Геотермальное отопление загородного дома: берем тепло из недр земли


Любой владелец частного дома хочет минимизировать расходы, которых требует обогрев дома и ГВС. Поэтому сейчас нередко вместо традиционных видов топлива и таких же привычных приборов выбирают альтернативный вариант. Это использование теплового насоса, или ТН — эффективной установки, которая позволяет получить тепло практически даром — из воздуха, воды или земли, но не затратить на такую «добычу» значительное количество электроэнергии. Недостаток у этого способа есть: это большие первоначальные вложения, которые отпугивают потенциальных покупателей. Однако другое решение есть: тепловой насос при желании можно сделать самостоятельно. В этом случае есть шанс сократить расходы почти вдвое. Первым этапом и «головной болью» для создателя ТН обычно становится выбор компрессора для теплового насоса.

Что такое тепловой насос?


ТН: оборудование, принцип работы, выбор компрессора для теплового насоса

Перед тем как изучать интересующую тему, не мешает познакомиться с оборудованием, которое для многих может быть пока незнакомым. Тепловой насос — это не «одинокий» и компактный агрегат, а целая система, предназначенная для охлаждения или отопления помещений, для подготовки воды для системы горячего водоснабжения. Ее можно назвать «холодильником наоборот».

Особенности оборудования

Принцип его работы заключается в переносе тепла, забранного у воды, воздуха или грунта к водонагревателю ГВС, отопительной системе — к конвекторам, радиаторам либо к другим использующимся приборам.

Тепловой насос назвали так из-за его способности выкачивать тепло из воздуха, воды или грунта. Он не в состоянии сам производить энергию, как это делают отопительные котлы. Для функционирования установке необходима электроэнергия, она нужна вентиляторам, компрессору, блоку управления, циркуляционным насосам.

Принцип работы


ТН: оборудование, принцип работы, выбор компрессора для теплового насоса

В основе принципа действия любого ТН лежит цикл Карно, который используется в кондиционерах, сплит-системах. Каждая среда содержит тепло, а благодаря новым технологиям извлечь его можно из очень холодного воздуха (до -30°), а также из относительно теплой воды и грунта (выше 2°).

Как функционирует ТН?

Рабочая жидкость, используемая в цикле Карно — хладагент — фреон. Этот газ способен закипать при отрицательной температуре. После испарения в теплообменнике он конденсируется, забирая тепловую энергию у среды, а потом переносит ее в другое место.

Работа теплового насоса основана на одновременном функционировании трех контуров, взаимодействующих между собой. Роль теплоносителя исполняют жидкости, циркулирующие по трубам.

  1. В первом контуре находится теплоноситель, задачей которого является забор энергии из низкотемпературной среды (воздух, вода, грунт).
  2. Во втором находится жидкость/газ — вещество, имеющее низкую температуру испарения — хладагент (фреон). Он забирает тепловую энергию, затем, испаряясь и конденсируясь, повышает температуру, а потом передает тепло третьему контуру.
  3. Третий элемент — отопительная система. Как правило, тепловые насосы чаще работают с определенным его видом — с теплыми полами. Третий контур, забирая энергию, нагревает воздух в помещениях.

Принцип действия ТН очень похож на работу климатической техники в режиме обогрева.

ТН: оборудование, принцип работы, выбор компрессора для теплового насоса
  1. Фреон-жидкость следует по наружному испарителю. Забирая тепло от внешней среды, он закипает, потом испаряется.
  2. После перехода в газообразное состояние он перемещается в компрессор, главная задача которого повышение давления. Благодаря сжатию температура фреона растет, затем он конденсируется.
  3. Во внутреннем теплообменнике хладагент, превращаясь в жидкость, отдает тепло воде, которая исполняет роль теплоносителя. Затем фреон снова следует в дроссель, резко понижающий давление, и цикл повторяется.

Принцип работы тепловых насосов всех видов ничем не отличается, однако в разных типах систем используются свои виды теплоносителя. Например, в устройствах «грунт — вода — вода» в первом и третьем контуре находится теплоноситель-жидкость. В системе «воздух — вода» первый контур предназначается для воздуха, в конструкциях «воздух — воздух» первый и последний контур предназначены для воздуха — наружного и внутреннего.

Типы тепловых насосов

Все типы «транспортировщиков» тепла отличаются своим предназначением.

Воздух — вода


ТН: оборудование, принцип работы, выбор компрессора для теплового насоса

Это воздушный, или аэротермальный тепловой насос, получающий энергию из воздуха. Плюсы варианта — шанс установки на высоте, отсутствие необходимости свободного места на участке, легкость монтажа. Минусы — зависимость от температуры окружающей среды, низкая эффективность, если сравнивать аэротермальное оборудование с другими видами ТН.

Воздушные тепловые насосы чаще используют в качестве дополнительного оборудования. Популярные комбинации — тепловой насос и теплый пол, ТН и отопительный котел. Иногда этот вариант рассматривают, если рядом нет источника воды, а установка геотермального насоса из-за стоимости бурения владельцев не устраивает.

Грунт — вода


ТН: оборудование, принцип работы, выбор компрессора для теплового насоса

Его называют грунтовым или геотермальным. Этот тепловой насос добывает тепловую энергию из почвы. Его достоинства: высокая эффективность, независимость от времени года, долговечность системы. Недостатки — высокая цена оборудования, сложность монтажа, подразумевающего большие расходы на услуги профи, необходимость выделить для ТН большой участок земли.

Монтаж главной рабочей части грунтового насоса производят двумя способами — горизонтальным и вертикальным.

  1. Горизонтальный метод. В этом случае монтаж контура производят параллельно поверхности земли на глубину 1,5 м. Такие системы называют грунтовыми коллекторами. Единственный, но существенный минус способа — необходимость отдать под ТН большую площадь участка.
  2. Вертикальный метод. Такие установки называют грунтовыми зондами. Для монтажа оборудования не требуется большое пространство, однако здесь есть другой недостаток: это необходимость бурения на значительную глубину. Понятно, что эта операция обещает «неприлично хорошие» расходы.

Если рассуждать об идеальном варианте, то им остается последний: вертикальный монтаж гарантирует неизменно высокую температуру теплоносителя. Такой геотермальный насос — оптимальный выбор для работы на тяжелом грунте.


Вода — вода

ТН: оборудование, принцип работы, выбор компрессора для теплового насоса

Это водяной, или гидротермальный насос. Он предназначен для забора тепловой энергии из водоемов или грунтовых вод. Во многом он схож с оборудованием «грунт — вода», но в этом случае для монтажа системы требуются дополнительные компоненты: например, фильтры, погружной насос и т. д. Эти элементы делают систему менее надежной.

Чтобы иметь возможность реализовать такой план, нужно обеспечить одно из условий:

  • жить недалеко от естественного водоема (в 25—50 м): если расстояние больше, то потребуется мощный циркуляционный насос, а значит, оборудование будет менее экономичным;
  • иметь колодец либо скважину с хорошим дебитом, одновременно обеспечить емкость для слива воды (вторую скважину, шурф и т. д.).

Третий возможный вариант — канализационный сборный коллектор, но в этом случае мастеру надо добиться «высочайшего соизволения» в него аккуратно врезаться.

Назначение установок


ТН: оборудование, принцип работы, выбор компрессора для теплового насоса

Если говорить о функциях теплового оборудования, то главная задача любого теплового насоса — отопление. Однако не все модели могут обеспечить качество без дополнительного оборудования. Есть у ТН и еще несколько возможностей.

  1. Охлаждение. Этот режим предусматривается в большинстве аэротермальных насосов. Для геотермальных установок этот дополнительный функционал не встроен «по умолчанию», но есть возможность обеспечить режим, если купить дополнительные элементы. Надо отметить, что вертикальные тепловые насосы справляются с этой задачей лучше, чем горизонтальные.
  2. Горячее водоснабжение. В одних моделях есть встроенные обогреватели, в других имеется возможность присоединить систему к внешнему бойлеру. Это касается аэротермальных установок, но такие насосы считаются редкостью.

Есть тепловые насосы, сочетающие два режима: они способны работать на отопление и горячее водоснабжение. В этом случае оборудование относится к универсальному типу.

Элементы тепловой системы


ТН: оборудование, принцип работы, выбор компрессора для теплового насоса

Чтобы система могла работать, необходимо множество различных компонентов, но к самым основным элементам тепловых насосов относятся несколько ключевых узлов.

  1. Испаритель. В этом устройстве происходит нагревание и испарение хладагента, на который воздействует тепло, циркулирующее в первом контуре.
  2. Компрессор, чьей задачей является сжатие фреона, находящегося в парообразном состоянии, до того состояния, когда он превращается в жидкость. Во время этого процесса выделяется тепловая энергия.
  3. Конденсатор. Это прибор, в котором сжатый теплый фреон благодаря теплообменнику быстро отдает энергию теплоносителю в третьем контуре, а затем конденсируется, снова превращаясь из жидкости в пар.
  4. Терморегулирующий вентиль, или ТРВ. Данное устройство выполняет несколько функций: ТРВ поддерживает максимальную мощность испарителя, одновременно предупреждая попадание жидкого хладагента в компрессор.

