Отопление дома с помощью тепла земли (геотермальное отопление, тепловой насос)

Отопление дома с помощью тепла земли - это альтернативный источник энергии, использующий геотермальную энергию.
По "умному" данная система отопления называется "геотермальная циркуляционная система" (ГЦС) или "enhanced (или engineered) geothermal system (EGS) — улучшенная (или искусственная) геотермальная система"

Из-за недостаточной для обогрева жилых строений эффективности геотермальных систем их используют в качестве дополнения к основным отопительным сетям. Или сооружают комплексно несколько контуров (с двумя и более теплообменниками) для обслуживания определенных колец, например, для радиаторного отопления и теплого пола лучше задействовать два теплонасоса, а для горячего водоснабжения третий.

Перед установкой геотермального отопления обязательно нужно позаботиться о снижении уровня теплопотерь, для чего дом нужно максимально утеплить. Тогда выделенное насосом тепло в максимально объеме останется внутри помещения.

Преимущества геотермального отопления:

• Может работать практически повсеместно.
• Тепловой энергии выделяется в несколько раз больше, чем расход электроэнергии на работу насоса. При затрате 1 кВт электричества получают 4-6 кВт отопления.
• Нет вредных выбросов.
• Минимальная потребность в техподдержке. В интернете указывается 10-30 лет.
• Низкий уровень шума при работе оборудования

Недостатки геотермального отопления:

• Главный недостаток отопление дома с помощью тепла земли - цена на покупку и установку оборудования.
• Необходимость электрической энергии, т.е. забор тепла от грунта не происходит сам по себе. Случись что с электросетью, отопительный контур сразу перестанет обеспечивать объект теплом, так как тепловой насос остановится без электропитания. Поэтому надо предусмотреть резервный источник электроснабжения
• Низкий уровень теплоотдачи, т.е. потребуется много труб и места или глубокая скважина.
• В радиусе где-то одного метра от скважин промерзает земля, на ней ничего не посадить, даже газон.

Принцип работы и устройство геотермального отопления

Принцип действия тепловых насосов базируется на способности тел или сред передавать тепловую энергию другому телу или среде. Получатели и поставщики энергии в тепловых насосных системах работают обычно в паре.

Так различают следующие виды тепловых насосов:

• воздух – вода
• земля – вода
• вода – воздух
• вода – вода
• земля – воздух
• вода – вода
• воздух – воздух

При этом первое слово определяет тип среды, у которой система отбирает низкотемпературное тепло. Второе указывает на вид носителя, которому и передается эта тепловая энергия. Так, в тепловых насосах вода – вода, тепло отбирается у водной среды и в качестве теплоносителя используется жидкость.

Наиболее эффективными считаются тепловые насосы, извлекающие тепловую энергию из источников со стабильными температурными показателями, т.е. из воды и грунта. При этом варианты оборудования, использующего тепло грунта, считаются более эффективными.


Само геотермальное отопление состоит из:

• внутреннего контура, который расположен в доме. Он (они) сделан как и при обычном отоплении и состоит из труб и радиаторов. В схему могут быть добавлены теплые полы.
• внешнего контура, который имеет больший масштаб чем внутренний, хотя его размеры можно увидеть 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.
• ключевым элементом, который связывает внешний и внутренний контур является тепловой насос, который занимает место приблизительно как стиральная машина или котел отопления.
  Он состоит из:
  - испарителя, основная функция которого – превращение в пар жидкого хладагента. Хладагент, циркулируя по замкнутому контуру, проходит через испаритель. В нем хладагент разогревается и превращается в пар. Образующийся пар под низким давлением направляется в сторону компрессора.
  - компрессора, основная функция которого – повышение давления и температуры паров, образующихся в результате кипения хладагента. В компрессоре пары хладагента подвергаются действию давления и их температура возрастает. Компрессор перекачивает под большим давлением разогретый пар в сторону конденсатора.
  - конденсатора, основная функция которого – отдаче тепловой энергии внутреннему контуру отопительной системы. Серийные образцы, изготавливаемые промышленными предприятиями, оснащаются пластинчатыми теплообменниками. Основным материалом для таких конденсаторов служит легированная сталь или медь. Для самостоятельного изготовления теплообменника подойдет медная трубка диаметром полдюйма. Толщина стенок труб, используемых для изготовления теплообменника, должна быть не менее 1 мм. При этом змеевик рассчитыается по формуле МТ/0,8 РТ, где МТ – мощность тепловой энергии, которая выдает система; 0,8 – коэффициент теплопроводности при взаимодействии воды с материалом змеевика; РТ – разница температур воды на входе и на выходе.
  - терморегулирующий, или иначе дроссельный, клапан устанавливается в начале той части гидравлического контура, где циркулирующая среда высокого давления преобразуется в среду с низким давлением. Точнее дроссель в паре с компрессором делят контур теплового насоса на две части: одну с высокими параметрами давления, другую – с низкими.
  При прохождении через расширительный дроссельный вентиль циркулирующая по замкнутому контуру жидкость частично испаряется, вследствие чего давление вместе с температурой падают. Затем поступает в теплообменник, сообщающийся с окружающей средой. Там захватывает энергию среды и переносит ее обратно в систему. Т.е. с помощью дроссельного клапана происходит регулирование потока хладагента в сторону испарителя. При выборе клапана нужно учитывать параметры системы. Клапан должен соответствовать этим параметрам.

И принцип работ можно описать просто:

1. Незамерзающая жидкость нагревается на глубине, под землей до температуры, к примеру, 5–7ºС и поступает в тело теплового насоса.
2. Внутри агрегата стоит теплообменник и нагретая жидкость, проходя через него, отдает тепло второму контуру, после чего уходит под землю за новой "порцией тепла".
3. Фреон, который испаряется во втором конуре попадает в компрессор и при сжатии его температура доходит до 100ºС, чего вполне хватает чтобы разогреть жидкость во внутреннем контуре.
4. Разогретый фреон поступает в расширительный экран, где давление и температура нормализуются и все начинается снова.

Схематично это всё можно изобразить так:

А сам тепловой насос схематично выглядит так:

Внешний контур для отопления с помощью тепла земли

Главное при устройстве геотермального отопления - размещение внешнего контура (теплообменника).

Вертикальные внешний контур для отопления дома с помощью тепла земли

Теплообменник погружают в землю на глубину 50-200 м. (конкретные параметры скважины зависят от геологической обстановки на участке и параметров будущего сооружения). Для этого на незначительном расстоянии от дома бурят нужное количество скважин (вскрывающих или не вскрывающих водоносный пласт), в них затем помещают трубы (обычно из сшитого полиэтилена). С целью максимального сохранения ландшафта можно пробурить несколько труб с одной исходной точки, но под разными углами.

На такой глубине температура грунта остается высокой и стабильной, соответственно, отопление частного дома теплом земли получается высокоэффективным.

Схематично это выглядит так:

Расстояние между скважинами должно быть больше 5 м. При наличии подземных течений, скважины должны располагаться на линии, перпендикулярной потоку.

При таком варианте для коллекторов не требуется большая площадь. Актуален он в том случае, когда прилегающая к дому территория уже обустроена, и нарушение её ландшафта нецелесообразно.

Горизонтальный внешний контур для отопления дома с помощью тепла земли

Теплообменники систем укладывают в котлован или открытый водоем в виде своеобразного змеевика.

Их используют в регионах с относительно теплым климатом, где глубина промерзания почвы не превышает 1-1,5 метров. Главное помнить, что бы размещать теплообменники ниже уровня промерзания земли.

Организовать отопление дома от земли в данном случае гораздо проще, ведь траншеи можно выкопать и самостоятельно, и стоимость работ значительно уменьшится.

Схематично это выглядит так:

Трубы укладывают ниже уровня промерзания в заранее подготовленные траншеи, захватывая при этом довольно большое пространство: 250-300 кв. м коллектора на 100 кв. м отапливаемой площади дома.

Укладывать контур длиной более 100 метров нерационально из-за чрезмерно высокого гидравлического сопротивления.

Трубы могут выкладываться по разным схемам. Вот несколько примеров

Недостаток его в значительном использовании территории. Здесь также имеется отличительное свойство: запрещается монтировать коллекторные системы рядом с деревьями, на расстоянии менее, чем полтора метра от ствола.

