Обогрев жилого помещения сегодня может быть реализован несколькими способами. Внимание многих обращено на поиски методов, позволяющих экономить на энергии. Немало споров сосредоточено вокруг такого прогрессивного способа получения тепла, как применение подземных источников.

Что такое геотермальное отопление?

Речь идёт об использовании теплового насосного оборудования, которое работает по принципу классического цикла Карно. Внешний блок насосов забирает тепловую энергию из глубоко расположенного теплоносителя, получая взамен прогретую до 50 градусов жидкую среду, циркулирующую по трубам отопительного комплекса. Оборудование функционирует с КПД 350-450%, и это не противоречит законам физики. Стандартный тепловой насос отапливает частный дом или другое строение за счёт тепла грунта в течение 100 тысяч часов — такой временной период в среднем отмечается между капитальными и профилактическими ремонтными работами аппаратуры.

Температура нагрева теплоносителя до 50 градусов не случайна. Она признана наиболее эффективной по результатам изучения энергоэффективности геотермального отопления. По этой причине земляной обогрев помещений не требует установки радиаторов — как правило, отопительный комплекс функционирует за счёт воздушного контура или тёплого пола. В среднем на 1000 Вт расходуемой энергии, которая приводит насосное оборудование в действие, на поверхность удаётся поднять не менее 3500 Вт тепла. С учётом постоянного роста цен на теплоносители от магистральных энергосетей и других способов обогрева жилья, такие экономичные показатели несомненно радуют.

Геотермальное отопление состоит из трёх контуров:

• грунтовый коллектор;
• тепловой насос;
• отопительная система здания.

Грунтовый коллектор — это комплекс труб, дополненных насосом для рециркуляции. Теплоноситель, находящийся во внешнем контуре, имеет температуру 3-7 градусов. Для передачи тепла применяется этиленгликоль в разбавленном с водой или чистом виде. Контуры геотермального обогрева, полностью работающие на воде, встречаются исключительно редко, и объяснить это несложно. Вода, которая находится в разогретой структуре почвы, легко разъедает техническое оборудование.

Выбор теплоносителя зависит от конструктивных инженерных решений. Насосная аппаратура подбирается с учётом устройства составных частей системы. Так как глубина скважины или уровня размещения оборудования зависит от природных условий, отличия типов геотермальных комплексов обусловлены особенностями устройства коллектора в почве.

Горизонтальная структура предполагает размещение коллектора под уровнем промерзания грунта. В зависимости от геодезических особенностей речь идёт об глубине 1,5-2 метра. На такой глубине коллекторы могут оснащаться разными трубами — медными с внешней оболочкой ПВХ или металлопластиковыми. Для получения 7-9 кВт тепловой энергии, необходимо проложить не меньше 300 м² коллектора. Метод исключает близость с деревьями более чем на 1,5 метра, поэтому по окончании монтажных работ возникает необходимость в благоустройстве прилегающей территории.

Вертикально установленный коллектор требует бурения нескольких скважин, направленных в разные стороны под своим углом. Внутри каждой скважины размещаются геотермальные зонды, тепловая отдача которых достигает 50 Вт от 1 погонного метра. То есть для получения 7-9 Вт тепла необходимо поставить 150-200 метра скважин. Плюс в данном случае заключается не только в экономичности решения, но и отсутствии необходимости вносить изменения в ландшафтный дизайн местности. Достаточно выделить небольшую по площади территорию для установки кессонного блока и концентрирующего коллектора.

Контур, нагреваемый от воды, практичен, если вывести наружный узел обмена тепловой энергией непосредственно в водоем на глубину 2-3 метров. Это может быть пруд или озеро. Обязательным требованием в этом случае является расположение водоёма в радиусе 100 метров от отапливаемого здания, а площадь самого водного зеркала должна быть не менее 200 м².

Также существуют воздушные теплообменники, которые направленно получают тепловую энергию из атмосферы. Такое решение не требует выполнения земляных работ и востребовано исключительно в южных регионах страны. Минусом воздушных теплоносителей становится низкий КПД при температуре -15 градусов с полной остановкой оборудования при дальнейшем понижении.

Особенности

Геотермальный обогрев дома не требует применения дорогостоящего минерального топлива, загрязняющего атмосферу. Например, в 7 из 10 домов Швеции отопление реализуется с помощью таких комплексов. В жаркое время года геотермальная аппаратура работает по принципу пассивного кондиционирования. Для полноценного функционирования такой системы, вопреки мнению скептиков, не требуются вулканы и гейзеры. В равнинной местности система выполняет свои функции не хуже.

