Эффективно ли отопление дома за счет тепла и энергии земли: анализ и советы по обустройству

Геотермальное отопление является одним из самых перспективных из всего числа альтернативных источников получения энергии. В отличие от гелиосистем оно практически не зависит от времени года. Но выгодно ли отопление дома за счет тепла и энергии земли?

Геотермальное отопление дома

Схема геотермального отопления
Схема геотермального отопления

Сначала необходимо разобраться с принципами получения тепловой энергии. Они основаны на повышении температуры при заглублении вглубь земли. На первый взгляд повышение степени нагрева незначительно. Но благодаря появлению новых технологий, отопление дома за счет тепла земли стало реальностью.

Главным условием для организации геотермального отопления является температура не ниже 6°С. Это характерно для средних и глубоких слоев грунта и водоемов. Последние имеют большую зависимость от показателя внешней температуры, поэтому крайне редко используются. Как практически можно организовать отопление дома энергией земли?

Для этого необходимо сделать 3 контура, заполненных жидкостями с различными техническими характеристиками:

  • Наружный. Чаще в нем циркулирует антифриз. Его нагрев до температуры не ниже 6°С происходит за счет энергии земли;
  • Тепловой насос. Без него отопление за счет энергии земли невозможно. Теплоноситель из наружного контура с помощью теплообменника передает свою энергию хладагенту. Температура его испарения менее 6°С. После этого он поступает в компрессор, где после сжатия происходит повышение температуры до 70°С;
  • Внутренний контур. По аналогичной схеме выполняется передача тепла от сжатого хладагента воде в системе одоления. Таким образом происходит отопление из недр земли с минимальными затратами.

Несмотря на явные преимущества, встретить подобные системы можно редко. Это связано с большими затратами на приобретение оборудования и организации наружного контура забора тепла.

Лучше всего доверить расчет отопления от тепла земли профессионалам. От правильности вычислений будет зависеть эффективность работы всей системы.

Принцип работы теплового насоса

Конструкция теплового насоса
Конструкция теплового насоса

«Сердцем» геотермального отопления является тепловой насос. Он состоит из нескольких компонентов, работа которых напрямую влияет на показатель КПД всей системы. Поэтому прежде чем планировать отопление частного дома от земли – нужно выяснить основные характеристики этого узла.

Так как это устройство относится к разряду сложного оборудования – рекомендуется приобретать только заводские модели. Конструкция теплового насоса включает в себя следующие компоненты:

  • Испаритель. В этом блоке происходит передача энергии от внешнего контура;
  • Компрессор. Необходим для создания высокого давления в среде хладагента;
  • Капилляр. Он служит для уменьшения внутреннего давления в контуре хладагента;
  • Система управления. С ее помощью регулируется отопление частного дома от земли – температурный режим работы, скорость прохождения теплоносителей и т.д.

Основной проблемой при самостоятельном изготовлении теплового насоса является уменьшение тепловых потерь и нормализация работы внутреннего контура с хладагентом. Настройка заводских моделей происходит еще на стадии изготовления, а в конструкции предусмотрены возможности регулировки ее параметров.

Как правильно рассчитать параметры насоса, чтобы тепло земли для отопления дома обеспечило нормальную температуру? Для этого нужно узнать тепловую мощность насоса. Для приблизительного вычисления можно воспользоваться следующей формулой:

Q=(t1-t2)*V

Где t1-t2 – разница температуры на входной и обратной трубе, °С, V – расчетный объем расхода теплоносителя, м³/ч, Q – номинальная мощность теплового насоса, Вт.

Эта методика неприменима для сложных систем, так как в них присутствует множество дополнительных факторов. В частности – тепловые потери на магистрали. В особенности это касается тех зон, где она выходит максимально близко к поверхности грунта. Для минимизации тепловых потерь следует выполнить утепление труб отопления в земле.

Так как работа теплового насоса зависит от электроэнергии – рекомендуется установить блок аварийного питания.

Варианты обустройства геотермального отопления

Способы обустройства внешнего контура
Способы обустройства внешнего контура

Для того, чтобы энергия земли для отопления дома была использована максимально – нужно правильно выбрать схему внешнего контура. По сути, источником тепловой энергии может быть любая среда – подземная, водяная или воздушная. Но при этом важно учитывать сезонные изменения погодных условий, о чем говорилось выше.

В настоящее время распространены два вида систем, которые эффективно используются для отопления дома за счет тепла земли – горизонтальная и вертикальная. Ключевым фактором выбора является площадь земельного участка. От этого зависит схема расположения труб для отопления дома энергией земли.

Кроме него учитываются такие факторы:

  • Состав грунта. В скалистых и суглинке сложно делать вертикальные стволы для прокладки магистралей;
  • Уровень промерзания почвы. Он определит оптимальную глубину залегания труб;
  • Расположение подземных вод. Чем они выше – тем лучше для геотермального отопления. В таком случае температура с изменением глубины будет повышаться, что является оптимальным условием для отопления за счет энергии земли.

