Геотермальное отопление дома: принцип работы и типы конструкций


Обогрев коттеджа или дачи – дело непростое, требующее внимательного отношения, грамотного и рационального подхода. С учетом интенсивного роста цен энергоносителей, даже экономичные газовые устройства порой оказываются не самым лучшим выбором. В плане отсутствия эксплуатационных расходов, наиболее выигрышно смотрится геотермальное отопление дома своими руками. Данная схема предполагает использование подземного тепла, вырабатываемого естественным образом. Этот вариант, наверняка, придется по нраву и людям, неравнодушным к вопросам сохранения окружающей среды, какой-либо вред для экологии попросту отсутствует.

Впервые подобные методы были протестированы в 70-х годах минувшего столетия в США, когда разразились первые экономические кризисы. Конечно, эти системы сложно было назвать совершенными, что отражалось и на эффективности, и на стоимости обустройства. В современном мире, к счастью, дело обстоит совершенно иначе.

Геотермальное отопление дома: принцип работы и типы конструкций

Распространенное заблуждение


Бытует мнение, что геотермическое отопление частного дома удастся создать исключительно в достаточно теплых регионах, где кругом бьют горячие ключи и источники. Это совершенно не так. Наглядный тому пример – Гренландия, остров с суровыми климатическими условиями, основная часть территории которого скрыта снегами. Тем не менее, подавляющее большинство здешних домов, фермерских хозяйств и сельскохозяйственных угодий обогревается именно подземным теплом.

Рабочий принцип

Сравнить работу такой отопительной системы можно с холодильником, только наоборот. Внутренние слои земли сохраняют достаточно высокую температуру постоянно, нагреваясь от ядра, не завися от внешних условий. Осталось только понять, как “извлечь” эту тепловую энергию.

С этой целью наверху монтируется тепловой насос, вырывается шахта, в которую погружается теплообменник. Грунтовые воды проходят через насосы, нагреваются, путем попадания в трубы и радиаторы нагревают воздух в помещениях. В состав системы входит два контура:

  • Внутренний контур – классическая система отопления здания, состоящая из радиаторов, труб, батарей и прочего;
  • Внешний контур – непосредственно теплообменник, расположенный глубоко в грунте.

Стоит обратить внимание, что в качестве теплоносителя допускается использование и обыкновенной воды, и антифриза.

Варианты формирования

Геотермальное отопление дома: принцип работы и типы конструкций

Обогреть свой дом удастся по одной из следующих схем:


  • Насос и теплообменник вертикального типа. Глубина скважины в таком случае варьируется от 50 до 200 метров, так что бурение связано с существенными финансовыми вложениями. Тепловая энергия забирается от глубоких грунтовых вод, температура которых очень высока. Тепловой насос обеспечивает движение жидкости, теплообменник забирает энергию, дальше происходит обратный сброс воды. Не стоит бояться первоначальных капиталовложений, расчеты наглядно показывают, что результат оправдывает средства, продолжительность эксплуатации доходит до века.
  • Немало общего с описанной схемой имеет и методика, основанная на монтаже в шахте глубиной около сотни метров укрепленного бака с антифризом, нагреваемым грунтом. Для непрерывного движения антифриза также задействуется тепловой насос.
  • Горизонтальный теплообменник – менее затратная и более конструктивно простая схема. Основное требование заключается в том, чтобы трубы находились ниже отметки, на которую в холодное время года промерзает грунт. Эффективность нагрева в такой ситуации меньше, а потому приходится компенсировать ее общей площадью коллектора, которая должна примерно в 2 раза превосходить площадь отапливаемого помещения. Конечно, данное значение приблизительно, точный коэффициент зависит от множества факторов.

  • Наконец, последняя схема подходит в том случае, если между обогреваемым зданием и ближайшим водоемом не более сотни метров. Достоинство этой технологии – небольшие финансовые вложения, отсутствие значительных объемов земляных работ. Теплообменный контур располагается так, чтобы на глубине не наблюдалось промерзания, подо льдом должен быть, по меньшей мере, метр воды. В идеале, в водоеме не должно быть течения, способного повредить расположенные на дне зонды. Именно эти зонды и являются поглотителями тепловой энергии.

Для формирования внешнего контура отлично подходят трубы на основе полиэтилена. При расчетах следует исходить из того, что на метр коллектора должно приходиться от 40 до 50 Вт тепловой энергии. Получается, что в ситуации, когда производительность насоса равняется 10 кВт, глубина бурения составит до 200 метров.

