Принцип работы геотермального отопления и теплового насоса

Для существенной экономии расходов на покупку энергоносителей с целью обогрева дома в последнее время используют альтернативные источники энергии. Геотермальное отопление дома дает множество преимуществ его владельцам, но не лишено недостатков. Затраты на устройство обогрева постройки за счет тепловой энергии существенные, но они полностью окупаются в течение 4-5 лет. Существует несколько разновидностей геотермальных установок. Мы расскажем, как своими руками сделать тепловую станцию, а также опишем принцип работы термального отопления.

Что такое геотермальное отопление?

Отопление за счет тепла земли называется геотермальным. Оно основано на том, что ниже точки промерзания почва всегда положительной температуры. По сути, это автономные тепловые станции, использующие низко потенциальное тепло почвы и грунтовых вод.

Поскольку коллектор для забора тепла располагается ниже отметки промерзания грунта, оборудование можно использовать даже в северных широтах. По сути, это агрегат, который работает на подогрев или охлаждение, но не нуждается в постоянной положительной температуре среды.

Преимущества и недостатки системы

Отопление из земли дает владельцам дома следующие преимущества:

1. Система не зависит от поставок топлива. Не нужно выделять место для его хранения и тратить деньга на покупку. Кроме этого, станция полностью пожаробезопасная.
2. При работе тепловой насос не издает шум, благодаря чему обеспечивается комфорт в доме.
3. Главное преимущество – экономность системы. Вам не нужно покупать топливо, потому что используется бесплатная энергия земли. Конечно, во время работы насос использует электроэнергию, но ее расход несравним с тем, сколько потребляет электрический котел.
4. Экологическая безопасность оборудования еще один его плюс. Станция не выбрасывает вредные вещества в атмосферу.
5. Компактный тепловой насос можно установить в подвале дома, а протяженный контур укладывается под землей за пределами постройки, поэтому вам не придется выделять много места в доме для монтажа оборудования.
6. Станция многофункциональная. Она может обеспечивать дом теплом, охлаждать помещения в жару и подогревать воду для горячего водоснабжения.

Отопление тепловым насосом имеет свои минусы. К недостаткам можно отнести то, что к местности, типу грунта предъявляются определенные требования, поэтому монтировать геотермальную установку можно не везде. Еще одним минусом являются существенные расходы на покупку оборудования и его монтаж. Однако затраты окупаются в течение первых лет эксплуатации.

Источники и принцип работы термального отопления

Можно использовать высоко- и низкотемпературные источники тепловой энергии. К первой разновидности относятся термальные гейзеры. Однако они есть не в каждой местности. В качестве низкотемпературных источников применяется тепло воды, земли и воздуха. Для извлечения энергии понадобится тепловой насос.

Теперь разберемся, как работает отопление от земли. Основой системы является тепловой насос, подключенный к внутреннему и внешнему контуру. В доме должны быть проложены трубы и установлены радиаторы для циркуляции жидкого теплоносителя. В отопительную сеть можно включить теплые полы.

Внешний контур укладывается под землей. В нем циркулирует антифриз на базе этиленгликоля. Подогрев теплоносителя во внешнем контуре происходит за счет тепловой энергии земли или другой среды, в которую он погружен. Тепловая энергия преобразуется и усиливается в насосе и передается теплоносителю в отопительном контуре дома.

Важно! Тепловой насос, потребляющий 1 кВт электроэнергии, вырабатывает 4-5 кВт тепловой энергии.

Виды геотермальных установок

Принцип работы геотермального отопления дома мы рассмотрели, теперь разберемся, какие существуют разновидности тепловых установок. Они разливаются по виду используемых теплоносителей и среды, в которую погружены контуры.

Земля-вода

Этот тип насосов отбирает тепловую энергию у почвы и передает ее воде в отопительной системе дома. Для отбора тепла используются коллекторы или зонды.

Внешний контур для получения тепла из земли может быть размещен вертикально и горизонтально. В первом случае обеспечивается постоянная положительная температура на дне скважины, но чтобы ее пробурить, понадобится специальное оборудование. Для устройства вертикального теплообменника нужно бурить скважину диаметром 150 мм на глубину 50-200 м.