Эти элементы соединяются в систему с помощью трубопровода второго контура. Конденсатор должен иметь возможность подключаться к системе отопления, испаритель — соединяться с первым контуром.

Достоинства и недостатки ТН

Имеет ли смысл рассматривать этот альтернативный вариант? Сначала надо познакомиться с преимуществами и недостатками таких установок.

Плюсы тепловых насосов

Среди них:

ТН: оборудование, принцип работы, выбор компрессора для теплового насоса
  • экономия, так как расходы на отопление и горячее водоснабжение значительно снизятся;
  • практически полная независимость дома от коммуникаций (тепло, газ);
  • возможность организовать отопительную систему и ГВС;
  • длительный срок службы: он составляет 20 лет;
  • экологичность такой тепловой системы;
  • безопасность оборудования;
  • компактность установки.

Еще одно достоинство — шанс обеспечить теплом различные отопительные приборы. Никто не будет спорить, что список плюсов достаточно велик. Однако надо знать и недостатки тепловых насосов.

Минусы тепловых установок

Слабых сторон у таких систем мало, но они нередко становятся причиной отказа от «бесплатной» альтернативы. Владельцев дома не привлекает:


  • высокая цена оборудования;
  • сложность монтажа, требующая участия профессионалов, стоимость их услуг;
  • окупаемость, находящаяся под вопросом: ждать придется долго, но срок этот зависит лишь от интенсивности использования теплового насоса;
  • необходимость качественного утепления помещений, потому что максимальная температура теплоносителя в таких системах — «всего» 70°.
ТН: оборудование, принцип работы, выбор компрессора для теплового насоса

По этой причине ТН чаще используют в «связке» с теплыми полами или теплыми стенами, где пределом являются 35°. С радиаторами организовать более-менее эффективную (45/35°) работу гораздо сложнее, так как их габариты в этом случае должны быть достаточно большими.

Противопоказаниями для ТН являются частые перепады напряжения, отключение электричества. Если здание имеет небольшую площадь (до 120 м2), то установка попросту нецелесообразна по экономическим соображениям.

Виды и типы тепловых насосов

Теплонасосные установки различают по источнику, из которого берется теплота:

  • Геотермальный насос (энергия тепла забирается у воды, например, из реки на определенной глубине; или из грунта, ниже уровня промерзания почвы);
  • Тепловые установки, осуществляющее вторичную переработку тепла (здесь источником энергии может стать сток канализации, вода или воздух;
  • Воздушные тепловые насосы (как ясно, энергия берется из воздуха).

Кроме того, существует еще одна классификация данных агрегатов, которая наглядно отражена в таблице ниже:

Тип теплоносителя Источник Потребитель
Воздух-воздух Более холодный воздух Воздушное отопление
Вода-вода Грунтовые воды Отопление/ГВС
Вода-воздух Скважины и зонды в водоемах Воздушное отопление
Воздух-вода Тепло из атмосферы Водяное отопление/ГВС
Грунт-вода Подземный трубопровод Водяное отопление/ГВС
Лед-вода Замороженная вода Отопление/ГВС

Чтобы организовать высокоэффективное отопление дома тепловым насосом, необходимо произвести правильный расчет системы. Для этого стоит обратиться к специалисту, потому как неверно рассчитанная система предвещает, либо неэффективную работу, либо большой расход электроэнергии. Коэффициент преобразования, а именно так и называется соотношение расходуемого электричества и отдаваемой энергии, годовая эффективность и многие другие нюансы очень важно учитывать при проектировании систем.

Тонкости эксплуатации тепловых насосов

Многие считают, что система отопления с тепловым насосом отличается одним недостатком, заключающимся в том, что максимальная температура воды, которой способен производить такой агрегат, не превышает показатель в 60 градусов. Но, использование для частного дома будет результативным, если тепловой насос будет работать в тандеме с системами теплого пола на основе воды. Множество нынешних производителей рынок предлагает модели, способные работать совместно с фанкойлами, что позволит обеспечить не только обогрев, но и кондиционирование вашего помещения.

Нередко теплонасосные установки используют и для бассейнов, когда тепло отопительных систем отопления и горячего водоснабжения используется также и для подогрева воды для плавания. Немалая цена – тоже для многих покажется недостатком, но, при грамотном расчете опытного мастера, устройство за небольшой промежуток времени легко компенсирует этот «недостаток».

Мифы о геотермальном отоплении

Миф первый: необходимы горячие источники.

Действительно, при упоминании термина «тепло Земли» воображение среднестатистического гражданина сразу рисует свистящие гейзеры и озера кипящей воды на фоне просыпающегося вулкана.

Согласимся: горячие источники также могут применяться в геотермальном отоплении, но это редкость, поскольку расположены они только в некоторых регионах.

В остальных случаях под термином «тепло Земли» подразумевают температуру в 5-7 градусов, которая стабильно поддерживается в грунте или воде ниже глубины промерзания.

Да, да, вот эту-то холодину дерзкие ученые называют «теплом» и даже умудряются нагреть от нее воду в системе отопления.

Миф второй: геотермальное отопление – нечто вроде вечного двигателя, а потому существовать не может.

Установка для отопленияПоводом к возникновению данного заблуждения послужила удивительная эффективность систем геотермального отопления: при затратах энергии в 1 кВт удается получить от 3 до 5 кВт.

И это, как уже было сказано, при полном отсутствии видимых источников тепла: бурлящих гейзеров, огнедышащих вулканов или хотя бы печки с горящими дровами или углем.

Но, как известно энергия не может взяться ниоткуда и исчезнуть в никуда. К сожалению, существование вечного двигателя действительно невозможно.

Но система геотермального отопления не имеет с ним ничего общего. А причины ее эффективности кроются в умелом применении всем известных законов физики.

Устройство и принцип действия

Система геотермального отопления состоит из трех контуров и теплового насоса, который поддерживает циркуляцию среды в контурах и теплообмен между ними. По размерам тепловой насос похож на современную стиральную машинку. Рассмотрим каждый из контуров подробнее.Схема отопления

Внешний контур

Посредством внешнего контура вся система воспринимает тепловую энергию грунта или водоема, в котором данный контур размещается.

Обязательное условие – контур должен находиться ниже глубины промерзания, характерной для данного региона.

Внутри контура циркулирует теплоноситель – рассол или другая незамерзающая жидкость. Накопленная тепловая энергия через теплообменник, установленный в тепловом насосе, передается фреону, содержащемуся во втором контуре.

Контур фреона

Этот контур полностью размещен в корпусе теплового насоса и наполнен фреоном. Характерной особенностью фреона является низкая температура кипения, в процессе которого фреон испаряется, превращаясь в газ.

Внутренний контур

Это, собственно, контур отопления, состоящий из труб и отопительных радиаторов. В более сложном варианте внутренний контур может подразделяться на контуры отопления, горячего водоснабжения, подогрева крыльца (антиобледенитель) и т.п.

Традиционно внутренний контур заполняется водой, но могут применяться и другие виды теплоносителей.

Как это работает

Принцип действия системы геотермального отопления выглядит следующим образом:

  1. Находящемуся во внешнем контуре рассолу сообщается тепловая энергия грунта или воды, отчего его температура увеличивается примерно на 5 градусов и становится равной, к примеру, +3 градуса.
  2. Внутри теплового насоса рассол прокачивается через теплообменник, в котором часть его тепловой энергии передается фреону. Остывший после этого рассол снова поступает во внешний контур.
  3. Получив некоторое тепло от рассола, фреон, находящийся во втором контуре, испаряется. Получившийся таким образом газ поступает в компрессор, где происходит его сжатие. В результате температура фреона поднимается до 100 градусов. Горячий газ подается в теплообменник, в котором отдает часть своей тепловой энергии теплоносителю третьего – внутреннего – контура.
  4. Подогретый до температуры в 50-70 градусов теплоноситель внутреннего контура подается в радиаторы отопления, благодаря чему в доме поддерживается комфортная температура. Фреон, температура которого в результате теплообмена понижается до 70 градусов, поступает в расширительный экран, где его давление и температура падают до первоначальных значений.
  5. Весь цикл повторяется снова.

Схемы построения системы отопления

Несмотря на всю простоту системы, устройство геотермального отопления для загородного дома – довольно дорогостоящий и трудоемкий процесс.

