Отопление частного дома геотермальными системами

Преимущества и недостатки

Преимущества геотермальной энергии уникальны своей неиссякаемостью и абсолютной независимостью от любых внешних факторов. Ни один источник альтернативной энергии не в состоянии достичь показателя коэффициента использования установленной энергии ГеоЭС – 80 %.

К недостаткам следует отнести дороговизну скважин. Чтобы добраться до «нужной» температуры приходится бурить на большую глубину. Так для горячего водоснабжения необходимо углубиться более чем на километр, а для электрогенерации – до нескольких километров.

Еще одна серьезная проблема – закачка отработанной воды в подземный водоносный горизонт, что также требует дополнительной энергии и финансовых затрат. Сброс их в природные водоемы чрезвычайно опасен, поскольку может привести к тяжелым последствиям для окружающей среды, из-за большого содержания в них токсичных металлов – свинца, кадмия, цинка и других.

Также при бурении скважин приходится учитывать сейсмическую активность района, где находятся практически все ГеоЭС. В противном случае, непродуманное бурение скважин может спровоцировать землетрясение.

Принцип получения геотермальной энергии

   Работу геотермальных отопительных станций часто сравнивают с принципом действия систем кондиционирования или обычного холодильника. Любая из схем состоит из двух контуров теплообмена. Принято считать, что в расположенном в грунте контуре происходит нагрев носителя (чаще всего в этой роли выступает незамерзающий фреон), которое впоследствии в испарителе теплообменника передается в «домашний контур».

   Остывшая после циркуляции по дому жидкость для повтора цикла должна вновь нагреться примерно до +7°C. В то же время, летом система действует по обратному принципу, охлаждая воздух в доме, поэтому правильнее было бы называть ее не отопительной, а кондиционирующей.

Способы реализации геотермальной установки

Такое отопление отличается между собой по способам установки теплообменника. На сегодня используются три разновидности:

1. Вертикальный теплообменник: отличается компактностью и более высокой себестоимостью установки в сравнении с другими видами. Для установки вертикального теплообменника не нужно использовать большую площадь, но понадобится использование специализированных бурильных установок. В зависимости от выбранной технологии глубина готовой скважины может достигать показателя до 200 метров, минимальный показатель — 50 метров. Срок службы системы составляет до одной сотни лет. Выгодно устанавливать такой вид геотермального отопления в случае монтажа на уже обустроенном участке. Ландшафт местности останется практически не тронутым.
2. Горизонтальный теплообменник: такой тип используется довольно часто. При монтаже горизонтального теплообменника трубы укладываются на большую достаточно глубину, которая обязательно превышает уровень промерзания грунта. Основной минус использования именно такой разводки заключается в том, что под монтаж коллектора необходимо использовать большую площадь. Трудно проложить такую систему на уже обустроенном участке.
3. Водоразмещенный теплообменник: такая установка является наиболее экономной по затратам среди всего разнообразия геотермального отопления, так как работает за счет энергии водных массивов. Такая система актуальна для тех домовладельцев, у которых на расстоянии сотни метров есть какой-либо водоем. Такой теплообменник наиболее выгодный, что делает его монтаж наиболее целесообразным среди всех разновидностей подобного отопления.

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.

Геотермальные электростанции России

В прошлом году суммарная мощность выработанной ими энергии составила 74 МВт. Помимо этого, геотермальная энергия широко используется для отопления жилых домов и горячего водоснабжения.

Помимо Дальневосточного региона геотермальные ресурсы сосредоточены на Северном Кавказе, Ставрополье и Кубани. Они также обнаружены в Калининградской области и Западной Сибири.

Мутновская ГеоЭС

Электростанция работает по прямой схеме – пароводяная смесь подается по трубам из 12 скважин. Далее на сепараторах происходит ее разделение на пар и воду, после чего пар поступает на турбины, а горячая вода – закачивается обратно в горные пласты. На Мутновской ГеоЭС установлены две турбины по 25 МВт каждая. Полученная энергия поступает в единую энергосистему.