Единственным условием эффективной работы геотермального комплекса считается достижение тепловым контуром точки ниже линии промерзания, в которой температура грунта составляет 3-15 градусов. Повышенный КПД не противоречит законам физики: тепловой насос содержит фреон, испаряющийся под влиянием ледяной воды. Пар согревает третий контур. Схема напоминает вывернутый наизнанку холодильник. Эффективность насосного оборудования относится к количественному соотношению электрической и тепловой энергии.

Плюсы и минусы

Преимущества геотермального обогрева:

• высокий КПД;
• продолжительный срок эксплуатации оборудования — насосная аппаратура может проработать без необходимости ремонта 20-30 лет, а геологические зонды до 100 лет;
• стабильная работа системы практически в любых условиях;
• абсолютная автономность. Независимость от энергоносителей.

Безусловно, автономные сети комфортны, с точки зрения, отсутствия необходимости подключения к общим инженерным коммуникациям, и если все устроено технически верно, такое оборудование будет работать более 20 лет в безремонтном режиме.

Минусом, который мешает сделать геотермальную систему отопления распространённым способом обогрева, считается высокая себестоимость оборудования. Чтобы прогреть стандартный дом, площадь которого не превышает 200 м², необходимо установить обогревательный геотермальный комплекс под ключ, стоимость которого будет равна 1 млн рублей, при этом 1/3 от данной суммы приходится на тепловой насос. Кроме высокой стоимости, минусом геотермального обогрева считается зависимость оборудования от электросетей.

Важно! Вероятность воспламенения геотермальной отопительной системы сведена к нулю. Также не стоит думать, что внутреннее оборудование в доме займёт много места. На самом деле необходимые элементы отопления занимают не больше площади, требуемой для установки обычной стиральной машины. К тому же освобождается место, которое ранее отводилось под запасы топлива. Своими руками построить и установить тепловые контуры вряд ли получится. Проектирование системы обогрева следует доверить профессионалам, опытным в данной сфере, поскольку любая, даже малейшая ошибка может стать причиной непредвиденных ситуаций.

Технические характеристики

Многие домовладельцы делали попытки разработать проект и установить геотермальное отопление дома собственными руками. Для нормального функционирования системы обогрева необходимы точные математические расчёты, а также грамотное составление схемы разводки трубопроводов. Запрещено располагать скважину ближе, чем на 3 метра к зданию. Максимально возможная глубина бурения скважины составляет 200 метров, но неплохие показатели энергоэффективности также показывают скважины глубиной не более 50 метров.

Расчёты

Основные параметры, учитываемые при разработке геотермальной системы отопления (независимо от типа конструкции):

• температура. При глубине скважины от 15-20 метров теплоноситель прогревается от 8 до 100 градусов в зависимости от условий;
• значение извлекаемой мощности. Средний показатель равен 0,05 кВт на метр;
• влияние на теплоотдачу климатических условий, параметров влажности, контакта с грунтовыми водами.

Важно отметить, что сухие грунты отдают не выше 25 Вт с 1 метра. При наличии грунтовых вод этот параметр резко увеличивается до 100-110 Вт. Также нужно помнить, что стандартное время работы теплового насоса в год в среднем не превышает 1800 часов. Если пренебречь этой рекомендацией и превысить данный показатель, система начнёт быстро изнашиваться. К тому же избыточная эксплуатация тепловых природных ресурсов приводит к быстрому остыванию и даже промерзанию грунта на рабочей глубине, что может стать причиной проседания почвы, механического повреждения труб отопительного комплекса и надземных сооружений.

Необходимо тщательно планировать действия по регенерации грунтовых свойств. Периодическая подача тепла в скважину вместо его добычи на поверхность способно стать гарантом стабильной работы системы земельного отопления на долгие годы. Как часто подавать тепло и что ещё предпринять для повышения энергоэффективности комплекса подскажут расчёты, выполненные опытными проектировщиками при разработке конкретной системы. Срок окупаемости геотермального отопления составляет не менее 10 лет даже при условии высокого КПД проекта. Поэтому помимо инженерных моментов, нужно детально просчитать его экономичность.

