Геотермальное отопление: принцип работы, практическое использование, перспективы. Отопление от земли как работает.

Существуют различные системы прокладки труб теплообменника. Первичный или внешний теплообменник состоит из пластиковых труб толщиной 30-50 мм, разделенных на несколько ветвей. Общая длина может достигать нескольких сотен метров.

Геотермальное отопление: принцип работы, варианты, эффективность

Правильно установленная геотермальная система отопления может снизить расходы на отопление дома в два-три раза. Эта концепция не нова, хотя более или менее массово она была внедрена лишь в конце 20-го века. Более или менее массовое внедрение произошло в конце 20-го века. Для этого было много причин, но главными из них были значительный рост цен на основные источники энергии и растущий интерес к экологически чистым источникам энергии.

Преимущества и недостатки геотермального отопления

Геотермальное отопление основано на относительно экологичном способе аккумулирования тепла, распределенного в земной массе. Верхний слой земли зимой промерзает от 50 см до 2-3 м, в зависимости от региона и широты.

То, что лежит глубже, обычно имеет температуру от 7 до 12 оС. На первый взгляд немного, но этого достаточно для отопления частного дома в относительно теплые зимы со средней сезонной температурой от +3 °C д о-3 °C.

Как работает геотермальная система:

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

Система довольно проста и часто используется для геотермального отопления частных домов в странах, где есть горячие источники или где грунт изначально нагрет до температуры 12-15 °C.

Недостатки геотермального отопления

Во-первых, системы отопления с рекуперацией тепла требуют значительных инвестиций для приобретения и установки системы. Однако геотермальную систему отопления нельзя просто купить и установить, ее эффективность зависит от многих факторов, таких как плотность почвы, содержание влаги и наличие подземных водоносных горизонтов.

Поэтому участок, предназначенный для геотермального отопления дома, должен быть дополнительно оценен специалистами. В некоторых случаях гигаджоуль тепла от сжигания угля или древесины обходится дешевле, чем от геотермальной системы.

Во-вторых, геотермальное отопление нельзя назвать полностью экологичным. На первый взгляд, трубы отопительного контура, проложенные в земле, не могут нанести никакого вреда окружающей среде. Они просто поглощают геотермальное тепло, накопленное в почве.

В действительности ситуация гораздо сложнее. В циркуляционные трубы подается специальный раствор или, в некоторых случаях, низкотемпературный газ. Грунт охлаждается до точки замерзания. В результате работы геотермальной системы отопления в грунтовом массиве участка скапливается большое количество балластной воды. Она не испаряется и не может быть использована в качестве питьевой или технической воды. Жидкость просто превращает грунт в болото.

Альтернативным решением может быть бурение скважин, но в этом случае резко возрастает стоимость геотермального отопления и, соответственно, окупаемость системы.

Преимущества

Эффективность геотермального отопления во многом зависит от удачного или неудачного расположения грунта. До недавнего времени покупка небольшого дома рядом со старым, заболоченным озером в районе затопленной реки считалась неудачным приобретением. Однако наличие пруда на участке или расположение на склоне на солнечной стороне идеально подходят для геотермального отопления, так как значительно повышают качество источника тепла.

Принцип действия

Впервые этот метод был опубликован во Франции в 1824 году ученым Сади Карно. Эффект от геотермального отопления можно сравнить со старым типом холодильника. В нем тепло отводится из холодного помещения через теплообменник: Это охлаждает содержимое бытового прибора. В геотермальном методе, напротив, холод загоняется в землю, а тепло сохраняется в помещении.

Согласно закону термодинамики, тепло нагретого тела стремится передаться холодному телу и входит в состояние равновесия. Поскольку хладагент расширяется, его объем увеличивается, а температура снижается, тепловая энергия пола пытается уравновесить эти процессы. Соприкасаясь с почвой через промежуточный теплоноситель, фреон поглощает ее тепло. Однако этого недостаточно для обогрева здания.

Система состоит из трех основных компонентов:

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

Как работает тепловой насос

Снаружи она выглядит как небольшой холодильник, на котором выделяются самые важные элементы:

• 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.

Уникальность теплового насоса (ТН) заключается в том, что он может работать как система охлаждения в теплое время года. Он наиболее эффективен при использовании в сочетании с низкотемпературной системой отопления, теплым полом или фанкойлом. При выборе насоса необходимо учитывать следующие 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.

Плюсы и минусы технологии

Геотермальное отопление жилых зданий, не требующее сжигания топлива, является идеальным с точки зрения современных экологических проблем. Геотермальная система отопления предлагает 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, которые не полагаются на геотермальное отопление в частном доме, приводят 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 ниже, 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

Установка геотермальной системы отопления состоит из трех этапов:

• 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.