Общие сведения о геотермальных электростанциях

Геотермальные электростанции предназначены для получения электрической энергии из природного тепла нашей планеты. О возможностях геотермальной энергетики было известно более ста лет назад. Еще в начале 20 века в итальянском городе Лардерелло провели первый эксперимент по получению электричества из пара. Спустя несколько лет в этом же городе начала работу первая электростанция такого рода, функционирующая и по сей день.

Принцип работы такой станции основан на закачивании воды под землю через специальную скважину, которая называется входной или нагнетающей. Нагретые магмой слои земли превращают воду в пар, который сквозь вторую скважину, называемую рабочей или эксплуатационной, попадает на лопасти турбины, соединенной с осью генератора.

Особенности отопительной системы

В отличие от газового котла, тепловому насосу не требуется нагревать теплоноситель системы отопления до высокой температуры, так как образование конденсата при холодной «обратке» ему не грозит. К тому же работа в низкотемпературном режиме потребует меньших энергозатрат.

Чтобы компенсировать низкую температуру теплоносителя, поверхность радиаторов пришлось бы сильно увеличивать, поэтому вместо них лучше использовать систему «теплый пол». Этот вид отопления является и наиболее рациональным, так как нагреваемый воздух в первую очередь поступает, так сказать, в зону обитания, а не под потолок.

Тепло от земли

Еще один аргумент в пользу «теплого пола» – минимальные теплопотери. Ведь их величина зависит, в первую очередь, от перепада температур, а он при низкотемпературном режиме является наименьшим. Второй фактор – площадь контакта нагретого воздуха с наружными стенами. Поднимающийся от «теплого пола» воздух наружных стен не касается (при использовании обычных радиаторов он буквально омывает остекление окна и прилегающие участки наружной стены).

Основной недостаток «теплого пола» – энергозависимость – в данном случае неактуален, так как тепловой насос тоже не сможет работать без электричества.

Плюсы и минусы геотермального отопления

Актуальным геотермальное отопление стало в Америке в период кризиса в 80-е годы. Изначально монтаж установок стоил больших денег и такое отопление использовалось исключительно состоятельными людьми, но позже геотермальное отопление стало более доступным для массового использования населением. Преимущества использования геотермального отопления в частном жилище:

• энергию геотермального вида получать и в дальнейшем использовать можно практически в любом месте;
• подача такого вида тепла неограниченна;
• использование такой энергии считается наиболее устойчивым;
• энергия геотермального вида не содержит в себе разного рода вредные выбросы от сгорания углекислого газа;
• отопление на основе геотермальной установки не требует оказывать дому постоянное обслуживание;
• отопление считается бесплатным для владельца дома;
• насосы установки занимают намного меньше места, чем аналогичные тепловые установки, геотермальному насосу под установку нужно места примерно столько же, как и, к примеру, холодильнику;
• геотермальная энергия помогает, как нагревать помещение, так и при необходимости охлаждать его, принцип работы схож с алгоритмом работы кондиционеров;
• при желании можно устанавливать такое отопление совместно с другими системами подачи тепла, например, с газовой системой, дизельной или работающей за счет энергии солнца.

Несмотря на целый ряд позитивных моментов использования такого вида отопления, геотермальные установки имеют и свои недостатки, основные среди которых такие:

• высокие показатели себестоимости для монтажа всей системы;
• долгий срок окупаемости.

Такие недостатки системы отопления меркнут в сравнении с нынешними тенденциями мирового удорожания различных видов топлива. Конечно, срок окупаемости длительный, но за сотню лет геотермальная установка покажет все свои плюсы и докажет свою экономичность на практике. Такой вид отопления уже по достоинству оценили в целом ряде стран Европы и в Америке. К примеру, в Швеции около 70% частных домовладельцев выбрали в качестве отопления именно такую систему.

Что такое геотермальный тепловой насос

Геотермальный тепловой насос – это система для передвижения и превращения тепловой энергии из низкопотенциального объекта в более высокую. Он чем-то похож на холодильную систему.

Устройство

Грунтовой тепловой насос состоит из:

• Контура, который принимает низкопотенциальную энергию от объекта
• Контура, который циркулирует фреон. Последний получает тепло, когда испаряется, и возвращает при конденсации.
• Водяного контура, который сообщает тепловую энергию от установки к радиаторам

Принцип работы геотермального теплового насоса

1. Жидкий хладагент (фреон) испаряется в системе, а тепло поглощается.
2. Фреон, сжатый компрессором, опять становится жидким. Теплообменник получает накопившуюся энергию.
3. Благодаря теплообменнику, вода становится теплее, двигается по системе и нагревает помещение, доходя до батарей.

В процессе температура резко меняется от примерно 8°C до +60°C в теплообменнике под давлением. Благодаря дроссельному клапану все начинается сначала. Схема передачи тепловой энергии такая же как в холодильной установке, хотя сама цель совсем другая. Геотермальный насос для отопления поднимает температуру в комнате, не сжигая электричество и другие ресурсы, а холодильник наоборот понижает ее для долгосрочного хранения продуктов.

Преимущества

+ Экологичность. Геотермальный тепловой насос не нуждается в сжигании ресурсов, портящих окружающую среду. Он работает на естественном тепле недр земли.

+Доступность. Монтаж не требует специальных разрешений, то есть любое частное лицо может установить устройство на своем участке.

+Высокая эффективность. Тепловые насосы более эффективны, чем другие альтернативные способы получения энергии. Из 1кВт потраченной энергии получается 5кВт тепла, которое можно использовать для отопления, теплых полов, кондиционирования и горячего водоснабжения.

+ Безопасность и долговечность. Геотермальные системы не зависят от внешних факторов или кризисов, поэтому обеспечивают стабильность.

Недостатки

— Окупаемость. В зависимости от технических параметров и конкретных условий срок окупаемости варьируется от 3 до 10 лет. Крайне высокая стоимость отменяет массовый спрос на эту технологию.

— Территория. Система геотермальных тепловых насосов занимает огромное количество места. Кластерное бурение, которое требует всего 4м², стоит дороже, чем горизонтальные геотермальные контура.

— Сложное подключение. Отчасти пересекается с предыдущим пунктом. Если частный дом находится близко к остальным, то, возможно, подключение газа будет намного дешевле. Не говоря уже о легкости подключения.

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.

Достоинства геотермальных электростанций

• Запасы ресурсов для электростанций такого рода являются восстанавливаемыми. Они фактически неисчерпаемы при условии правильной работы станции. Это подразумевает закачивание небольшого количества воды в нагнетательную скважину за короткий промежуток времени.
• Функционирование станции не зависит от наличия внешних источников топлива.
• Во время работы установки не происходит вредных или токсичных выбросов.
• Геотермальные электростанции абсолютно безопасны для окружающей среды. При их использовании не возникают даже парниковые газы. Таким образом, они не влияют на увеличение парникового эффекта и глобального потепления.
• Потенциал геотермальных источников намного превосходит запасы органического топлива.
• Станция может функционировать в автономном режиме за счет электричества, получаемого от ее установок. Внешний источник энергии применяется лишь при первом запуске насоса.
• Станция отличается от других видов установок для получения энергии своими компактными размерами.
• Работа электростанции не зависит от времени суток, времени года и погодных условий.
• Использование природного теплоносителя для выработки электрической энергии позволяет снизить ее себестоимость практически до нуля.
• Геотермальная электростанция для нормального режима работы не нуждается в дополнительных вложениях. Незначительных расходов требуют только обслуживание техники и работы по ремонту.
• Электрические станции, работающие на геотермальной энергии, не нуждаются в обширных площадях для санитарных зон.
• Такие электростанции не испортят пейзаж и не потребуют значительного землеотвода.
• Если станцию расположить на берегу моря или океана, она также может опреснять воду естественным способом. Полученную воду затем можно применять для питья или в ирригационных целях. Этот процесс может осуществляться непосредственно при работе станции — во время разогрева воды и охлаждения водяного испарения.

Рекомендации по уходу и обслуживанию

После окончания пусконаладочных работ владелец управляет только двумя кнопками: включить/выключить и зимний/летний режим (отопление или кондиционирование), а также регулирует температуру в разных комнатах.

Ежегодный осмотр и обслуживание производят специалисты сервисной службы: контроль отсутствия утечек фреона, смазки, теплоносителя, работу автоматики.

Максимальной эффективности ГТН достигает, если определиться с выбором отопительной системы на ранних этапах проектирования здания. Тогда есть возможность выбрать оптимальные материалы и толщину ограждающих конструкций с нужной теплопроводностью и тепловой инерционностью.

Самые большие потери тепла обычно происходят через окна. Поэтому тройное остекление вовсе не роскошь, а экономически обоснованное строительное решение. Идеальный вариант — использовать стекла, способные отражать инфракрасные лучи.

Преимущества и недостатки

Геотермальная энергия, запасы которой настолько велики, что лишь 1%, скрытый в земной коре общей глубиной в10 км может обеспечить объём в 500 раз, превышающий все мировые запасы нефти и газа. Выделяют четыре основных типа геотермальной энергии:

1. Это тепло земли из небольших глубин, используемое тепловыми насосами.
2. Энергия горячего пара, воды в земной коре, используемая в настоящее время для производства электроэнергии.
3. Тепло, идущее с глубоких слоев без наличия воды и энергия магмы, накапливаемая в вулканических зонах.
4. Использование этого удивительного дара природы определяется только существующим уровнем техники, возможностями технологии и экономическим расчётом.

Современные конструкции геотермальных отопительных систем имеют как положительные, так и отрицательные моменты.

Основным отрицательным моментом является стоимость. Но это только кажется в начальный момент. Все затраты окупаются по различным данным за 4, 5 лет. Это связано с тем фактом, что современные модели тепловых насосов используют для своей работы гораздо меньше энергии, чем любые другие системы отопления. При потреблении 1 кВт электроэнергии их отдача составляет 5 кВт.

Положительные моменты:

1. Они не сжигают топливо и не производят вредные выбросы различных соединений в окружающую среду.
2. Минимальные затраты на обслуживание с высоким значением КПД.
3. Экологическая безопасность.
4. Надёжные свойства пожарной безопасности системы.

Вывод

На сегодняшний день геотермальная энергия используется в сельском хозяйстве, садоводстве, промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве. С ее помощью осуществляется обогрев и полив оранжерей и теплиц. В жилищной сфере станции по производству этой энергии вполне способны заменить собой традиционные электрические.

Геотермальная энергия находится на одном из первых мест среди альтернативных источников энергии. Наибольшей популярностью станции по ее получению пользуются в США, Канаде и Китае.

Россия обладает обширными геотермальными ресурсами с высокой и низкой температурами и активно развивает это направление энергетики. Электростанции такого рода применяются в большинстве случаев для теплоснабжения и обогрева нескольких городов и населенных пунктов на Северном Кавказе и на Камчатке. Примерно половина добываемой энергии используется для теплоснабжения жилых и промышленных помещений. Третья часть тратится на отопление в теплицах, и 13 процентов используются в промышленных целях.

Количество электрической энергии, полученной на российских геотермальных станциях, по сравнению с общемировым крайне незначительно, но постепенно увеличивается. К наиболее перспективным направлениям использования низкотемпературных геотермальных ресурсов относится применение тепловых насосов. Этот метод признан наиболее перспективным во многих регионах России, в частности в европейской ее части и на Урале.

Электричество при помощи геотермальных источников получают только на Камчатке и Курильских островах.