Использование тепла земли для обогрева дома

Описание и виды

Геотермальные тепловые насосы - оборудование, которое позволяет преобразовывать низкопотенциальную энергию внешних источников - грунта, воды или воздуха - для получения тепла для отопления дома.  По источнику низкотемпературной энергии и типу теплоносителя, получающего ее, теплонасосы делятся на несколько видов (систем):

• «грунт-вода»;
• «вода-вода»;
• «воздух-вода»;
• «воздух-воздух».

Использовать тепло земли для обогрева загородного дома позволяют установки первого вида - «грунт-вода».

Элементы системы отопления с использованием тепла земли

Для обогрева загородного дома с помощью геотермального теплонасоса нужно поглотить низкопотенциальное тепло грунта, а после преобразовывать его для обогрева домашней системы отопления, а также горячего водоснабжения.  Для этого задействуется три элемента системы:

• внешний контур, теплоноситель которого поглощает тепло земли и подает его к блоку теплонасоса;
• тепловой насос с замкнутым контуром, по которому циркулирует хладагент с низкой температурой кипения;
• домашняя система отопления, отбирающая тепло хладагента.

В случае с использованием тепла земли, теплонасосы будут отличаться только конструкцией и способом монтажа внешнего теплообменного контура. 

Способы размещения внешнего теплообменника геотермального теплонасоса

Для стабильного получения достаточной тепловой энергии теплообменный контур должен быть помещен в грунт на глубину ниже уровня естественного промерзания. Для разных регионов (из-за климатических особенностей) и земельных участков (из-за состава грунта) эта глубина будет разной. Например, в Москве глубина установки будет 2-3 метра, а в Сочи - 1,5-2 метра.  Вариантов организации и размещения внешних теплообменников несколько:

• горизонтальный коллектор;
• вертикальный зонд;
• спиральный коллектор.

Горизонтальные теплообменники

Горизонтальный вариант размещения теплообменного контура подразумевает прокладывание сети труб под землей на глубине ниже уровня ее промерзания. Для прокладки труб понадобятся траншеи или открытые котлованы.  Для создания коллекторов могут использоваться разные трубы:

• металлопластиковые;
• медные с внешним слоем из ПВХ.

В зависимости от региона и состава грунта, на 1 метр горизонтального теплообменника приходится до 50-70 Вт поглощаемой тепловой энергии. Эти значения можно учитывать при грубом предварительном расчете прокладываемых коммуникаций.  Коллектор может укладываться кольцами или извилисто (змейкой). При этом, дно котлована или траншей очищается от камней и неровностей. После укладки и проверки системы на герметичность теплообменный контур закапывается, а его “подача” и “обратка” подключаются к теплонасосу. Главное преимущество этого способа размещения - относительная простота земельных работ - при желании выкопать котлован можно своими руками. Основной недостаток - участок, под которым расположен горизонтальный теплообменник нельзя застраивать или засаживать.

Вертикальные теплообменники

Один из вариантов установки внешнего теплообменного контура - размещение в скважинах, глубина которых, как правило, - от 50 до 200 метров. В некоторых случаях можно использовать не одну, а несколько скважин - это упрощает глубинные буровые работы. Этот вариант размещения применяется, когда площади свободного участка не достаточно для прокладывания горизонтального теплообменника.  Для создания вертикального зонда также используются пластиковые трубы. Их диаметр будет зависеть от параметров теплонасоса, а длина - от нужной мощности отопления.  Явный плюс этого способа размещения внешнего теплообменника - компактность. Скважины, а также установленные в них трубы не займут много места.  Основной недостаток - высокая цена на буровые работы.  

Спиральные теплообменники

Спиральные теплообменные коллекторы - это вариант комбинации вертикальных зондов и горизонтальных коллекторов.  Чаще всего они используются, когда нет возможности использовать первые два варианта - из-за отсутствия достаточного пространства или сложности выполнения глубоких скважин. Спиральные теплообменники делают из пластиковых труб небольшого диаметра (не больше 30 мм). При этом, 1 метр спирали с шагом до 200 мм может поглотить до 100 Вт низкопотенциальной энергии. Уменьшать шаг витков нежелательно, так как снижается эффективность системы. Исходя из этого, рассчитывается нужное количество спиралей, а также их общая длина.  Как и в других случаях, теплообменный контур обязательно размещается на глубине ниже промерзания. При этом, максимальная глубина скважины определяется только допустимыми значениями. 

Определение лучшего варианта

Перед тем, как организовывать систему отопления с использованием тепла земли, нужно оценить, какой из вариантов установки теплообменника рационально использовать.  Так:

• если на участке достаточно свободной земли и не предполагается ее застройка, лучше выбрать горизонтальный вариант размещения теплообменника;
• если место на участке ограничено, но состав грунта позволяет, можно монтировать теплообменный контур в виде вертикального зонда;
• если нет места и буровые работы затруднены (например, из-за залегания разных плит), можно использовать вариант спирального коллектора. 

Процесс преобразования энергии

Для использования энергии грунта в качестве источника для отопления дома надо преобразовать его низкопотенциальное тепло (температурой ниже 10 градусов) для нагрева теплоносителя системы отопления до температуры 50-60 градусов.  Преобразование происходит в несколько этапов.

