Геотермальное отопление: для дома своими руками, насос и тепло земли, принцип работы термального обогрева

Классификация по конструкционному типу

Рабочий принцип геотермального теплоснабжения похож с рабочим принципом кондиционера или холодильника. Важным элементом считается тепловой насос, включеный в 2 контура.

Рабочий принцип геотермального (теплового) насоса

Внутренний контур собой представляет классическую систему обогрева, которая состоит из труб и отопительных приборов. Наружный – больших размеров трубный змеевик, который находится под землёй или толщей воды. В середине него может циркулировать как специализированная жидкость с антифризом, так и обыкновенная вода. Тепловой носитель на себя принимает температуру среды и «подогретый» поступает в тепловой насос, аккумулированное тепло подается внутреннему контуру. Аналогичным образом происходит нагрев воды в трубах и батареях.

Геотермальный (тепловой) насос – основной компонент системы. Это небольшой аппарат, занимает места меньше, чем обыкновенная нашему взгляду машина для стирки. Если говорить о продуктивности, то на каждый 1 кВт потребленной электрической энергии, насос «выдаёт» до 4-5 кВт энергии тепла. Тогда как традиционный климатический прибор, какой имеет похожий рабочий принцип, на 1 кВт потраченной электрической энергии «даст ответ» 1 кВт тепловой.

Схема устройства геотермального теплоснабжения в личном доме

Нужно согласится, что устройство данного вида теплоснабжения считается самым дорогим и трудоемким на данное время. Большую долю его цены составляет покупка оборудования и, естественно, работы связанные с землей. Естественно, что рачительный хозяин думает, а нельзя ли сэкономить, к примеру, на монтаже и выполнить геотермальное теплоснабжение собственными руками? Для того, чтобы дать ответ на данный вопрос, нужно разобраться, какие же системы используют очень часто и усвоить специфики их устройства.

Есть и иные типы насосов, используемых в отопительных системах. Более детально об этом вы будете знать из нашей публикации: https://aqua-rmnt.com/otoplenie/alt_otoplenie/teplovye-nasosy-dlya-otopleniya-doma.html

Горизонтальный трубный змеевик

Очень часто применяют горизонтальный контур, при устройстве которого трубы кладут в канавы на глубину большую, чем уровень обмерзания почвы в этой местности.

Минус системы геотермального теплоснабжения с горизонтальным контуром — приличная площадь, занимаемая коллектором

Минус – территория, занимаемая контуром, должна быть на порядок выше самого дома, так, для отапливания строения площадью в 250 м?, под трубы «уйдет» около 600 м?. Не каждый застройщик может себе позволить аналогичную роскошь.

Стоит еще сказать, что появляются неудобства, если участок уже облагорожен, приходится исполнять, к примеру, расстояние от деревьев (1,5 м) и остальные маленькие детали.

Вертикальный трубный змеевик

Намного компактный, но и довольно дорогой вариант – вертикальный трубный змеевик. Чтобы его установить не понадобится приличная площадь, зато понадобится специализированное бурильное оборудование.

Процесс установки вертикального теплообменного аппарата просит применения специализированного бурильного оборудования

Глубина скважины, в зависимости от технологии, достигает 50-200 м, зато срок ее службы до 100 лет. Очень важен данный вариант, когда задумывают геотермальное теплоснабжение дома загородного с обустроенной прилегающей территорией, он дает возможность сохранить ландшафт фактически в начальном виде.

Водоразмещенный трубный змеевик

Наиболее экономичная геотермальная установка применяет энергию тепла воды. Ее предлагают, если расстояние до близлежащего пруда не будет больше 100 м.

Водоразмещенный трубный змеевик считается наиболее выгодным и стало быть более целесообразным для устройства

Контур из труб в виде спирали кладут на днище, глубина залегания должна быть меньше 2,5-3 м, другими словами глубже зоны обмерзания. Площадь пруда – от 200 м?. Основной плюс – нет надобности исполнять трудоемкие работы связанные с землей, но необходимо взять разрешение специализированных служб. Потратив немалые средства на дорогое оборудование, экономить не нужно на качественном монтаже. Ведь собственно от него зависит качество и результативность всей системы.

Как можно заметить, установить геотермальное домашнее отопление собственными руками не так уж легко. Из всех указанных видов, пожалуй, только завершальный вариант вполне достаточно просто осуществить своими силами. Однако даже в данном случае необходимо взвесить, все «за» и «против».

Схема исполнения гидротермального отопления

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.

Разновидности конструкций внешнего контура

Как это работает

Вся конструкция состоит из 3 контуров, которые завязаны на так называемый тепловой насос — сердце системы. Тепловым насосом называют агрегат обеспечивающий теплообмен между контурами и циркуляцию теплоносителей внутри контуров.

Схема теплонасоса в разрезе.