Стоит помнить, что в некоторых ситуациях более рационально пробурить не одну глубокую скважину, а несколько более мелких. Чтобы в такой ситуации не был испорчен внешний облик участка, используется кластерный метод – от одной начальной точки расходится несколько столбов вглубь.

Геотермальное отопление дома: принцип работы и типы конструкций

Преимущества решения

Итак, геотермический способ характеризуется следующим набором положительных особенностей:


  • Используется неисчерпаемая бесплатная тепловая энергия.
  • Отсутствует риск пожара, детонации, короткого замыкания и прочих опасных явлений.
  • Нет необходимости возводить отдельную постройку для организации котельной, сам агрегат занимает мало места, отсутствует нужда в дополнительных площадях для хранения топлива.
  • Схема идеальна с точки зрения экологической безопасности. В процессе использования отсутствуют продукты сгорания и выбросы, провоцирующие загрязнение воздуха, почвы и водоемов.
  • Система не нуждается в регулярном обслуживании и контроле, корректность параметров поддерживается автоматикой. Экономичность обеспечивается также и этой особенностью.
  • Вариативность. Отопительный контур, находящийся непосредственно в здании, по своей конструкции ничем не отличается от традиционных систем водяного обогрева. Хозяева могут воплотить в жизнь и современную идею теплого пола, и более традиционную радиаторную схему.

Подведем итоги

Основной проблемой этой технологии остается высокая цена, объясняющаяся значительными объемами земляных работ. Тем не менее, с учетом дальнейших преимуществ, этот недостаток выглядит несущественным. Практика показывает, что полная окупаемость достигается всего за несколько сезонов!

Бурение скважин под тепловые зонды проводится с помощью специальной буровой машины. Первичными работами по монтажу геотермальной установки являются буровые работы. Производится оценка теплопотерь объекта, расчет внутренней системы отопления, а затем, подбирается тепловой насос, который обеспечит в вашем доме комфортную температуру.


Исходя из потребляемой тепловой мощности к площади участка, производится расчет количества и глубины скважин, необходимых для эффективной работы теплового насоса. Для производства буровых работ необходимо учесть все параметры участка, а именно: гидрогеологические условия, удаление скважин от дома, коммуникаций и друг от друга. При соблюдении всех условий, можно эффективно использовать тепло земли и получить с одного метра бурения тепловую энергию в размере от 40 до 80 Ватт. Количество и глубина скважин зависит от пород, в которые будет опущен геотермальный зонд.

Есть три способа бурения скважин под геотермальные зонды.

Горизонтальное бурение. Для выполнения такого вида работ требуется снять верхний слой грунта (около 0.5 метра). Этот способ бурения очень затратный.

Наклонное бурение используется, если есть трудности с подъездом. Но технически – это самый сложный способ бурения.

Для малых площадей участка наиболее эффективным является вертикальное бурение с опуском зонда. Все скважины сводятся в кессон – коллектор, а затем, делается ввод в помещение, где расположен геотермальный насос.

Минимальное расстояние между скважинами составляет восемь метров. Тепловой зонд может быть выполнен в 2-х или 4-х трубной системе. Ввод труб в дом теплоизолируется из-за низкой (около + 0,5 С) температуры теплоносителя выходящего из теплового насоса. Все материалы, используемые для бурения, монтажа и заливки тепловых зондов должны быть экологически чистыми, ведь в случае разрыва зонда, теплоноситель не должен загрязнять водоносные горизонты, через которые он проходит.


В зависимости от расположения и количества скважин, наша компания самостоятельно изготавливает кессон – распределитель для коммутации зондов с тепловым насосом, расположенным в котельном помещении.

Данная конструкция способна учесть все особенности подвода труб от зонда к коллектору и с удобством разместить все вводные фитинги на разных уровнях для соединения с зондами.

Наша компания использует для бурения скважин и монтажа геотермальных зондов только сертифицированные материалы.

Бурение скважин и монтаж геотермальных зондов очень важный и ответственный момент в проектировании, монтаже и будущей качественной работе всей системы отопления в вашем загородном доме.

Автономное отопление с тепловыми зондами обеспечит теплом ваш дом в зимний период, а летом – это возможность кондиционирования помещений.

Принцип работы – особенности

Геотермальное отопление дома имеет веские научные объяснения. Ведь в этих целях используется прогретая магмой земля. Открыв такую закономерность, люди решили вопрос отопления домов с прилегающим участком земли, получив, таким образом, отличный источник тепла.

При беглом осмотре кажется, что геотермальное отопление дома имеет достаточно сложный принцип работы. Хотя при детальном изучении эта система вполне напоминает технологию действия холодильника.

Основой функционирования является – геотермальный насос для отопления дома.

Принцип работы системы состоит в следующих моментах:


  • коллекторы с антифризом, установленные на дне водоемов или в нижних слоях грунта, отвечают за поглощение тепла;
  • геотермальный насос поднимает нагретый антифриз наверх;
  • нагретый антифриз в буферном баке отдает энергию тепла для работы отопительной системы внутри дома;
  • остывший антифриз возвращается к коллекторам.

Наиболее важной частью является внешний контур в виде теплообменника, находящийся в толще воды или под землей. Внутри него движется антифриз, который принимает тепло от окружающей среды на себя.

Подогретый теплоноситель поднимается в геотермальный насос, распределяющий тепло по внутреннему контуру системы. При этом, используемые насосы отличаются стандартными размерами и достаточно высокой производительностью.

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.

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.

При этом, трубы теплообменника будут уложены на дно водоема и смогут использовать для отопительной системы энергию тепла воды. Глубина установки труб должна быть не менее 2,5-3 м при площади водоема от 200 кв.м.

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.

Несколько исторических фактов

Когда в 70-е годы прошедшего столетия разразился нефтяной кризис, на Западе возникла жгучая потребность в альтернативных источниках энергии. Именно в тут пору и стали создаваться первые геотермальные отопительные системы.

Сегодня они получили широкое распространение в Соединенных Штатах, в Канаде и в западноевропейских государствах.

Например, в Швеции активно используют воду Балтийского моря, температура которой составляет +4°С. В Германии внедрение геотермальных отопительных систем даже спонсируется на государственном уровне.

В России действуют Паужетская, Верхне-Мутновская, Океанская и другие геотермальные электростанции. Но фактов использования энергии Земли в нашем частном секторе очень мало.


Реальные преимущества и недостатки

Если в России геотермальное отопление частного сектора получило сравнительно малое распространение, значит ли это, что идея не стоит затрат на её воплощение? Может быть, и заниматься этим вопросом не стоит? Оказалось, что это не так.

Использование системы геотермального отопления жилища – решение выгодное. И тому есть несколько причин. В их числе и быстрая установка оборудования, которое способно длительное время работать без каких-либо перебоев.

Если использовать в отопительной системе не воду, а качественный антифриз, она не будет промерзать и её износ будет минимальным.

Перечислим и прочие преимущества этого вида отопления.

  • Исключена процедура сжигания топлива. Мы создаём абсолютно пожаробезопасную систему, которая, в процессе своей эксплуатации, не сможет нанести жилью никакого ущерба. Кроме того, исключается ряд других моментов, связанных с присутствием топлива: теперь не нужно искать место для его хранения, заниматься его заготовкой или доставкой.
  • Существенная экономическая выгода. В процессе эксплуатации системы не потребуется никаких дополнительных вложений. Ежегодный обогрев обеспечивают силы природы, которые мы не покупаем. Конечно, при функционировании теплового насоса затрачивается электрическая энергия, но при этом объём производимой энергии существенно превышает размеры потребления.
  • Экологический фактор. Геотермальное отопление частного загородного дома – это экологически безопасное решение. Отсутствие процесса горения исключает поступление в атмосферу продуктов сгорания. Если это осознают многие, и такая система теплоснабжения получит должное повсеместное распространение, негативное влияние людей на природу многократно уменьшится.
  • Компактность системы. Вам не придется организовывать в своём доме обособленное помещение котельной. Всё, что будет необходимо – это тепловой насос, который можно разместить, например, в подвале. Наиболее объёмный контур системы будет располагаться под землей или под водой, на поверхности вашего участка вы его не увидите.
  • Многофункциональность. Система может работать как на отопление в холодное время года, так и на охлаждение в период летней жары. То есть, по сути, она заменит вам не только обогреватель, но и кондиционер.
  • Акустический комфорт. Тепловой насос работает практически бесшумно.

Выбор геотермальной системы отопления экономически выгоден, несмотря на то, что придется потратиться на покупку и установку оборудования.

Кстати, в качестве недостатка системы упоминают именно затраты, на которые придется пойти, чтобы установить систему и подготовить её к работе. Нужно будет купить сам насос и некоторые материалы, выполнить работы по монтажу наружного коллектора и внутреннего контура.

Впрочем, эти расходы окупаются всего за несколько первых лет эксплуатации. Последующее использование уложенного в грунт или погруженного в воду коллектора позволяет сэкономить значительные средства.