1. Циркулирующий по грунтовому теплообменнику теплоноситель поглощает тепло земли и передает его хладагенту, циркулирующему по второму контуру (в корпусе теплонасоса).
2. Применяемый хладагент имеет низкую температуру кипения. Получая тепло от рабочей жидкости первого контура, он закипает и переходит из жидкого состояния в газообразное.
3. Затем газ-хладагент поступает в компрессор, где происходит его сжатие. При сжатии температура газа многократно увеличивается.
4. Разогретый газ-хладагент под высоким давлением подается в конденсатор. Здесь хладагент отдает тепло теплоносителю, циркулирующему по системе домашнего отопления (по третьему контуру).
5. Передавая тепловую энергию, хладагент остывает и возвращается в жидкое состояние.
6. После этого дроссельный клапан сбрасывает избыточное давление и хладагент снова поступает в камеру-испаритель, где получает тепло от первого контура.

Работа такой системы не зависит от внешних факторов, поэтому теплонасосы могут с одинаковой эффективностью функционировать не один десяток лет. 

Потенциал производительности отопления с использованием тепла земли

Эффективности тепловых насосов определяется соотношением затраченного на его работу электричества к количеству полученной тепловой энергии. Называется этот параметр СОР.  Так как теплонасосы не вырабатывают тепло, а только поглощают его и преобразовывают, показатель СОР (КПД) в грунтовых теплонасосов практически всегда находится в пределах от 4 до 5 единиц. То есть, установки могут вырабатывают в 5 раз больше энергии (тепла), чем потребляют электричества.  При этом, никакие фундаментальные законы физики не нарушаются. 

Расчет мощности

Для того, чтобы определить нужную мощность теплонасоса для эффективного отопления с помощью тепла земли, надо учитывать несколько параметров. Это:

• Реальные теплопотери жилья. Они зависят типа постройки, примененных строительных материалов и архитектурных особенностей. Подробно рассчитываются специалистами.
• Удаленность внешнего теплообменника. Чем он дальше, тем больше запас мощности нужен.
• Климатические условия региона и глубина размещения теплообменника. От этого зависит объем поглощаемого тепла на каждый метр теплообменника, то есть его нужная длина.

Рекомендации по применению тепла земли для отопления дома

Есть несколько основных советов и правил на которые стоит обращать при использовании геотермальных теплонасосов.

1. При использовании тепловых насосов в качестве основных отопительных приборов лучше использовать системы теплый пол и теплые стены - для эффективной работы им хватит даже температуры теплоносителя на уровне 35-40 градусов.
2. Обслуживать внешний теплообменник геотермальных теплонасосов проблематично или невозможно вовсе. Поэтому, не стоит экономить на комплектующих и делать работу наспех. Если нет нужных навыков - лучше попросить помощи специалистов.
3. Чтобы снизить путевые теплопотери внешний теплообменник надо размещать максимально близко к основному блоку теплонасоса. 
4. Чтобы отопление работало бесперебойно при любых обстоятельствах, надо иметь аварийный (дополнительный) источник питания - генератор или его аналог.
5. Перед запуском системы важно проверить целостность электропроводки  и ее параметры - она должна выдерживать непрерывные большие нагрузки. 
6. Чтобы отопление было эффективным, а результат сохранялся надолго, важно снизить теплопотери. Для этого нужно утеплить дом.
7. В домашней отопительной системе нужно использовать химводоподготовленный теплоноситель. Это поможет увеличить теплоотдачу и снизить естественный износ, в том числе загрязнение, домашнего контура.

Преимущества и недостатки использования тепла земли для отопления жилья

Как и у других способов отопления, у геотермальных теплонасосов «грунт-вода» есть свои преимущества и недостатки. 

Преимущества

1. На глубине в несколько метров температура земли практически не меняется как летом, так и зимой. Это обеспечивает постоянство работы системы и независимость от текущих погодных условий.
2. Низкопотенциальное тепло можно получить из любого грунта, поэтому геотермальные теплонасосы могут использоваться почти везде.
3. Тепло земли - возобновляемый и практически неограниченный ресурс. Поэтому, установка сможет сохранять одинаковую эффективность на всем сроке службы.
4. Поглощая тепло из земли, геотермальный теплонасос не нуждается в топливе. Это делает его использование экономичным, экологичным и безопасным (нет открытого огня, копоти и вредных выделений).
5. Многие модели грунтовых теплонасосов демисезонные - могут работать зимой на отопление, а летом на охлаждение дома. Для этого не нужна сложная перенастройка или изменение теплообменного контура. При этом, реальный функционал зависит от возможностей конкретной модели.
6. В современных теплонасосах используется надежная, многозадачная автоматика. Она позволяет автоматизировать отопление и избавить владельца от необходимости постоянного контроля.
7. Тепловые насосы не нуждаются в обслуживании. Владелец может спокойно оставить работающий агрегат, отправляясь в поездки. 
8. Использование тепловых насосов не регламентировано. То есть, для из монтажа и применения на своем участке не надо получать разрешения или согласования специальных органов. 

Недостатки

1. Сложность земельных работ. Для размещения горизонтального теплообменника-коллектора надо будет выкопать большой, глубокий котлован (или траншеи). Для вертикального и спирального зонта нужны скважины. Это сложная, дорогая работа, которую нельзя сделать вручную.
2. Высокая цена тепловых насосов. Часто установки дороже газовых, а также твердотопливных котлов. Это обусловлено многими факторами, в том числе гарантией долговечности оборудования.
3. Большой срок окупаемости. Геотермальные тепловые насосы не окупаются за год или два, как в случае с газовым или твердотопливным оборудованием. Но срок окупаемости в 5-7 лет (в зависимости от цены установки, стоимости монтажа и площади частного дома) вполне сопоставим со сроком службы теплонасосов - до 50 лет и больше. 

Заключение

Использование тепла земли - это отличный способ эффективного применения бесплатного, экологичного и возобновляемого источника энергии для отопления жилья.  

Большое количество преимуществ, характерных для этого способа обогрева, обеспечивают значительный потенциал потенциал и рентабельность использования даже в газифицированных регионах.