Этот способ монтажа используют, как правило, в тех случаях, когда участок только осваивается под строительство. Все расчеты и планы по постройке коттеджа, организации его отопления и планировке земельного участка лучше всего выполнять одновременно.


Вариантом горизонтального расположения теплоносителя является использование водоёмов. При этом отапливаемый дом должен находиться на расстоянии до 100 м от водоёма, имеющего достаточную глубину. Кроме того, указанный водоём не должен промерзать до самого дна, где и будет расположен внешний контур системы.
Этот вариант размещения теплообменника считается наименее затратным из-за отсутствие обязательных трудоёмких земляных работ, хотя с подводным расположением коллектора все-таки придется повозиться. . Но могут возникать сложности, если водоём относится к объектам общего пользования.

Вот вариант размещения труб теплоносителя в воде

Расчет необходимой мощности теплового насоса

Перед покупкой системы важно предварительно составить проект и вычислить необходимую мощность оборудования. Производительность высчитывается с учетом фактических потребностей в тепловой энергии. Берутся во внимание расходы тепла, теплопотери дома и наличие или отсутствие контура горячего водоснабжения.

В первую очередь нужно понимать баланс тепла в здании. Для этих расчетов можно воспользоваться услугами специалистов, онлайн-калькулятором или самостоятельно с помощью несложной формулы:

R=(k • V • T)/860

где:
       R — потребляемая мощность помещения (кВт/час);
       k — средний коэффициент потерь тепла зданием: например, 0,6-1 для отлично утепленного здания, 1-2 - для кирпичного дома в два слоя, 2-3 - для кирпичного дома в один слой, 3-4 — дом из досок;
       V — суммарный объем всего отапливаемого помещения, в кубических метрах;
       T — максимальный перепад температуры между улицей и внутри помещения.
       860 — значение, необходимое для перевода получившихся ккал в кВт.


Также надо рассчитать сколько надо труб для внешнего контура. Съем тепла с каждого метра трубы зависит от многих параметров: глубины укладки, наличия грунтовых вод, качества грунта и т.д. Длина труб внешнего контура высчитывается по формуле:

L=Q/p

где:
      Q - потребная тепловая мощность
      p - теплопроводной способности грунта

Теплопроводная способность грунта ориентировочно для горизонтальной прокладки внешнего контура можно считать что составляет 20 Вт/м. Более точно: сухой песок – 10, сухая глина – 20, влажная глина – 25, глина с большим содержанием воды – 35 Вт/м.
Теплопроводная способность грунта ориентировочно для вертикальной прокладки внешнего контура (в скважине) можно считать, что составляет 50 Вт/м. Более точно: сухие осадочные породы – 20 Вт/м; каменистая почва и насыщенные водой осадочные породы – 50 Вт/м; каменные породы с высокой теплопроводностью – 70 Вт/м; подземные воды – 80 Вт/м.


Площадь участка для горизонтальной прокладки внешнего контура определяется по формуле:

S=L • A

где:
      L - рассчитанная длина контура
      A - шаг между соседними участками контура. Принимаем А=0,7-0,8 м

Пример расчёта мощности теплового насоста 

Рассчитаем для примера дом со следующими исходными данными:

• отапливаемая площадь 100 кв.м.
• высота потолков 2,8 м
• здание хорошо утеплено
• минимальная температура зимой на улице -30 градусов
• комфортная температура в помещении +22 градуса
• почва глинистая, с небольшим содержанием воды

В первую очередь высчитываем отапливаемый объем помещения:
100 кв.м. • 2,8 м = 250 м³

Затем вычисляем значение "Т":
22 - (-30) = 52 градусов.

Подставляем эти данные в формулу:
R=(1 • 250 • 52) / 860 = 15,11 кВт/час

Т.о. тепловой насос мощностью должен быть не менее 15 кВт. Как и везде, лучше сделать запас по мощности хотя бы в 10% на потери и завышенные производителем данные. Следовательно, приобретать лучше агрегат где-то на 17 кВт.

Для его функционирования потребуется коллектор общей длиной не менее

15,11•25= 377,75 метров.

И будет необходима площадь
377,75*0,8=302,2 м²








Полезное видео