Также нужно знать и о возможности обратной передачи энергии в летний период. Тогда отопление частного дома от земли не будет функционировать, а избыток тепла будет переходить от дома в почву. По такому же принципу работают все холодильные системы. Но для этого необходимо установить дополнительное оборудование.

Нельзя планировать установку внешнего контура в отдалении от дома. Это увеличит тепловые потери в отоплении из недр земли.

Горизонтальная схема геотермального отопления

Горизонтальное расположение наружных труб
Горизонтальное расположение наружных труб

Самый распространенный способ установки наружных магистралей. Он удобен простотой монтажа и возможностью относительно быстрой замены неисправных участков трубопровода.

Для установки по этой схеме используется коллекторная система. Для этого делается несколько контуров, расположенных на минимальном удалении в 0,3 м друг от друга. Они соединяются с помощью коллектора, который подает теплоноситель далее в тепловой насос. Это обеспечит максимальное поступление энергии в отопление от тепла земли.

Но при этом нужно учитывать ряд важных нюансов:

  • Большая площадь приусадебного участка. Для дома около 150 м² она должна быть не менее 300 м²;
  • Трубы в обязательном порядке уславливаются на глубину ниже уровня промерзания почвы;
  • При возможном движении почвы во время весенних паводков увеличивается вероятность смещения магистралей.

Определяющим преимуществом отопления от тепла земли горизонтального типа является возможность самостоятельного обустройства. В большинстве случаев для этого не понадобится привлечение спецтехники.

Для максимальной передачи тепла нужно использовать трубы с высоким показателем теплопроводности — тонкостенные полимерные. Но при этом следует продумать способы утепления труб отопления в земле.

Вертикальная схема геотермального отопления

Вертикальная геотермальная система
Вертикальная геотермальная система

Это более трудоемкий способ организации отопления частного дома от земли. Трубопроводы располагаются вертикально, в специальных скважинах. Важно знать, что подобная схема намного эффективнее, чем вертикальная.

Ее основное преимущество заключается в увеличении степени нагрева воды во внешнем контуре. Т.е. чем глубже расположены трубы – тем больше количество тепла земли для отопления дома поступит в систему. Еще одним фактором является небольшая площадь земельного участка. В некоторых случаях выполняется обустройство наружного контура геотермального отопления еще до строительства дома в непосредственной близости от фундамента.

С какими трудностями можно столкнуться при получении энергии земли для отопления дома по этой схеме?

  • Количественное в качественное. Для вертикального расположения длина магистралей значительно выше. Она компенсируется большей температурой почвы. Для этого нужно делать скважины глубиной до 50 м., что является трудоемкой работой;
  • Состав почвы. Для скального грунта необходимо применить специальные буровые машины. В суглинке для предотвращения осыпания скважины монтируют защитную оболочку из ж/б или толстостенного пластика;
  • При возникновении неполадок или потере герметичности усложняется процесс ремонта. В этом случае возможны долговременные сбои в работе отопление дома за тепловой энергии земли.

Но невзирая на большие первичные затраты и трудоемкость монтажа, вертикальное расположение магистралей является оптимальным. Специалисты советуют применять именно такую схему установки.

Для циркуляции теплоносителя в наружном контуре в вертикальной системе нужны мощные циркуляционные насосы.

Организация геотермального отопления

Установка горизонтального контура геотермального отопления
Установка горизонтального контура геотермального отопления

У потребителей до сих пор остается главный вопрос – можно ли использовать отопление загородного дома энергией земли в качестве основного? Это возможно, но только при профессиональном подходе на всех этапах — начиная от расчета и заканчивая монтажом и проверкой системы.

Прежде всего необходимо правильно подобрать тепловой насос. Учитывая их высокую стоимость – следует сначала выполнить все предварительные расчеты его характеристик. Только в этом случае отопление за счет тепловой энергии земли будет иметь максимальный показатель КПД. Среди надежных производителей можно выделить компании Buderus, Vaillant и Veissman. Средняя стоимость теплового насоса для отопления из земляных недр составляет около 360 тыс. рублей при номинальной мощности 6 кВт. Более продуктивные модели могут обойтись свыше 1 млн. рублей.

Помимо стоимости нужно обратить внимание на материал изготовления труб. Для минимизации тепловых потерь в отоплении от тепловой энергии земли рекомендовано использовать следующие:

  • Сшитый полиэтилен. Отличается невысокой стоимостью – оптимален для горизонтальных схем;
  • Стальная нержавеющая труба. Используется в отоплении с помощью тепловой энергии земли с вертикальным расположением наружного контура. Выгодно отличается от сшитого полиэтилена высоким показателем теплопроводности и механической прочностью. Недостаток – большая стоимость.

Для оптимизации рекомендуется установка наружных и внутренних температурных датчиков, а также теплового аккумулятора. Это позволит минимизировать расходы для отопления частного дома энергии земли.

Учитывая все эти факторы пока в большинстве случаев устанавливают геотермальное отопление от энергии земли в качестве дополнительного. Со временем стоимость комплектующих и эффективность тепловых насосов повысится — и только тогда можно будет рассматривать подобные системы в качестве основных.

С примером установки геотермального отопления в частном доме можно ознакомиться, посмотрев видеоматериал: