Геотермальное отопление частного дома

При выборе варианта обогрева индивидуальных квартир или промышленных объектов обращают внимание в первую очередь на наличие и стоимость топлива на строительной площадке. Важно представить количество денег и труда, затраченных на установку оборудования, эксплуатационные расходы, а также эффективность будущей системы при определенных условиях эксплуатации.

Геотермальное отопление частного дома преподносится маркетологами как универсальное решение на все случаи жизни, что не совсем так. Статья содержит материал, помогающий понять, что предлагается застройщику и по какой цене, а также сравнить этот вид отопления с другими способами.

Преимущества и недостатки геотермальных тепловых насосов

В России мало опыта массовой и, главное, долговременной эксплуатации тепловых насосов. Пользователи делятся на два противоборствующих лагеря: те, кто хвалит систему отопления (сюда же следует отнести продавцов и монтажников), и противники, столкнувшиеся с трудностями в эксплуатации или недобросовестными установщиками.

На основании отзывов можно сделать выводы о преимуществах и недостатках тепловых насосов.

Преимущества проявляются в качественном проектировании, правильном подборе оборудования и соблюдении правил монтажа.

Устройство и принцип работы геотермального отопления

Наглядно посмотреть, как работает тепловой насос, можно на примере домашнего холодильника или сплит-системы. Если дотронуться до радиатора на задней стенке холодильника, он будет горячим, а стенки морозильной камеры остынут.

Кондиционеры, разнесенные в пространстве, работают в аналогичном режиме – внутренний блок охлаждается и служит источником охлаждения, наружный блок отдает тепло на улицу. В реверсивном режиме сплит-система нагревает воздух в помещении.

Принципиальная схема работы теплового насоса.

В тепловом насосе, предназначенном для отопления, наружный блок извлекает тепло из воздуха, почвы или воды, для чего наружные контуры выкладываются из труб. Возможна подача воды в водяные контуры, в этом случае вход и выход находятся на расстоянии около 20 метров друг от друга. После преобразований в центральном блоке тепло поступает в дом.

Альтернативный способ организации – откачка грунтовых вод.

В состав геотермальной системы отопления входят:

1. Прямой тепловой насос с компрессором, испарителем, конденсатором и дроссельной заслонкой.
2. Низкотемпературный контур отопления.
3. Контуры отопления помещений (водяные или жидкостные) и водяное отопление.

Работа основана на работе Николя Леонарда Сади Карно, одного из выдающихся ученых, изучавших термодинамику на заре этой науки. Подробный алгоритм выглядит следующим образом:

1. По трубам прокачивается теплоноситель из внешнего контура. При движении жидкость нагревается на несколько градусов от тепла земли, воды или воздуха.
2. Внешний контур проходит через теплообменник испарителя, где нагревает хладагент, например фреон, который испаряется. Кроме того, хладагент попадает в испаритель через капиллярное отверстие и быстро расширяется, что также способствует нагреву.
3. Компрессор сжимает нагретый хладагент, дополнительно повышая температуру фреона.
4. Горячий сжатый хладагент поступает в конденсатор, где, охлаждаясь и переходя из пара в жидкость, отдает тепло теплоносителю системы отопления, циркулирующему в трубах отопления. Другой вариант – нагреть воздух, распределенный по всему помещению.
5. Кроме того, хладагент снова поступает в испаритель, где нагревается новой порцией хладагента, циркулирующего во внешнем контуре.

Часто задают вопрос: откуда КПД тепловых насосов ?300-700%. Это связано с тем, что теплоноситель внешнего контура выходит из насоса с температурой от -15°С до +7°С и нагревается грунтом (водой, воздухом) до температуры 2-8°С, т.е получает» часть энергии от источников энергии внешних. Хладагент в насосе испаряется не только в результате работы компрессора, но и за счет внешнего тепла.

Важно! Точные значения температуры теплоносителя внешнего контура могут отличаться от устройства к устройству, но для выполнения тепловым насосом своих функций теплоноситель должен прогреться не менее чем на 2-4 градуса. В противном случае экономический эффект отсутствует или даже отрицателен.

Способы организации геотермального отопления

Геотермальные системы отопления классифицируют по нескольким критериям:

1. Сочетание среды прокладки во внешнем контуре и типа теплоносителя во внутреннем контуре.
2. Способ укладки термозондов (контуров) в грунте или воде — вертикально или горизонтально.

Первый параметр определяется производителем оборудования. Например, обычная сплит-система будет относиться к классу воздух-воздух, она будет забирать тепло у уличного воздуха и отдавать его в помещения.

Насос «грунт-вода» собирает тепло из земли и нагревает жидкий теплоноситель системы отопления. Параметр «вода-воздух» подразумевает конструктивное решение, где внешний контур находится в воде (внешний бак или колодец), а тепло распределяется по всему дому нагретыми воздушными потоками.

Выбор того или иного метода зависит от условий эксплуатации.

Обоснование выбора класса оборудования

Одним из основных параметров, на который обращают внимание при покупке тепловых насосов, является коэффициент теплопередачи COP (коэффициент полезного действия). Может быть от 1 до 7, т.е. 1 кВт электроэнергии преобразуется в 1-7 кВт тепловой мощности. Важно понимать, что фактический коэффициент геотермальных тепловых насосов будет меньше заявленного в паспорте, так как при эксплуатации потребуются затраты электроэнергии на прокачку теплоносителя по внешнему контуру, и чем дольше, тем больше будут эти затраты.

На практике и по мнению пользователей следует рассчитывать КПД 2,5-3,2, если вести учет в течение всего периода эксплуатации — температура почвы и воды меняется постепенно в зависимости от климатических условий.

В большей степени выбор среды, из которой будет извлекаться тепло, зависит от климатических условий региона и геологических особенностей строительной площадки.

Еще один альтернативный способ организации геотермального отопления с помощью резервуара.

Снаряжение с внешним периметром в воде выбирается, если:

• водохранилище — частный пруд;
• глубина скважины в грунтовые воды не превышает 20 метров (в некоторых регионах до 45 метров).

При несоблюдении этих условий требуется лицензия на право землепользования. Если при проверке контролирующими органами лицензия не будет обнаружена, оборудование придется остановить и заплатить штраф до нескольких миллионов рублей.

Кроме того, важно расстояние от бака до дома, если оно больше 25-30 метров, КПД резко падает – потребуются дополнительные затраты на откачку теплоносителя и утепление трубопровода.

Укладка внешнего периметра в землю на вашем участке не запрещена, но следует выбрать правильный способ укладки труб – горизонтально или вертикально.

Горизонтальные и вертикальные внешние контуры.

В зависимости от состава грунта с одного метра горизонтальной трубы можно снять до 50 Вт тепловой мощности. Однако это касается глинистых почв. Песчаники и глины могут давать от 12 до 25 Вт/м, а для теплового насоса мощностью 10 кВт может понадобиться внешний горизонтальный контур длиной от 200 до 700 м. Для его размещения необходим участок земли площадью 450 м2. Размещение труб кольцами неэффективно, так как теплоноситель охлаждает окружающий грунт и соседние кольца просто не будут эффективно нагреваться.

Рациональное размещение труб внешнего контура. Неэффективная, но компактная кольцевая трубчатая система.

Важно! Зимой грунт постепенно промерзает, становится холоднее, а КПД падает до февраля-марта, так как теплоноситель уже не нагревается.

По словам владельцев участков, после нескольких лет эксплуатации в месте расположения горизонтальной циркуляции теплового насоса меняется структура почвы, хуже растут овощные растения, а участок используется только под газоны. В таких местах не высаживают деревья с мощной корневой системой, способной разрушить трубы.

Оптимальной считается вертикальная система проколов или колодцев, в которой размещают несколько контуров, расходящихся в разные стороны. На больших глубинах температура земли более стабильна и мало зависит от климата. Для выхода труб предусмотрен колодец, в котором размещаются коллекторы. Скважины бурятся под углом к ​​горизонту и располагаются по кругу — это уменьшает влияние каждого контура друг на друга.

Хороший трубопровод. Внешний колодец.

Можно ли сделать все своими руками

Собрать геотермальную систему отопления своими руками теоретически возможно, но на практике это сложно, если не невозможно.

Горизонтальное расположение контура потребует много земляных работ. Трубы укладывают не менее чем на 0,5 метра ниже уровня промерзания грунта, т е грунт достаточно перекопать на глубину 2-2,5 м. Грунт следует где-то складировать и размещать при укладке труб.

Для бурения скважин общей глубиной до 200 м потребуется специальное дорогостоящее оборудование, выполнить такой объем работ своими руками невозможно. Приступать к укладке контура самостоятельно целесообразно только при наличии технических средств: экскаватора, самосвала, бульдозера или буровой установки.

Экономическое обоснование использования геотермальных тепловых насосов

Выбор того или иного способа обогрева дома зависит от многих параметров:

• техническая возможность и стоимость подключения к энергосетям (газ, электричество);
• стоимость оборудования и монтажных работ;
• условия эксплуатации установленного оборудования;
• затраты на эксплуатацию энергоресурсов и техническое обслуживание системы в период эксплуатации системы.