Связано это не столько с дороговизной теплового насоса, сколько с масштабами внешнего контура: в среднем его площадь должна превышать отапливаемую площадь в 2,5 раза. Располагают внешний контур одним из трех способов:

Горизонтально в грунте

Горизонтальный контурТрубы контура располагают под поверхностью земли ниже глубины промерзания.

При отоплении дома площадью в 200 кв. м для горизонтального размещения внешнего контура понадобится участок земли площадью 500 кв. м.

Недостатки такого способа очевидны: придется изрыть солидный участок земли, полностью уничтожив расположенный на нем ландшафт.

Если на участке растут деревья, задача усложняется: трубы контура в плане должны находиться не ближе 1,5 м от дерева.

Все работы по горизонтальному размещению внешнего контура в грунте можно выполнить самостоятельно, и это главное преимущества данного способа. Процесс относительно прост, хотя и трудоемок: рытье траншей, сваривание и укладка труб.

Горизонтальная укладка на дне водоема

Если поблизости от вашего дома имеется водоем, можно обойтись без земляных работ, сохранив существующее благоустройство участка возле дома. Требования к водоему таковы: он должен располагаться не далее, чем на 100 м от дома, и иметь площадь не меньше, чем 200 кв. м.

Если вы не являетесь его владельцем, то, скорее всего, понадобится разрешение местных властей на размещение в водоеме внешнего контура вашей геотермальной системы.

Оптимальная глубина, на которой следует располагать трубы, составляет 2,2-2,5 м.

Разместить внешний контур в водоеме также можно самостоятельно, такая работа не требует особого опыта или высокой квалификации. Если есть возможность на время монтажа спустить из водоема воду, задача потребует еще меньше усилий.

Вертикальное размещение в грунте

Вертикальный контурВ этом случае для размещения внешнего контура строится скважина. И само строительство, и монтаж в скважине труб контура потребует привлечения специалистов и бурильного оборудования. Зато все существующие насаждения и элементы благоустройства остаются нетронутыми.

Вдобавок, размещение контура в скважине делает отопительную систему более эффективной, ведь грунт на больших глубинах (глубина скважины составляет от 50 до 200 м) круглогодично сохраняет постоянную температуру в 10-12 градусов.

Дополнительное преимущество – длительный срок службы скважины, который может составлять 100 лет.

Существует еще одна разновидность геотермальной системы отопления загородного дома, которая называется открытой. Внешний контур в ней отсутствует, а роль теплоносителя играет вода, которая закачивается в тепловой насос из артезианской скважины.

Для сброса воды на ту же глубину строится вторая скважина. Часть артезианской воды может использоваться для водоснабжения дома, поэтому данная разновидность геотермального отопления более распространена в тех регионах, где отсутствует централизованная подача воды.

Отзывы о геотермальной системе отопления дома

“…Мой знакомый, который установил систему геотермального отопления, поведал мне следующее:

Тепловой насос работает больше года. Согласно проекту температура воды в системе отопления должна составлять 70 градусов, на деле же получается чуть больше 50-ти. По этой причине для подогрева воды пришлось дополнительно установить электрический котел.

По приблизительным прикидкам срок окупаемости теплового насоса составит 20 лет, и это без учета эксплуатационных расходов и затрат на электроэнергию. Расход энергии на работу системы составляет 5 кВт. Отдача – 15 кВт.

В общем, дать однозначную оценку трудно. По моему мнению, применение теплового насоса для одного частного дома неэффективно, гораздо лучше устанавливать такое оборудование для отопления нескольких домов или даже целого поселка…”

Евгений Сухарев, г. Ростов

“…Созванивался с монтажной фирмой. Стоимость монтажа геотермального отопления дома зависит от размещения: скважина, стоячий водоем или проточный водоем. В среднем отопление мощностью в 10 кВт обходится в 1 млн. руб. Думаю, что эта цена занижена с целью привлечения клиентов…”

Олег Басич, г. Тула

На сегодняшний день бесплатное тепло остается дорогим удовольствием.

Однако, многолетний опыт подсказывает: с развитием спроса стоимость систем геотермального отопления будет снижаться. И тогда геотермальное отопление домов станет в нашей стране таким же распространенным явлением, как в США или странах Европы.


Использованные источники

  1. dom-i-remont.info/posts/otoplenie/tn-oborudovanie-princzip-raboty-vybor-kompressora-dlya-teplovogo-nasosa/
  2. mircli.ru/teplovye-nasosy/
  3. obogreem.net/otoplenie-zdanij/sistema-otopleniya-zdanij/geotermalnoe-otoplenie.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.