Геотермальное отопление дома

Затраты

При изготовлении теплового насоса мощностью 9 кВт по теплу придется потратить:

• на изделия и материалы для конденсатора: 163 доллара;
• для испарителя: 206 долларов;
• на б/у компрессор и фреон: около 50 долларов.

При наличии автоматики общая стоимость самодельного теплового насоса составит примерно 500 долларов.

Полипропиленовая труба марки PN10 диаметром 50 мм для наружного контура будет стоить по 193 руб. за погонный метр.

Знаете ли вы, что отопить дом совершенно бесплатно можно, используя тепло земли? Геотермальное отопление: принцип работы, достоинства и недостатки технологии.

Принцип действия теплового насоса для отопления дома разберем в этой статье.

Как сделать агрегат своими руками?

Независимо от того, какой вариант ресурса (земля, вода или воздух) выбран для отопления, для корректного функционирования системы понадобится насос.

Это устройство состоит из таких элементов, как:

• компрессорный узел (промежуточный элемент комплекса);
• испаритель, передающий низкопотенциальную энергию теплоносителю;
• дроссельный клапан, через который хладагент находит обратную дорогу в испаритель;
• конденсатор, где фреон отдает тепловую энергию и охлаждается до изначальной температуры.

Можно приобрести целостную систему у производителя, но это обойдется в приличную сумму. Когда свободных денег под рукой нет, стоит сделать теплонасос своими руками из имеющихся в распоряжении деталей и в случае надобности докупить недостающие запчасти.

Планируя установку в частном доме геотермальной отопительной системы, в первую очередь нужно позаботиться о снижении уровня теплопотери. Для этого стены необходимо утеплить специальным материалом, двери и оконные рамы снабдить поролоновыми прокладками, а пол и потолок защитить пенопластовыми панелями. Тогда выделенное насосом тепло в максимально объеме останется внутри помещения

Когда решение о собственноручном изготовлении теплового насоса принято, нужно обязательно проверить состояние имеющихся в доме электрической проводки и электросчетчика.

Если эти элементы изношенные и старые, необходимо просмотреть все участки, обнаружить возможные неисправности и устранить их еще до начала работ. Тогда система сразу после запуска будет безупречно работать и не побеспокоит хозяев короткими замыканиями, возгоранием проводки и выбиванием пробок.

Способ #1. Сборка из холодильника

Для сборки теплонасоса своими руками со старого холодильника снимают размещенный сзади змеевик. Эту деталь используют как конденсатор и помещают в высокопрочную емкость, устойчивую к агрессивным температурам. На нее крепят исправно работающий компрессор, а в качестве испарителя используют простую пластиковую бочку.

Если для создания насоса используется очень старый холодильник, лучше заменить в нем фреон на новый. Самостоятельно это сделать не получится, поэтому придется пригласить мастера со специальным оборудованием. Он быстро заменит рабочую жидкость, и система заработает в нужном режиме

Подготовленные элементы соединяют между собой, а потом созданный агрегат посредством полимерных труб подключают к отопительной системе и приступают к эксплуатации оборудования.

Способ #2. Теплонасос из кондиционера

Для того чтобы сделать теплонасос, кондиционер модифицируют и проводят перепланировку некоторых основных узлов. Сначала наружный и внутренний блоки меняют местами.

Испаритель, отвечающий за передачу низкопотенциального тепла, дополнительно не ставят, так как он имеется во внутреннем блоке агрегата, а передающий тепловую энергию конденсатор стоит во внешнем блоке. В качестве теплоносителя подходят как воздух, так и вода.

Если этот вариант монтажа не удобен, конденсатор устанавливают в отдельный резервуар, предназначенный для корректного теплообмена между греющим ресурсом и теплоносителем.

Саму систему снабжают четырехходовым клапаном. Для этой работы обычно приглашают специалиста, имеющего профессиональные навыки и опыт проведения мероприятий такого рода.

Современные сплит системы малоэффективны при низких температурах, поэтому профессионалы не рекомендуют использовать их для самостоятельного изготовления теплонасосов

В третьем варианте кондиционер полностью разбирают на составные детали, а потом из них комплектуют насос по традиционной общепринятой схеме: испаритель, компрессор, конденсатор. Готовый прибор присоединяют к обогревающему дом оборудованию и приступают к использованию.

На сайте есть серия статей по изготовлению тепловых насосов своими руками, советуем ознакомиться:

1. Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы сборки
2. Как сделать тепловой насос воздух-вода: схемы устройства и самостоятельная сборка

Как работает геотермальный насос?

Технология работы выстроена на применении геотермальных процессов. Ниже уровня замерзания грунтовых пород земля имеет стабильные показатели температуры, по мере заглубления температура повышается. Чтобы ТН работал нормально, его нужно установить на заранее рассчитанную глубину.

Алгоритм работы такой:

• монтируется контур отбора, который заполнен пропиленгликолем;
• контур соединяется с вертикальными зондами, заглубленными на 60-100 м или трубопроводом горизонтального типа монтажа, выложенным на расстоянии от поверхности грунта от 1 м;
• теплоноситель нагревается до +5 С..+6 С, затем подается в приемник ТН;
• дальше тепловой насос работает как все модели с аккумуляцией тепла из окружающей среды.

Конструктивно тепловой насос включает следующие элементы:

1. Испаритель. Это элемент, соединяемый с приемником. Нужен для испарения фреона, поглощения тепла от прогретого теплоносителя.
2. Фреон. Вещество, которое в состоянии газа транспортируется в компрессор ТН, где прогревается до +65 С под давлением, затем впрыскивается в конденсатор.
3. Конденсатор. В этом модуле прогретый фреон снова меняет состояние на жидкое, но уже прогретое до нужной температуры. Теплообмен осуществляется посредством стенок модуля конденсатора, от чего нагревается теплоноситель в домашней системе отопления.

Оборудование показано для обогрева помещений, поддержания температуры до +25 С. К тому же насос может быть источником тепла для систем отопления с низкотемпературными показателями, подключаться к теплым полам. Конструкция безопасна, удобна в использовании и летом может работать на охлаждение.

Определенные преимущества дает сочетание конструкции из солнечных батарей и ТН, из которых главное достоинство – автономность работы без зависимости от центрального электроснабжения. А если нет потребления магистрального тока, то снижаются и затраты на обслуживание дома.

Насос типа земля-вода

Система напрямую зависит от того, насколько эффективно отбирается тепло из грунта теплоносителем первого контура (пропиленгликолем).

Различается два типа установки контура, которые обладают собственными характеристиками теплоэффективности:

• Горизонтальное расположение теплообменника. Требует глубины закладки ниже точки промерзания земли. Это примерно от 1 м, потому не потребуется техника для бурения скважин, что удешевляет монтаж. Не нужно тщательное планирование, составление сложных схем, но есть минус – увеличенная длина петли контура. Например, для дома в 220 м2 потребуется выкладка контура на 6 сотках земли.
• Вертикальное расположение теплообменника. Этот земляной насос считается самым дорогим, так как под него нужно бурить скважины глубиной до 200 м и размером окружности до 15 см. Зато при таком типе выкладки неважен размер участка, поддерживается стабильно высокая температура – на данном уровне заглубления показатель термометра не опускается ниже +18 С.

Насос типа вода-вода

Это альтернативный вариант обустройства системы отопления, при котором тепловая энергия забирается из грунтовых вод.

Работы можно выполнить двумя способами:

Поместить теплообменник на дно водоема. Решение актуально для хозяев домов, рядом с которыми есть река, пруд. Для обустройства системы не придется производить значительные земляные работы, трубы контура выкладываются на дно

Важно лишь определение глубины водоема (не менее 3 м) и отдаленность от жилого объекта (не более 100 м).
Поместить теплообменник в артезианскую скважину. Тут принцип работы основан на выкачке жидкости из скважины и прогонке ее через ТН

Потребуется бурить 2 скважины, одна из которых будет заборной, а вторая – для сброса использованной жидкости.

Несмотря на некоторые сложности в обустройстве системы, величину затрат, следует знать, что окупается конструкция довольно быстро, а работает при правильной установке более 100 лет. Причем вложения финансов нужны разовые, обслуживание и поддержка системы не требует больших затрат.

Как рассчитать мощность ГН?

При максимальной нагрузке система тепловых насосов выдает температуру теплоносителя +65 С. Но это самые высокие параметры, а оптимальными считаются показатели в пределах +45 С…+50 С, этого достаточно для подключения к системам низкотемпературного типа, например, к теплым полам.

Чтобы рассчитать коэффициент мощности и др

характеристики, следует принимать во внимание особенности эксплуатации оборудования:

1. Мощность. Для 1 м2 потребуется тепловая отдача в 0,7 кВт. Для отопления дома размером в 200 м2 нужна установка, производительность которой не ниже 14 кВт.
2. Чтобы рассчитать, сколько труб нужно для геотермального контура, берутся факторы влажности, типа грунта, заглубление уровня промерзания (средний показатель). В среднем для выработки 1 кВт теплоэнергии нужно 40-60 м водяного контура, заглубленного в грунт.
3. Затраты электроэнергии будут выше, если СОР маленький и наоборот – чем выше показатель СОР, тем меньше затраты электричества. Циркуляция теплоносителя осуществляется за счет принудительного перемещения в первичном водяном контуре, а также требуется нагнетание давления фреона в модуле компрессора, поэтому показатели СОР должны быть максимально высокими.

Сомневаясь в выборе того или иного типа установки, необходимо посоветоваться со специалистом. Учитывая приведенные параметры, мастер поможет подобрать оборудование, которое будет отвечать всем требованиям заказчика.

Конструкции и виды геотермальных систем отопления

Виды тепловых насосов

Первым вопросом, который приходится решать в процессе создания высокоэкономичной системы геотермального отопления является выбор типа внешнего контура, представляющего собой теплообменник, находящийся под землёй или в воде. При этом необходимо учитывать не только свои желания архитектурных фантазий нового дома, но и подробные геодезические исследования местности, в которой этот дом будет стоять или уже возведен.

Далеко не везде есть горячие источники, гейзеры, вулканы, но возможность использовать тепло матушки земли нам дана почти в любом месте планеты. Главное, иметь чёткое представление о технической стороне дела и о величине необходимых финансовых вложений в любой проект по созданию геотермальной системы отопления.

Наибольшее распространение получили следующие варианты теплообменников:

1. Горизонтальный теплообменник. Этот вариант можно рассматривать в качестве эффективного предложения, только при наличии большой свободной территории рядом с домом. Использовать её можно только в виде простой зелёной лужайки. Причём при площади дома, например, 220 кв. м. теплообменник будет располагаться на площади 600 кв.м. Трубы укладываются в специальные траншеи, глубина которых должна быть ниже уровня промерзания грунта в этой местности.
2. Вертикальный теплообменник. С точки зрения экономии места этот вариант, конечно, имеет определённые преимущества. Проблемой может стать создание специальных скважин, глубина, которых, достигает 200 м, при диаметре около 150 мм. Земляные работы с буровыми установками не являются дешёвыми в любом регионе. Но грунт на такой глубине всегда имеет температуру около 15, что обеспечивает надежную работу системы с вертикальным теплообменником.
3. Теплообменник на дне водоёма. Самый экономичный и простой метод создания внешнего контура системы геотермального отопления. Особенно если есть свой надежный пруд или разрешение для использования общественного водоема. Расстояние до водоема от дома не должно превышать 100 м, а его глубина составляет 3 м.
4. Существует вариант открытой системы отопления, основанной на использовании воды, идущей из артезианской скважины. Её в качестве теплоносителя прогоняют через тепловой насос. Для обратного сброса воды необходимо строительство второй артезианской скважины. Но подобная система возможна не в любом месте. При этом очень важным фактором является возврат воды в прежнем количестве в глубокие слои грунта для поддержания давления в пластах.

Интересно, что первые попытки бурения скважин с целью использования тепла были предприняты в середине XVIII века, но только в 1907 году исландский фермер смог направить горячий пар от источника, расположенного рядом, по цементной трубе в свой дом. 

Следующий шаг был сделан также в Исландии и только в 1903 году появился первый трубопровод длиной в 3 км в Рейкьявике. В настоящее время геотермальная система отопления очень популярна во многих странах Европы, США, Мексика, Япония, Новая Зеландия.

Геотермальная отопительная система: виды и особенности

Как ни странно, но несмотря на молодость такой системы отопления, производители уже успели продумать целых три их разновидности, с особенностями которых следует разобраться подробно. Как минимум их знание поможет правильно определиться с выбором.

1. Горизонтальная система геотермального отопления. Ее основное отличие заключается в горизонтальном положении внешнего теплообменника. Трубы, отбирающие тепло земли, располагаются параллельно поверхности земли, в чем и выражается основной недостаток системы. Именно эта схема геотермального отопления для своей установки потребует перерыть огромное количество придомовой территории.

2. Вертикальное геотермальное отопление. В отличие от предыдущего варианта, система данного типа предусматривает вертикальное расположение внешнего теплообменника. Это уже не змеевик, а пара закольцованных труб, погруженных в скважину. Таких пар может быть много, но, невзирая на это, земляных работ, связанных с их установкой, производится меньше. В этом отношении вертикальное геотермальное отопление выглядит более привлекательно – за это удобство придется расплачиваться небольшим повышением энергопотребления. Здесь понадобится более мощный циркуляционный насос – в принципе, разница не слишком существенная.

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

3. Геотермальная система с размещаемым в воде теплообменником. Это горизонтальное геотермальное отопление, которое отличается от предыдущего варианта только тем, что внешний теплообменник погружается не в почву, а в близлежащий водоем. Система весьма прихотливая в плане установки – имеются некоторые ограничения, в первую очередь связанные с глубиной водоема. Он не должен быть мелким – промерзающие до дна «лужи» не слишком подходят для извлечения из них тепловой энергии.

Во всем остальном в плане эффективности работы, технических характеристик и других параметров это практически равноценные системы, которые, несмотря на свою сравнительную новизну, потихоньку уходят в историю. На смену им приходят более компактные и простые в плане монтажа системы, которые посредством того же теплового насоса извлекают энергию не из почвы или воды, а непосредственно из воздуха. Такое отопление собирается из двух блоков – наружного и внутреннего. Естественно, все это дело подключается к существующей или новой системе водяного отопления. В монтаже они, можно сказать, элементарные и самое главное – они не требуют проведения масштабных земляных работ.

В заключение темы про геотермальное отопление дома скажу несколько слов по поводу возможностей системы. По большому счету, она умеет практически все тоже самое, что и стандартное отопление с использованием электрического или газового котла – она работает и на отопление, и на горячее водоснабжение. Такое отопление отлично подходит для обустройства теплых полов. Регулировка температуры в доме, как и во всех случаях, достаточно легко автоматизируется.

Автор статьи Александр Куликов

Своими руками: что и как

Если уж монтировать геотермальное отопление своими руками, то внешний контур лучше все-таки купить в готовом виде. Конечно, мы рассматриваем лишь способы горизонтального расположения внешнего теплообменника: под поверхностью почвы или под водой. Скважинный вертикальный коллектор смонтировать самостоятельно гораздо сложнее, если вы не обладаете оборудованием и навыками бурения.

Тепловой насос – не слишком габаритное оборудование. В вашем доме он не займет много места. Ведь по размеру он сопоставим, например, с обычным твердотопливным котлом. Подключить к нему внутренний контур вашего дома – задача не сложная. Вообще-то делается всё точно так же, как и при организации отопления с использованием традиционных источников тепла. Главная трудность – устройство внешнего контура.

Такое расположение дома относительно пруда встречается чаще. Главное, чтобы водоём был не дальше, чем в 100 метрах от коттеджа

Лучшим вариантом будет использование водоёма, если такой найдется на расстоянии не более 100 метров. Необходимо, чтобы его площадь превышала 200 квадратных метров, а глубина – 3 метра, составляющие средний параметр промерзания. Если этот водоём вам не принадлежит, то проблемой может стать получение разрешения на его использование.

Если же водоём – это пруд, который находится у вас в собственности, то дело упрощается. Воду из пруда можно временно откачать. Тогда работы на его дне можно будет выполнять легко: нужно будет уложить трубы по спирали, закрепив их в этом положении. Земляные работы понадобятся только для рытья траншеи, которая нужна будет для присоединения внешнего контура к тепловому насосу.

После выполнения всех работ, пруд может быть снова заполнен водой. В ближайшие лет сто внешний теплообменник должен работать исправно и не доставлять хлопот его владельцу.

Если в вашем распоряжении оказался земельный участок, на котором вам только предстоит возводить жильё и растить сад, имеет смысл распланировать горизонтальный теплообменник грунтового типа. Для этого следует сделать предварительный расчет площади будущего коллектора, исходя из параметров, которые уже указаны выше: 250-300 квадратных метров коллектора на 100 кв. метров отапливаемой площади дома.

Если вам достался участок без строений и растительности, которую бы хотелось сохранить, грунт при сооружении внешнего горизонтального почвенного контура можно просто снять: это легче, чем выкапывать траншеи

Траншеи, в которые предстоит укладывать трубы контура, нужно выкапывать ниже уровня промерзания почвы. А ещё лучше – просто снять грунт на глубину его промерзания, уложить трубы, а после вернуть грунт на место. Работа трудоёмкая, сложная, но, имея большое желание и целеустремленность, вы сможете её выполнить.

Тепло из земли

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

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

Горизонтальная укладка

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

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

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

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

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

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

Вертикальная укладка

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

Зонды

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

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

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

Скважины

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

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

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

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

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

Принцип работы с энергией Земли

Принцип работы геотермального отопления загородного дома основан на обратном цикле Карно:

1. коллектор наполняется жидкостью-незамерзайкой, которая и переносит тепло из недр земли к насосу – соленой водой, водой со спиртом или гликолевой смесью;
2. эта энергия в испарителе переходит хладагенту с низким градусом кипения, что приводит к стремительному закипанию и превращению в пар (испарению);
3. действующий компрессор увеличивает давление этого пара, что вызывает повышение его температуры;
4. конденсатор охлаждает хладагента, который передает тепло контуру обогревательной системы, и, соответственно, конденсируется;
5. в завершении цикла хладагент вновь попадает в компрессор через дроссельный клапан, и круг начинается заново.

Тепловой насос можно назвать «холодильником наизнанку»: хладагент холодильника греется за счет тепла продуктов и нагревает среду вне устройства, выходя через трубки на заднюю стенку.

А в случае с обогревом выделяемое тепло греет теплоноситель в самой системе отопления загородного дома.

Самый оптимальный вариант такого обогрева – теплые полы.

Важно! С качественным и верно рассчитанным теплозаборным контуром тепловой насос, потребляя 1кВт энергии, может отдать системе до 5кВт тепла