Геотермальное отопление дома своими руками: сравнительный обзор способов устройства

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.

Принцип действия и составные элементы

Геотермальная система отопления – это сложный инженерный комплекс сооружений, который требует больших материальных и временных затрат, однако при ближайшем рассмотрении выясняется, что будучи один раз установленной, такая схема обогрева полностью способна перекрыть потребность дома площадью до 150 квадратных метров в тепле и горячем водоснабжении. Широкое распространение получают данные системы в западной Европе, где на первом месте стоит забота об экологической чистоте и экономической выгоде.

Рассмотрим принцип работы геотермального отопления и основные его составляющие, для того, чтобы прийти к пониманию – насколько такие системы оправданы в повседневной жизни.

Тепловой насос

Сердце системы. Геотермальное отопление дома своими руками выполнить, возможно, но этот элемент лучше всего приобрести отдельно. Стоит заметить, что прежде чем приступать к закупкам оборудования и материалов необходимо провести тщательный расчёт суммарной ёмкости системы, е отдачи и соотношения этого показателя с тепловым потреблением строения.

Если этого не сделать вовремя – вся дальнейшая работа может пойти прахом. Самые узловые моменты всего комплекса мероприятий – это правильный расчёт ёмкости контуров и закупка соответствующего оборудования.

Тепловой насос состоит из компрессора и редукционного клапана, которые обеспечивают разность потенциалов на отдельных участках контура теплового насоса. Внутри труб находится фреон, который благодаря работе компрессора, получает ускорение, и проходя через клапан ускоряет своё движения. Это приводит к существенному подъёму температуры на участке перед компрессором, именно из этого участка, с помощью теплового обмена, и берётся основное тепло для обогрева помещений и горячего водоснабжения.

Контур является замкнутым и вся его задача состоит в том, чтобы увеличивать естественную температуру теплоносителя поступающего из внешнего контура с семи до пятидесяти пяти градусов по Цельсию. Происходит это, за счёт описанного выше процесса разгона фреона под давление в закрытом контуре с прохождением его через клапан.

Тепловой узел располагают обычно в подвале или цокольном этаже, с температурой внешней среды в пределах пятнадцати градусов выше нуля, это поддерживает его стабильную работу.

Самый важны процесс перед установкой теплового насоса — это проведение всех расчетов правильно, в случае ошибки вся работа может пойти прахом.

Внешний контур

Представляет собой ещё один замкнутый контур, в котором по трубам движется антифриз, перемещаемый с помощью циркуляционного насоса. Основная часть контура находится на глубине до 3 метров под землёй, если речь идёт о горизонтальном исполнении системы, при котором трубы внешнего контура располагают горизонтально на большой плоскости.

Может располагаться также на дне водоёма, но только в регионах, где зимняя температура не опускается ниже нуля.

Описанная выше система требует монтажа на этапе заливки фундамента, что не всегда возможно сделать. В случае, когда необходимо смонтировать геотермальное отопление загородного дома на уже застроенном участке – бурят скважины глубиной от тридцати до ста метров, к слову, отдача тепловой энергии у вертикальных систем существенно выше, но стоимость их на порядок дороже, за счёт привлечения техники для бурения скважин.

Монтаж внешнего контура желательно производить на этапе заливки фундамента, в другом случае это будет более трудоемкий и дорогостоящий процесс.

Внешний контур

Служит уже непосредственно для обогрева внутреннего пространства дома и обеспечения горячего водоснабжения.

Тепло, собранное из грунта, переданное на тепловой насос, разогнанное и увеличенное в его закрытом контуре, передаётся через теплообменник во внутреннюю сеть дома, которая может состоять из тёплых полов, плинтусного отопления, воздушного отопление на водяных коллекторах и других элементах системы.

Выбирать, каким именно образом осуществить геотермальное отопление своими руками стоит, только тщательно изучив местность и условия, в которых предстоит работать данной схеме отопления. Для этого необходимо произвести замеры температуры почвы на участке под дом, в разные периоды в течение зимы, на разных глубинах.

Принцип работы альтернативного отопления

Если вы знакомы с тем, как работает кондиционер или холодильник, то схожесть этих процессов с принципом функционирования геотермального отопления очевидна. Основу системы составляет тепловой насос, который включается в два контура – внешний и внутренний.

Чтобы организовать традиционную систему отопления в любом доме, необходимо смонтировать в нем трубы для транспортировки теплоносителя, и радиаторы, при нагревании которых тепло будет поступать в помещения. В нашем случае трубы и радиаторы тоже нужны. Они и образуют внутренний контур системы. В схему могут быть добавлены теплые полы.

Внешний контур выглядит гораздо масштабнее внутреннего, хотя его размеры можно оценить только в период планировки и монтажа. В процессе эксплуатации он невиден, поскольку находится под землей или под водой. Внутри этого контура циркулирует обычная вода или антифриз на основе этиленгликоля, что гораздо предпочтительнее.

В состав геотермальной системы отопления входят два контура – внутренний и внешний, а так же сердце отопительной системы – тепловой насос, который, сжимая теплоноситель, повышает его температуру

Теплоноситель во внешнем контуре прогревается до состояния среды, в которую он погружен, и отправляется в «подогретом» виде в тепловой насос. Через него сконцентрированное тепло сообщается внутреннему контуру, в результате чего вода в трубах, радиаторах и теплых полах нагревается.

Таким образом, ключевым элементом, оживляющим всю систему, является тепловой насос. Если в вашем доме есть обыкновенная стиральная машинка, то знайте: этот насос займет приблизительно аналогичную площадь. Для работы ему нужна электроэнергия, но, потребляя всего 1 кВт, он обеспечивает выработку 4-5 кВт тепла. И это не чудо, поскольку источник «добавочной» энергии известен – это окружающая среда.

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

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.

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.

Преимущества системы данного типа

Рассмотрим ряд особенностей:

• высокую эффективность, подтверждаемую высоким показателем КПД, и быструю окупаемость затрат;
• неограниченные запасы тепловой энергии земли;
• отсутствие необходимости создания и хранения запасов топлива, как при использовании традиционного отопления;
• автономность работы без контроля и вмешательства со стороны;
• безопасность и экологичность, исключающие использование углеродов и горючих элементов;
• возможность самостоятельного выбора типа системы, покупки ее элементов и монтажа.

Таким образом, отдав предпочтение отопительной системе на основе геотермального теплового насоса, Вы сможете получить неиссякаемый надежный и эффективный источник тепла на многие десятилетия.

Варианты обустройства геотермального отопления

Способы обустройства внешнего контура

Для того, чтобы энергия земли для отопления дома была использована максимально – нужно правильно выбрать схему внешнего контура. По сути, источником тепловой энергии может быть любая среда – подземная, водяная или воздушная

Но при этом важно учитывать сезонные изменения погодных условий, о чем говорилось выше

В настоящее время распространены два вида систем, которые эффективно используются для отопления дома за счет тепла земли – горизонтальная и вертикальная. Ключевым фактором выбора является площадь земельного участка. От этого зависит схема расположения труб для отопления дома энергией земли.

Кроме него учитываются такие факторы:

• Состав грунта. В скалистых и суглинке сложно делать вертикальные стволы для прокладки магистралей;
• Уровень промерзания почвы. Он определит оптимальную глубину залегания труб;
• Расположение подземных вод. Чем они выше – тем лучше для геотермального отопления. В таком случае температура с изменением глубины будет повышаться, что является оптимальным условием для отопления за счет энергии земли.

Также нужно знать и о возможности обратной передачи энергии в летний период. Тогда отопление частного дома от земли не будет функционировать, а избыток тепла будет переходить от дома в почву. По такому же принципу работают все холодильные системы. Но для этого необходимо установить дополнительное оборудование.

Нельзя планировать установку внешнего контура в отдалении от дома. Это увеличит тепловые потери в отоплении из недр земли.

Горизонтальная схема геотермального отопления

Горизонтальное расположение наружных труб

Самый распространенный способ установки наружных магистралей. Он удобен простотой монтажа и возможностью относительно быстрой замены неисправных участков трубопровода.

Для установки по этой схеме используется коллекторная система. Для этого делается несколько контуров, расположенных на минимальном удалении в 0,3 м друг от друга. Они соединяются с помощью коллектора, который подает теплоноситель далее в тепловой насос. Это обеспечит максимальное поступление энергии в отопление от тепла земли.

Но при этом нужно учитывать ряд важных нюансов:

• Большая площадь приусадебного участка. Для дома около 150 м² она должна быть не менее 300 м²;
• Трубы в обязательном порядке уславливаются на глубину ниже уровня промерзания почвы;
• При возможном движении почвы во время весенних паводков увеличивается вероятность смещения магистралей.

Определяющим преимуществом отопления от тепла земли горизонтального типа является возможность самостоятельного обустройства. В большинстве случаев для этого не понадобится привлечение спецтехники.

Для максимальной передачи тепла нужно использовать трубы с высоким показателем теплопроводности — тонкостенные полимерные. Но при этом следует продумать способы утепления труб отопления в земле.

Вертикальная схема геотермального отопления

Вертикальная геотермальная система

Это более трудоемкий способ организации отопления частного дома от земли. Трубопроводы располагаются вертикально, в специальных скважинах

Важно знать, что подобная схема намного эффективнее, чем вертикальная

Ее основное преимущество заключается в увеличении степени нагрева воды во внешнем контуре. Т.е. чем глубже расположены трубы – тем больше количество тепла земли для отопления дома поступит в систему. Еще одним фактором является небольшая площадь земельного участка. В некоторых случаях выполняется обустройство наружного контура геотермального отопления еще до строительства дома в непосредственной близости от фундамента.

С какими трудностями можно столкнуться при получении энергии земли для отопления дома по этой схеме?

• Количественное в качественное. Для вертикального расположения длина магистралей значительно выше. Она компенсируется большей температурой почвы. Для этого нужно делать скважины глубиной до 50 м. что является трудоемкой работой;
• Состав почвы. Для скального грунта необходимо применить специальные буровые машины. В суглинке для предотвращения осыпания скважины монтируют защитную оболочку из ж/б или толстостенного пластика;
• При возникновении неполадок или потере герметичности усложняется процесс ремонта. В этом случае возможны долговременные сбои в работе отопление дома за тепловой энергии земли.

Но невзирая на большие первичные затраты и трудоемкость монтажа, вертикальное расположение магистралей является оптимальным. Специалисты советуют применять именно такую схему установки.

Для циркуляции теплоносителя в наружном контуре в вертикальной системе нужны мощные циркуляционные насосы.

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.

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.

Принцип и суть работы

Схема разводки в загородном доме

По своей сути, работа геотермальной установки во многом напоминает принцип действия кондиционера.

Основным рабочим элементом геотермального отопления является насос, по своим габаритам напоминающий стиральную машину.

Данный насос подключен к двум контурам, один из которых – внутренний, и представляет собой стандартную отопительную систему любого дома. Это система труб и радиаторов, которые используются для стандартной или автономной отопительной системы.

Второй контур представляет собой систему теплообмена, которая расположена на определенной глубине под домом. Внутри него циркулирует вода, которая является основным проводником тепла.

Из него, вода, которая выполняет функцию теплоносителя, принимает температуру из солнечного тепла, которое содержит грунтовый слой. Далее, с помощью насоса это вода поступает во внутренний контур, в результате чего происходит обогрев.

Нужно отметить, что насос данной отопительной системы может выполнять и обратную функцию, благодаря которой будет происходить кондиционирование помещения.

Устройство контуров и другие технические моменты

Вертикальный и горизонтальный теплообменники

Существует немало людей, которые всерьез задумываются о том, чтобы оборудовать такой вид отопления собственноручно.

Необходимо отметить, что воплотить такую идею в жизнь практически невозможно.

Грамотно проектировать план геотермальной конструкции может только специалист, тем более что для установки понадобится использовать различное оборудование, которое не доступно широкому кругу потребителей.

Оборудование такой конструкции может находиться на значительной глубине, которая может превышать несколько сотен метров. К тому же, только специалист способен грамотно выбирать тип необходимой конструкции, что будет зависеть от различных параметров вашего дома.

К ним можно отнести еще и такие факторы как теплопроводность грунта, а также глубина, где залегает оптимальный для создания геотермической установки грунт.

Посмотрите наглядный принцип работы:

Сегодня, для оборудования геотермальной установки используют одну из трех схем.

1. Теплообменник со скважинным насосом – считается наиболее эффективным, однако для того чтобы его оборудовать необходимо специальное оборудование, а также достаточно большое количество расходов для бурения скважин, глубина которых колеблется от 50 до 200 метров. Положительной стороной данной схемы является то, что срок действия такой скважины составляет около ста лет.
2. Теплообменник горизонтального типа – теплообменник, при котором трубопровод оборудуется ниже того уровня, который доступен для промерзания. Такая схема позволяет оборудовать геотермическим отоплением только дом с небольшой площадью. При этом площадь коллектора для обогрева будет значительно превышать площадь самого дома. К тому же, следует учитывать то, что трубы в данной схеме нельзя оборудовать вблизи от крупных деревьев, что естественно, далеко не всегда является удобным.
3. Если под домом на необходимой глубине расположен водоем, очень удобной является третья схема. Она не связана с крупными денежными затратами а также длительными работами. Однако установка геотермальной отопительной системы возможно только в том случае, если водоем находится в почве недоступной для замерзания в зимнее время года, но не глубже чем 100 метров.

Как правило, второй (внешний) контур представляет собой конструкцию из полиэтиленовых труб. Перед проведением земельных работ производят необходимые расчеты.

Оптимальным показателем является 40-50 Вт энергии на один квадратные метр коллектора. Таким образом, в зависимости от мощности насоса, появиться необходимость в глубокой (до 200 метров) скважине.

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 0oC. 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

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 +5oC 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

Хладагент — вещество, которое кипеть начинает при температуре выше -5oC. 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 +5oC. Он поступает в компрессор, где его сжимают. При сжатии выделяется большое количество тепла, и из компрессора газ уже выходит с температурой от 35oC до 65oC. 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.