Назначение контуров

Наружный контур — этот контур расположен непосредственно в земле ниже уровня промерзания или воде. Заполняется этот контур какой-нибудь незамерзающей жидкостью, в самом простом варианте рассолом. Жидкость, нагреваясь под землей, поднимается в теплонасос и отдает тепло второму контуру;

Наружный контур имеет достаточно большую длину.

Второй контур заполнен фреоном и полностью спрятан внутри теплонасоса. Температура кипения у фреона достаточно низкая, нагреваясь от первого контура, он превращается в пар и разогревает внутренний, третий контур. Именно поэтому такую систему называют холодильником наоборот;
В качестве внутреннего контура выступает отопительная система дома. Название условное, так как этих контуров может быть несколько — отопление радиаторов, теплого пола, обогрев теплицы, нагрев воды для бытового пользования и прочее.

Аппаратура для геотермального отопления не требует отдельного помещения.

Принцип действия

Незамерзающая жидкость нагревается на глубине, под землей до температуры, к примеру, 5–7ºС и поступает в тело теплового насоса;
Внутри агрегата стоит теплообменник и нагретая жидкость, проходя через него, отдает тепло второму контуру, после чего уходит под землю за новой «порцией тепла»;
Фреон, который испаряется во втором конуре попадает в компрессор и при сжатии его температура доходит до 100ºС, чего вполне хватает чтобы разогреть жидкость в третьем контуре, кстати, для этих целей тоже есть теплообменник;
С третьим контуром более-менее ясно, он обогревает дом, а вот разогретый фреон поступает в расширительный экран, где давление и температура нормализуются и все начинается снова.

Принцип работы теплонасоса.

Достоинства и недостатки системы

Достоинств у геотермальной системы масса:

Энергия земли неисчерпаема, это не заправочная станция и тепло там не кончается;
Система полностью безопасна в пожарном отношении;
Раз топлива как такового нет, значит доставлять и складировать его не нужно;
Система экологически безопасная и полностью безотходная;
Пока в вашем доме есть электроэнергия, тепловой насос работает в автономном режиме. Кстати инструкция по настойке там элементарно простая;
Для загородного дома средних размеров расчет потребления электроэнергии составляет порядка 300–400 Вт. Образно говоря, вы, оплачиваете работу лампочки в 300 Вт и при этом обогреваете весь дом, плюс получаете горячую воду.

Характеристики одной из моделей теплонасоса.

Минусы у геотермальной системы также есть и самым главным считается высокая цена. В среднем обустройство подобного отопления для загородного дома обойдется порядка 10 тысяч евро, прием стоимость оборудования в этой сумме занимает примерно половину, остальное возьмут за монтаж.

Классификация по типу конструкции

Принцип работы подобного отопления немного похож с принципом работы того же кондиционера или домашнего холодильника. Что касается основного элемента, то им является , который включен одновременно в два контура.

Внутренний контур – это традиционная система отопления, которая состоит из радиаторов и труб, что касается внешнего, то это больших размеров теплообменник, который может находиться под толщей воды или под поверхностью земли. Внутри него, как правило, циркулирует жидкость, имеющая в составе антифриз, так же как и обычная вода. Подобный теплоноситель принимает на себя температуры среды, которые потом уже немного подогретые поступают в тепловой насос. Тепло, которое было аккумулировано передается внутреннему контуру, именно это и осуществляет нагревание воды в радиаторах и трубах. Геотермальный тепловой насос является ключевым элементом подобной системы, по сути, это компактных размеров агрегат, занимающий места не больше, чем обычная стиральная машина.

Схема работы теплового насоса

Стоит отметить, что установка подобного вида отопления является достаточно дорогостоящим и трудоемким процессом. Приличные деньги придется потратить на приобретение специального оборудования, а также на проведение земляных работ. Именно по этой причине все большее количество людей принимают решение осуществить геотермальное отопление дома своими руками.

Для того, чтобы все получилось, необходимо разобраться в том, какие системы применяются чаще всего, а также важно уяснить некоторые особенности всех видов данного устройства. Прежде всего стоит знать, что есть три основных вида теплообменников:

горизонтальный;
вертикальный;
водоразмещенный.

Горизонтальный теплообменник

Достаточно часто применяется именно такой вид контура. При его устройстве трубы укладываются в специальные траншеи на глубину немного превышающую уровень промерзания почвенного покрова в данной местности. Есть один недостаток у подобной системы – необходима большая площадь для размещения коллектора, и далеко не каждый застройщик может себе позволить установку подобного типа конструкции. Кроме того, если на участке растут деревья, оборудования должно отстоять от них на расстоянии примерно полтора метра.