В статье сравним затраты на отопление дома 200 м2 за 10 лет эксплуатации разными способами: магистральный газ, электричество, газ от индивидуального газгольдера, тепловой насос на электричестве.

Изначальные и эксплуатационные расходы

В смету расходов на реализацию комплексной системы отопления, организованной с использованием теплового насоса, входит цена:

• насос необходимой мощности;
• трубы внешнего контура;
• дополнительное оборудование – циркуляционный насос, расширительный и накопительный баки;
• трубы для укладки «теплого пола» или воздуховоды для распределения тепла по помещению;
• запирающее и управляющее оборудование;
• монтажные и пусконаладочные работы.

Мощность насоса должна быть на 10-15% больше теплопотерь дома через стены, пол, потолок, двери и окна. В среднем считается, что для Среднего пояса дом площадью 200 м2 потребует установки насоса мощностью 13 кВт для отопления, а еще 700 Вт уйдет на подготовку горячей воды для санитарно-бытовых нужд. Поэтому необходимо приобрести тепловой насос мощностью 14 кВт.

Так выглядит типичная «котельная» с тепловым насосом.

Цена такого оборудования от разных производителей колеблется от 210 000 рублей в базовой комплектации до 500 000 рублей в комплектации премиум.

Длина труб коллектора будет зависеть от структуры почвы:

• сухой песок отдает 10 Вт/м длины трубы диаметром 25 мм;
• сухая глина – 20 Вт/м;
• мокрая глина – 25 Вт/м;
• глина с высоким содержанием грунтовых вод – до 35 Вт/м.

Таким образом, длина периметра составит от 400 до 1200 м.

Вертикальные схемы более выгодны с точки зрения теплоотдачи:

• осадочные породы выделяют 20 Вт/м;
• каменистый грунт и влажные осадочные породы с грунтовыми водами – 50 Вт/м;
• грунтовые воды — до 70 Вт/м.

Исходя из показателей, общая глубина скважины составит от 200 до 700 м, что в 2 раза меньше, чем при горизонтальном расположении. В грунте с хорошей теплоотдачей для дома 200 м2 бурят 3 скважины длиной 75 метров.

Для обеспечения требуемой мощности циркуляционный насос должен прокачивать теплоноситель по контуру в объеме 5 м3/ч.

В первом контуре ТНС устанавливается расширительный бак, вместимость которого должна составлять 10 % от объема теплоносителя. Его можно найти, рассчитав внутренний объем труб. Например, 1 м трубы с внутренним диаметром 32 мм содержит 0,8 л жидкости.

В обратной ветке контура устанавливается накопительная емкость емкостью 10-20 литров на 1 кВт мощности насоса, т.е в нашем случае для насоса мощностью 14 кВт потребуется емкость 140-280 литров. Необходимость в баке связана с тем, что без накопительного бака насос будет работать постоянно – это сокращает срок службы.

Как правильно выбрать самые дешевые обогреватели на рынке

Стоимость оснащения дома тепловым насосом можно проверить без учета внутренней проводки, воспользовавшись калькуляторами, представленными на сайтах производителей оборудования и монтажных организаций. Цены варьируются в зависимости от региона. Системы «под ключ» (с затратами труда и оборудования) готовы к производству специализированными организациями по ценам от 670 000 рублей в регионах до 1,5 млн рублей в Московской области.

Точных данных о сроке службы систем в России пока нет, но зарубежный опыт показывает, что тепловые насосы типа «земля-вода» до замены служат в среднем около 50 лет.

Сравнение стоимости отопления для разных энергоносителей

Усредненные данные о стоимости предметов интерьера и затрат на отопление дома площадью 200 м2 с системами, использующими различные энергоносители, представлены в таблице ниже.

* — принят средний тариф на электроэнергию в размере 2,52 кВтч в сельской местности и 4,8 кВтч в городской местности.

В таблице указаны максимальные затраты денег на отопление. На практике затраты несколько ниже, так как длительные оттепели бывают в отопительный период, когда оборудование работает на мощности 40-50.

Геотермальные тепловые насосы набирают все большую популярность в нашей стране. Принимая решение оборудовать свой дом именно этой системой, нельзя слепо верить обещаниям продавцов. У этого типа оборудования есть недостатки, и расчет и монтаж следует доверить известным фирмам, изучившим максимальное количество отзывов об их работе.