Горизонтальные, вертикальные и подземные контуры имеют свои особенности монтажа: Горизонтальный трубчатый теплообменник устанавливается ниже глубины промерзания грунта. Если уровень грунтовых вод высокий, наносится слой песка и принимаются меры для компенсации морозного пучения, деформации и выдавливания контура.

Длина горизонтального теплообменника определяется из расчета: 40 метров трубы на 1 кВт тепловой энергии. Для такой системы может потребоваться большой участок земли (до 2,5 га), и необходимо продумать его дальнейшее использование, так как над теплообменником нельзя размещать здания с подземным фундаментом или деревья.

Вертикальный подземный контур почти на треть эффективнее своего горизонтального аналога. Глубина бурения рассчитывается исходя из соотношения 10-30 м трубы на 1 кВт (в зависимости от свойств породы). Если глубина слишком велика и экономически нецелесообразна, можно пробурить несколько неглубоких скважин, которые вместе обеспечат необходимую мощность.

Можно организовать подводный контур, если водоем находится на расстоянии не более ста метров от дома и не замерзает зимой. Чтобы получить 1 кВт тепловой энергии, необходимо проложить 35 метров трубы. Хотя необходимо позаботиться о балласте для якоря, чтобы избежать плавучести и защиты у кромки льда, подводный контур является самым дешевым по стоимости.

Существующие системы рассчитаны на нагрев при температуре 50°C, поскольку расчеты экспертов показали, что этот вариант является наиболее экономически эффективным. Следствием этого ограничения является то, что в домах с напольным отоплением вместо привычных радиаторов используется в основном подогрев пола или воздушное отопление (паровое).

Принципы функционирования геотермального отопления

Геотермальная энергия успешно используется в различных климатических условиях: системы могут работать как в южных, так и в северных регионах.

Геотермальная система использует природное свойство некоторых жидкостей, а именно способность испаряться, что охлаждает поверхность. Это явление имеет решающее значение для работы систем охлаждения.

Принцип геотермального отопления — это процесс охлаждения, который работает в обратном направлении. Так же работают кондиционеры воздуха, которые не только охлаждают, но и могут нагревать воздух в помещении.

Принцип работы теплового насоса

Однако возможности кондиционеров ограничены — они не могут работать при температуре ниж е-5°C. Геотермальная система, напротив, способна обогревать дом независимо от температуры приземного воздуха. Это происходит потому, что окружающая среда, из которой она черпает тепловую энергию, имеет постоянный температурный режим.

Эксплуатация и содержание оборудования

Геотермальное отопление, установленное самостоятельно или с помощью профессионалов, рекомендуется использовать в качестве вспомогательной системы к основной системе отопления. Если исключить другие источники отопления, эта система может оказаться избыточной, поскольку она не нагревает внутренние трубы. Система подходит, если в помещениях необходимо поддерживать температуру выше 15 градусов Цельсия.

Обслуживание системы относительно простое и не вызывает затруднений у пользователя. Поскольку тепловой насос работает автоматически, его не нужно ежедневно контролировать. Правильная установка и эксплуатация необходимы для того, чтобы компрессор работал в течение 15-25 лет, указанных в руководстве.

Как правило, устройство следует проверять до и после отопительного сезона. Во время работы насос и кабели регулярно проверяются на целостность. Рекомендуется регулярно (раз в полгода или раз в квартал) брать пробу теплоносителя для определения кислотности, плотности и химического состава. Водяные фильтры и теплообменники также должны проверяться каждые шесть месяцев. При необходимости они подлежат очистке.

Мировой опыт показывает, что использование тепловой энергии из-под земли является перспективным и эффективным способом поддержания тепла в доме. Однако прежде чем принять решение о выборе геотермальной системы, необходимо взвесить преимущества и недостатки, экономическую выгоду и возможности практического применения в определенных обстоятельствах.

Теплообменник, размещенный в воде

Теплообменник для осаждения воды считается единственным реальным способом эксплуатации геотермального отопления в зданиях. Для него требуется резервуар размером не менее 200 квадратных метров. Его расстояние от дома не должно превышать 100 метров. Еще одно условие — глубина водяного объема должна быть более 2 метров.

Плюсы и минусы геотермального отопления

Большим преимуществом геотермальных систем отопления является неисчерпаемость необходимых ресурсов. Земная поверхность аккумулирует около 90 % солнечной энергии. Топливо может закончиться, подача газа может быть прервана, но геотермальное тепло неисчерпаемо.

Важным преимуществом геотермальных систем является также их экологичность. Во время их работы не образуются вредные отходы. Геотермальная система — это безопасное решение в случае пожара. В ее работе не используются легковоспламеняющиеся вещества.

Основной недостаток геотермальных систем — сложность и высокая стоимость эксплуатации. Они лучше всего подходят для негазифицированных районов.