К тому же, сам процесс монтажа не настолько сложен, чтобы приглашать для его выполнения сторонних специалистов. Если не заниматься бурением, то всё остальное можно сделать самостоятельно.

Надо отметить, что некоторые умельцы, в стремлении сэкономить научились собирать геотермальный тепловой насос собственноручно.

Об источниках геотермального отопления

Для геотермального отопления можно использовать следующие источники земной тепловой энергии:

  • высокотемпературные;
  • низкотемпературные.

К высокотемпературным относятся, например, термальные источники. Использовать-то их можно, но область их применения ограничивается фактическим местом нахождения таких источников.

Если в Исландии этот вид энергии активно применяется, то в России термальные воды находятся далеко от населенных пунктов. Максимально они сконцентрированы на Камчатке, где подземную воду применяют в качестве теплоносителя и поставляют в системы ГВС.

Зато для применения низкотемпературных источников у нас имеются все необходимые предпосылки. Для этой цели подойдут окружающие воздушные массы, земля или вода.

Для извлечения нужной энергии используют тепловой насос. С его помощью происходит процедура преобразования температуры окружающей среды в тепловую энергию не только отопления, но и горячего водоснабжения частного домовладения.

Два вида расположения теплообменника

Имеются два варианта отопления частного дома с использованием низкотемпературной энергии элементов окружающей среды. Основу системы во всех трех случаях составляет геотермальный насос.

Внутренний контур остаётся без изменений для любого способа отопления, а основное различие заключается в расположении внешнего контура.

Геотермальное отопление бывает с теплообменником, расположенным:

  • вертикально – располагаются в скважинах, вскрывающих или не вскрывающих водоносный пласт;
  • горизонтально – теплообменники систем укладывают в котлован или открытый водоем в виде своеобразного змеевика.

Каждый из приведенных здесь видов отопления характеризуется своими особенностями, недостатками и преимуществами.

Если вы намерены создать такую систему отопления собственными руками, вам будет интересно узнать о каждом из видов подробнее.

Вариант #1. Вертикальное размещение внешнего коллектора

Этот вид отопления основан на интересном природном явлении: на глубине 50-100 м и более от своей поверхности земля круглогодично имеет одинаковую и постоянную температуру 10-12°С.

Чтобы иметь возможность использовать эту энергию земли, необходимо бурить вертикальные скважины. Технология практически аналогична с подготовкой водозаборного источника.

С целью максимального сохранения ландшафта можно пробурить несколько труб с одной исходной точки, но под разными углами.

Внешний контур системы будет смонтирован непосредственно в этих скважинах. Это позволит эффективно отобрать у земли её тепло. Разумеется, этот способ трудно назвать простым и малобюджетным.

Актуален он в том случае, когда прилегающая к дому территория уже обустроена, и нарушение её ландшафта нецелесообразно. Глубина бурения скважины может достигать от 50 до 200 метров.

Конкретные параметры скважины зависят от геологической обстановки на участке и параметров будущего сооружения. Срок службы такой конструкции составляет примерно 100 лет.

Для устройства вертикального варианта системы с теплообменником, извлекающим энергию подземной воды, потребуется пробурить две водоносные скважины.

Из одной из них, именуемой дебетовой, с помощью насоса производится забор воды, которая после передачи тепла сливается во вторую, приемную выработку.

Вариант #2. Горизонтальное расположение грунтового коллектора

Чтобы уложить внешний контур при горизонтальном виде отопления, нужно знать, на какую глубину промерзает земля в вашей местности.

Трубы укладывают ниже уровня промерзания в заранее подготовленные траншеи, захватывая при этом довольно большое пространство: чтобы отопить дом, площадь которого составляет 200-250 кв. м, нужно использовать примерно 600 кв. м теплообменника. То есть шесть соток.

Понятно, что при таких условиях, объём земляных работ будет значительным. Кроме того, нужно учесть в плане расположение деревьев и прочей растительности на участке, чтобы не заморозить их. Например, нельзя располагать трубы коллектора ближе, чем в полутора метрах от деревьев.

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.

Погружение горизонтального теплообменника в водоём

Этот способ требует особого расположения домовладения – на расстоянии примерно в 100 м от водоёма, имеющего достаточную глубину. Кроме того, указанный водоём не должен промерзать до самого дна, где и будет расположен внешний контур системы. А для этого площадь водоёма не может быть меньше 200 кв. м.

Очевидным преимуществом этого метода является отсутствие обязательных трудоёмких земляных работ, хотя с подводным расположением коллектора все-таки придется повозиться. И специальное разрешение на проведение таких работ тоже понадобится.