Во втором случае трубы контура укладываются горизонтально на 1 м глубже поверхности, поэтому котлованы можно вырыть собственноручно. Но из-за значительной протяженности контура горизонтальные контуры применяют только на больших придомовых участках.

Важно! Площадь горизонтального внешнего контура должна в три раза превышать отапливаемую площадь дома.

Вода-вода

Обычно используют теплообменник, который уложен на дне водоема, расположенного на расстоянии не более 100 м от дома. Подойдут только естественные водоемы – пруды, озера. Для укладки труб в реку нужно получать разрешение. Главное требование – глубина водоема не может быть меньше 3-х метров.

Вместо водоема тепло воды можно получать из артезианской скважины. Добытая вода пропускается через тепловой насос. Однако откачанную воду нужно сбрасывать обратно в грунт, поэтому делают вторую скважину. Благодаря этому поддерживается постоянное давление в земном пласте.

Воздух-вода

Для работы оборудования понадобятся испарители и вентиляторы. Наибольшая эффективность работы достигается при температуре окружающего воздуха не ниже -15°С. Если температурные показатели опускаются ниже, теряется часть мощности.

Преимущество станций заключается в простоте монтажа. Не нужно рыть котлованы или бурить скважины. Всю конструкцию можно расположить на крыше дома. Оборудование работает бесшумно и может повторно использовать тепло, выходящее из помещений.

Варианты расположения теплообменников

Расположение внутреннего контура у всех типов насосов одинаковое. А вот внешний контур может быть горизонтальным и вертикальным. Вертикальные скважины могут вскрывать или не вскрывать пласт с водой. А горизонтальные теплообменники укладываются на дне водоемов или в котлованах на глубине не менее 1 метра.

Глубина вертикальных коллекторов достигает 100-200 м. На такой глубине земля в течение всего года имеет одинаковую температуру. Для сохранения ландшафта бурят несколько скважин под разными углами из одной точки. Внешний контур монтируется в скважинах. Конструкция может прослужить до 100 лет.

Важно! Для установок вода-вода бурят две вертикальные скважины – для забора и слива воды.

Горизонтальные теплообменники укладывают на глубине ниже точки промерзания почвы. Площадь горизонтальных коллекторов должна в 3 раза превышать площадь дома. Из-за этого объемы земляных работ значительные. Кроме этого, трубы можно укладывать на расстоянии не менее 1,5 м от деревьев. Если теплообменник укладывается в водоеме, то трудоемкие земляные работы отсутствуют.

Как сделать геотермальный агрегат своими руками?

Чтобы сделать геотермальное отопление дома своими руками, понадобятся следующие составляющие элементы:

• испаритель;
• компрессорный узел;
• дроссельный клапан;
• конденсатор.

Тепловой насос можно сделать из старого холодильника. Для этого с него снимают змеевик. Он будет выполнять функции конденсатора. Его помещают в емкость из прочного материала. К емкости крепят компрессор, а испаритель делают из пластиковой бочки. Все составляющие элементы соединяют между собой, а затем агрегат подключают к системе отопления дома с помощью полимерных труб.

Для изготовления насоса из кондиционера внешний и внутренний блок нужно поменять местами. В качестве теплоносителя используют воду или воздух. Систему укомплектовывают четырехходовым клапаном. Для его установки понадобится помощь специалистов.

Примерные затраты и окупаемость системы

Расходы на покупку оборудования и его монтаж зависят от типа теплового насоса, особенностей теплообменника и мощности установки.

Цена насосного оборудования зависит от его производительности:

1. Агрегат с мощностью 4-5 кВт обойдется в 3-7 тыс. долларов (195-455 тыс. рублей).
2. Оборудование производительностью 5-10 кВт продается по 4-8 тыс. долларов (260-520 тыс. руб.).
3. Насосы мощностью 10-15 кВт обойдутся в 5-10 тысяч долларов (325-650 тыс. руб.).

Затраты на монтажные работы составят 20-40% стоимости оборудования. Несмотря на существенные первоначальные расходы, в процессе эксплуатации системы вы сможете экономить, потому что энергоресурсы совершенно бесплатные. Все расходы окупятся в течение первых 4-8 лет эксплуатации системы для дома площадью в пределах 100-150 квадратов.