Этапы работ

Земельное отопление или теплоснабжение жилого здания за счёт подземных тепловых источников разрабатывается по строгому алгоритму. Водные и воздушные системы отопления используются крайне редко за счёт имеющихся ограничений. Геотермальные применяются чаще, так как данный метод обогрева практически не имеет ограничений, кроме необходимости бурения скважин.

Бурение скважин вручную практически исключено. Специальная техника способна проникнуть на глубину не более 20-100 метров, на которой устанавливается требуемое оборудование. В виде замены зондов применяются пластмассовые трубы, давление которых рассчитано на 6 бар. Чтобы повысить эффективность системы, используются обвязки 3-4 линий, конечные участки которых связывают в виде буквы U.

Подогрев по тепловому контуру необходим, так как это действие исключает риск растрескивания труб и выхода их из строя при низких температурах. Подогрев выполняется через протянутый кабель в центр канала, который подключен к электросети. Если возможность использовать энергетические сваи отсутствует, необходимо воспользоваться горизонтальными приёмниками. Для их установки требуется подготовить площадку размером 15×15 метров, с которой снимают верхний слой почвы на глубине 50 см. Подготовленная территория нужна для монтажа аналогов зондов, например, их можно заменить электротехническими матами или трубами с функцией теплообменника. Чтобы улучшить эффективность системы, дополнительно применяется принцип раскладки труб по спирали или в форме «змейки».

Сложно сказать определённо, что эффективнее — готовые отопительные комплексы, выпускаемые серийно на производстве, или самостоятельное проектирование и монтаж оборудования. В первом случае вопросы совместимости аппаратуры решаются автоматически, а во втором остаётся высоким потенциал модернизации, возможность установить комплекс обогрева с учётом собственных нужд, но внимания проекту нужно уделить намного больше.

Некоторые специалисты могут отказаться от типового аккумулятора тепла, заменив его на бетонную стяжку. Геотермальное отопление в этом случае возможно без существенных рывков температурного режима. Также можно экспериментировать с разными типами теплоносителей, устанавливать компрессоры с меняющейся производительностью. При правильных расчётах и распределении тепла по контурам, отопительный комплекс может работать эффективнее на 15-20%. При этом расходы на потребление электроэнергии значительно снижаются.

Трубы, размещённые по горизонтали, укладывают на глубину 0,5-3 метра. Сократить площадь магистралей можно, уложив трубы в виде витков. Но между отдельными магистралями расстояние должно быть не менее 20 см. Обеспечить отвод грунтовых вод поможет слой песка, которым покрывают дно котлованов.

Важно! Перед началом монтажных работ необходимо определить показатель теплоотдачи грунта. Если он не превышает 20 Вт на м², смысла в проектировании и установке геотермального отопления нет.

Правила эксплуатации

Успешнее всего система геотермального обогрева работает в помещениях, где температура воздуха выше 14 градусов тепла. Если есть возможность, предпочтительнее использовать вертикальное положение тепловых контуров, а не горизонтальное, так как первое всегда эффективнее.

Согласно многочисленным отзывам, в чистом варианте геотермальный комплекс применять нерационально, так как он прогревает жидкость достаточно продолжительно, поэтому система чаще всего применяется как дополнительная, а не основная. Чтобы добиться максимального результата, нужно ориентироваться на доступную интенсивность пользования тепловыми ресурсами грунта и расчётных дебитов скважины.

Если обогрев предполагается не от сухих пород, а горячих подземных источников воды, ситуация практически идеальная. В этом случае можно не только сэкономить, но и получить максимально возможную выгоду. Если планируется одновременно использовать подземные источники в системе водоснабжения, следует предварительно выяснить, соответствует ли химический состав воды санитарным нормам. Если анализ демонстрирует наличие агрессивных соединений, правильнее установить два автономных контура, циркулирующая жидкость в которых не смешивается, а происходит обмен теплом. К стене крепятся компрессоры от холодильного оборудования или кондиционеров.

Если в здании слабая проводка, необходимо установить пару компрессоров для сокращения пускового тока при последовательном включении аппаратуры. При установке конденсаторов необходимо помнить о перемещении фреона от верхней точки к нижней, а не в обратном направлении. Чтобы коллектор бесперебойно работал, обогревая жилое пространство, его площадь должна составлять не менее 200-250 м² при площади отапливаемого строения 100 м². Если на участке планируется разбить сад или огород, горизонтальную геотермальную систему отопления устанавливать нежелательно.