Впрочем, геотермальная установка, использующая энергию воды, все-таки является наиболее экономичной.

Своими руками: что и как

Если уж и монтировать геотермальное отопление своими руками, то внешний контур лучше все-таки купить в готовом виде. Конечно, мы рассматриваем лишь способы горизонтального расположения внешнего теплообменника: под поверхностью почвы или под водой.

Скважинный вертикальный коллектор смонтировать самостоятельно гораздо сложнее, если вы не обладаете оборудованием и навыками бурения.

Тепловой насос – не слишком габаритное оборудование. В вашем доме он не займет много места. Ведь по размеру он сопоставим, например, с обычным твердотопливным котлом. Подключить к нему внутренний контур вашего дома – задача несложная.

Вообще-то делается всё точно так же, как и при организации и разводке отопления с использованием традиционных источников тепла. Главная трудность – устройство внешнего контура.

Лучшим вариантом будет использование водоёма, если такой найдется на расстоянии не более 100 м. Необходимо, чтобы его площадь превышала 200 кв. м, а глубина – 3 м (средний параметр промерзания). Если этот водоём вам не принадлежит, то проблемой может стать получение разрешения на его использование.

Если же водоём – это пруд, который находится у вас в собственности, то дело упрощается. Воду из пруда можно временно откачать. Тогда работы на его дне можно будет выполнять легко: нужно будет уложить трубы по спирали, закрепив их в этом положении.

Земляные работы понадобятся только для рытья траншеи, которая нужна будет для присоединения внешнего контура к тепловому насосу.

После выполнения всех работ, пруд может быть снова заполнен водой. В ближайшие лет сто внешний теплообменник должен работать исправно и не доставлять хлопот его владельцу.

Если в вашем распоряжении оказался земельный участок, на котором вам только предстоит возводить жильё и растить сад, имеет смысл распланировать горизонтальный теплообменник грунтового типа.

Для этого следует сделать предварительный расчет площади будущего коллектора, исходя из параметров, которые уже указаны выше: 250-300 кв. м коллектора на 100 кв. м отапливаемой площади дома.

Траншеи, в которые предстоит укладывать трубы контура, нужно выкапывать ниже уровня промерзания почвы.

А ещё лучше – просто снять грунт на глубину его промерзания, уложить трубы, а после вернуть грунт на место. Работа трудоёмкая, сложная, но, имея большое желание и целеустремленность, вы сможете её выполнить.

Затраты и перспективы окупаемости

Расходы на оборудование и его монтаж в процессе сооружения геотермального отопления зависят от мощности агрегата и от производителя.

Производителя каждый выбирает, руководствуясь собственными соображениями и сведениями о репутации и надежности того или иного бренда. А вот мощность зависит от площади помещения, которое предстоит обслуживать.

Если брать в расчет именно мощность, то стоимость тепловых насосов колеблется в следующих диапазонах:

  • на 4-5 кВт – 3000-7000 условных единиц;
  • на 5-10 кВт – 4000-8000 условных единиц;
  • на 10-15 кВт – 5000-10000 условных единиц.

Если к этой сумме мы прибавим затраты, которые нужны на выполнение монтажных работ (20-40%), то мы получим сумму, которая для многих покажется абсолютно нереальной.

Но все эти затраты окупятся за вполне приемлемые сроки. В дальнейшем же вам придется оплачивать лишь незначительные расходы на электричество, необходимое для работы насоса. И это всё!

Как показывает практика, геотермальное отопление особенно выгодно для домов, общая отапливаемая площадь которых составляет 150 кв. м. За пять-восемь лет все затраты на обустройство систем отопления в этих домах полностью окупаются.

Если геотермальное отопление не особо востребовано среди собственников частных домов, то эффективность гелеосистем уже оценили жители южных регионов. Технология сооружения солнечного отопления достаточна проста, а ее экономичность и практичность подтверждена многолетним опытом использования западными странами и нашими соотечественниками.


Использованные источники

  1. znatoktepla.ru/otoplenie/v-dome/geotermalnoe-otoplenie-doma.html
  2. geolog.ru/burenie/moskovskaya-oblast/burenie-skvazhin-pod-teplovye-nasosy/
  3. otopleniedomov.com/otoplenie/geotermalnoe-otoplenie-doma-princip-raboty-i-tipy-konstrukcijj.html
  4. sovet-ingenera.com/eco-energy/teplovye-nasosy/geotermalnoe-otoplenie-doma-svoimi-rukami.html

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.