Теплообменники в траншее

Вертикальный теплообменник

Более компактным по размерам, но при этом более дорогим является вертикальный теплообменник, для монтажа которого большой площади не потребуется, но не обойтись без специального бурильного оборудования. Глубина скважины в обязательном порядке должна быть в диапазоне от 50 до 200 метров. Данный метод считается дорогостоящим, но при этом в состоянии прослужить до 100 лет. Особенно такой метод актуален в том случае, если планируется произвести геотермальное оборудование дома, расположенного за городом, а также имеющего прилегающую обустроенную территорию. Данный метод позволяет окружающий ландшафт сохранить в нетронутом виде.

Укладка теплообменных труб в скважину

Водоразмещенный теплообменник

Подобная конструкция является наиболее экономичной, она использует энергию тепла воды. Рекомендуется монтировать ее на расстоянии до водоема, расположенного поблизости не больше 100 метров. Контур из труб укладывается на дно в виде спирали, глубина залегания не должна превышать три метра, а рекомендуемая площадь водоема должна составлять не менее 200 кв. метров. Еще одним преимуществом такой конструкции является отсутствие необходимости производить сложные трудоемкие работы, на которые в обязательном порядке необходимо получить необходимое разрешение.

Закладка труб в водоем

Как видно из всего сказанного выше, осуществить геотермальное отопление самостоятельно, своими руками, не так просто. Самым оптимальным вариантом является последний вариант, но здесь есть некоторые нюансы, без наличия которых он будет невозможен, в частности он невозможен при отсутствии водоема.

Как установить геотермальное отопление самостоятельно

Самому делать термальное отопление достаточно сложно, однако вполне допустимо. Рядом с постройкой требуется создать конструкцию из обвязки труб и заглубить ее. Габариты коллектора и устройство змеевика будут зависеть от уровня теплопроводимости и степени залегания почвы. Когда проводить за установку термального отопления жилища самостоятельно, то наружный контур оптимальной купить готовый. Чтобы создать минимальные условия работы термальной системы, требуется соблюсти такие условия:

Температурные показатели слоя грунта, где находится контур, не должны быть меньше +5 градусов.
На всей обвязке с антифризом делается изоляция, защищающая контур от замерзания.
Термальное отопление здания выполняют после точных расчетов и создания чертежей.

Учитывая указанные требования, станет ясно, что термальный обогрев способен быть эффективным. Но для северного региона использование такой установки целесообразно для отопления построек небольшого периметра — до 200 кв. м.

Оптимально монтировать коллектор внутри водоема на дистанции не более 100 м. Требуется, чтобы площадь водоема была более 200 кв. м., а глубина — по меньшей мере 3 м. Когда отсутствуют права на пользование этим водоемом, понадобится изначально иметь разрешение на монтаж требуемой техники.

Особенности расчета

Для выполнения расчетов системы, требуется учесть основные показатели:

на глубине, которая превышает 20 м, температурные показатели должны быть выдержаны в диапазоне +8+100 градусов;
для устройств вертикального типа берутся в расчетах показатель мощности в 50 Вт на 1 м высоты (принимаются в расчет влажность породы, наличие подземных вод и др.);
сухая порода даст 25Вт на м;
глина или песчаник 50Вт на м;
твердые породы из гранита обеспечивают до 85 Вт на м;
присутствие подземных вод даст 110 Вт нам.

Классификация по конструкционному типу

Принцип работы геотермального отопления схож с принципом работы кондиционера или холодильника. Основным элементом является тепловой насос, включенный в два контура.

Принцип работы геотермального (теплового) насоса

Внутренний контур представляет собой традиционную систему отопления, состоящую из труб и радиаторов. Внешний – внушительных размеров теплообменник, находящийся под землей или толщей воды. Внутри него может циркулировать как специальная жидкость с антифризом, так и обычная вода. Теплоноситель принимает на себя температуру среды и «подогретый» поступает в тепловой насос, аккумулированное тепло передается внутреннему контуру. Таким образом происходит нагрев воды в трубах и радиаторах.

Геотермальный (тепловой) насос – ключевой элемент системы. Это компактный агрегат, занимает места не больше, чем привычная нашему взгляду стиральная машина. Если говорить о производительности, то на каждый 1 кВт потребленной электроэнергии, насос «выдает» до 4-5 кВт тепловой энергии. В то время как обычный кондиционер, который имеет схожий принцип работы, на 1 кВт затраченной электроэнергии «ответит» 1 кВт тепловой.

Схема устройства геотермального отопления в частном доме

Надо признать, что устройство этого вида отопления является самым дорогим и трудоемким на сегодняшний день. Львиную долю его стоимости составляет покупка оборудования и, конечно, земляные работы. Естественно, что бережливый хозяин задумывается, а нельзя ли сэкономить, например, на монтаже и сделать геотермальное отопление своими руками? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, необходимо разобраться, какие же системы применяют чаще всего и уяснить особенности их устройства.