубы укладывают непосредственно на дно озера или пруда глубиной минимум в 2,5–3 м. Площадь водоема должна составлять хотя бы 200 м².

Многие люди затрудняются сделать выбор. Чтобы не ошибиться, стоит учесть финансовые возможности и некоторые особенности земельного участка. Если рядом с домом располагается водоем, который соответствует всем упомянутым требованиям, то удастся организовать геотермальное отопление своими руками. Причем разрешение на использование тепловых насосов и выполнение работ от каких-либо инстанций не потребуется. Если говорить об использовании других систем, то для вертикального теплообменника потребуются значительные финансовые вложения, а для горизонтального – много незанятой земли.

Варианты расположения теплообменников

Расположение внутреннего контура у всех типов насосов одинаковое. А вот внешний контур может быть горизонтальным и вертикальным. Вертикальные скважины могут вскрывать или не вскрывать пласт с водой. А горизонтальные теплообменники укладываются на дне водоемов или в котлованах на глубине не менее 1 метра.

Глубина вертикальных коллекторов достигает 100–200 м. На такой глубине земля в течение всего года имеет одинаковую температуру. Для сохранения ландшафта бурят несколько скважин под разными углами из одной точки. Внешний контур монтируется в скважинах. Конструкция может прослужить до 100 лет.

Для установок вода-вода бурят две вертикальные скважины – для забора и слива воды.

Горизонтальные теплообменники укладывают на глубине ниже точки промерзания почвы. Площадь горизонтальных коллекторов должна в 3 раза превышать площадь дома. Из-за этого объемы земляных работ значительные. Кроме этого, трубы можно укладывать на расстоянии не менее 1,5 м от деревьев. Если теплообменник укладывается в водоеме, то трудоемкие земляные работы отсутствуют.

Примерные затраты и окупаемость системы

Расходы на покупку оборудования и его монтаж зависят от типа теплового насоса, особенностей теплообменника и мощности установки.

Цена насосного оборудования зависит от его производительности:

1. Агрегат с мощностью 4–5 кВт обойдется в 3–7 тыс. долларов (195–455 тыс. рублей).
2. Оборудование производительностью 5–10 кВт продается по 4–8 тыс. долларов (260–520 тыс. руб.).
3. Насосы мощностью 10–15 кВт обойдутся в 5–10 тысяч долларов (325–650 тыс. руб.).

Затраты на монтажные работы составят 20–40% стоимости оборудования. Несмотря на существенные первоначальные расходы, в процессе эксплуатации системы вы сможете экономить, потому что энергоресурсы совершенно бесплатные. Все расходы окупятся в течение первых 4–8 лет эксплуатации системы для дома площадью в пределах 100–150 квадратов.