Расчет геотермального отопления

Альтернативные источники энергии быстро восполняются и не зависят от рыночных цен на топливо, благодаря чему все больше становятся популярными. Сегодня разберем все преимущества и недостатки геотермального отопления, а также проведем расчет стоимости с учетом покупки и установки теплового насоса. Насколько эффективно устанавливать геотермальное отопление в России, как быстро окупится проект, чего стоит опасаться — читайте в новом выпуске блога Alter Teplo.

Принцип работы геотермального отопления

Система функционирует по принципу фреонового компрессора, работающего по циклу Карно. Аналогичным образом работают холодильные установки или системы кондиционирования — их основное отличие от геотермального отопления состоит только в масштабе самой системы. Конструкционно устройство системы геотермального отопления можно разложить на следующие агрегаты:

• Испаритель — радиатор-теплообменник, расположенный в закрытом резервуаре, закопанным в землю или помещенным в воду. Функция испарителя заключается в охлаждении хладагента за счет геотермальной энергии и преобразования рабочей жидкости в контуре в жидкое состояние после сжатия в компрессоре.
• Конденсатор — теплообменник, необходимый для передачи тепла горячего хладагента в рабочую среду контура отопления. В конденсатор хладагент поступает уже в газообразном состоянии под давлением после сжатия компрессором теплового насоса.
• Тепловой насос — устройство, состоящее из компрессора и насосов, необходимое для циркуляции воды и хладагента внутри системы. От холодного тела (вода, грунт или воздух) передать тепловую энергию возможно только при затратах работ на компенсационный процесс. В геотермальном отоплении для этого используется тепловой насос, расходующий электричество на работу циркуляционных насосов и компрессора.
• Буферный бак — необходим для передачи накопленной тепловой энергии к теплоносителю. Бак состоит из двух герметичных контуров, между которыми проходит теплообмен. Внутри бака установлен резервуар, в котором циркулирует вода из системы отопления дома, внутри резервуара находится змеевик, проводящий фреон. В зависимости от температуры рабочей жидкости, вода в резервуаре подогревается или охлаждается, затем направляется тепловым насосом к радиаторам в доме.

Все системы связаны магистралями, проводящими воду и хладагент в герметично закрытых контурах. Для нагрева или охлаждения помещения используется только геотермальная энергия, из сторонних источников требуется только электричество для работы компрессора теплового насоса. Для работы теплового насоса используется фреон или специальные составы антифризов, способных закипать при низкой температуре. При закипании от относительно небольшой геотермальной энергии хладагент сжимается компрессором и расширяется до газообразного состояния, что дополнительно увеличивает температуру рабочей жидкости. Разогретая жидкость проходит по змеевику в буферном баке, погруженного в резервуар с внешним контуром, который разогревает воду до 60–70 градусов. Далее горячая вода за счет циркуляционных насосов направляется к отопительным радиаторам, либо водопровод в доме. Передавший тепло хладагент поступает к испарителю, где преобразуется в жидкое состояние и направляется по новому циклу для аккумуляции геотермальной энергии. 

Вариации установки: как получить максимальный КПД?

Работа теплового насоса возможна уже на глубине непромерзающего слоя земли, однако для максимальной эффективности рекомендуется устанавливать систему как можно глубже. Для повышения КПД геотермального отопления необходимо либо увеличить площадь теплообменников, либо их глубину расположения. Это влияет на особенности установки системы — различают 2 способа монтажа геотермального отопления: вертикальное или горизонтальное размещение.

Вертикальная установка

Данный вид монтажа используется при ограниченной площади участка, на котором можно проводить земельные работы. Вертикальная установка контура считается более эффективной, однако обходится дороже ввиду сложности монтажных работ. Для систем с вертикальной установкой контура обычно используются водопроводные скважины или погружные зонды.

• Монтаж в глубинной скважине — здесь используется забор тепла от грунтовых или подземных вод, что увеличивает эффективность системы отопления и простоту установки. Для работы системы требуется минимум 2 скважины, из которых одна будет производить забор жидкости для охлаждения хладагента в теплообменнике, вторая — сбрасывать воду. Кроме того, потребуется установка дополнительного теплообменника, предупреждающего замораживание воды в зимнее время, и приобретение глубинных циркуляционных насосов.
• Установка погружного зонда — проводится бурение двух или более скважин для установки внешних контуров отопления. Так в одну скважину устанавливается зонд с конденсатором, во вторую — с испарителем. Для эффективной работы отопления требуется бурение скважины на глубину от 40 до 80 м.

Преимущества: Расчет эффективности при установке теплоносителей в погружные зонды в среднем показывает 50–55 Вт тепла, что вдвое больше показателя, получаемого при горизонтальной установке труб. В глубинных скважинах расчетная мощность может достигать 90–100 Вт. Также к преимуществам вертикального размещения теплообменника требуется отнести простоту монтажа и возможность быстрой установки системы на уже эксплуатируемых объектах. Недостатки: высокий расход электроэнергии, вызванный работой глубинных насосов, увеличенная стоимость рабочего оборудования — теплового насоса, зондов и т. д.

Горизонтальная установка

При горизонтальной установке контура геотермального отопления важно учесть глубину промерзания почвы. Для средней климатической полосы России глубина, как правило, составляет в районе 1 м, для северных регионов страны — до 2–2.5 м. В европейской части РФ в большинстве случаев установка горизонтального контура возможна уже глубине 60 см. Для получения максимального КПД контур закапывается в подготовленные траншеи на 1.2–1.5 м — температура на такой глубине не опускается ниже -1 градуса даже при длительных заморозках. Это позволяет получить перепад температуры в 4–6 градусов, чего достаточно для конденсации разогретого хладагента и преобразования геотермального тепла. При расчете мощности отопления с горизонтальной установкой контура общая площадь проекта рассчитывается исходя из условий получения 20–25 Вт тепла с 1 м трубы теплообменника. На практике для отопления помещения площадью 250–350 м2 до температуры +25 градусов в зимнее время достаточно будет системы с общей длиной труб в 500 м, закопанных в траншее глубиной 1–1.2 м. При установке геотермального отопления с горизонтальной укладкой контура площади участка может не хватить для получения необходимого объема тепла. В таком случае используется система с многоуровневой прокладкой труб, размещаемых на высоте от 60 до 100 см друг от друга. Если при установке внешнего контура мешает коллектор со сточной системой, дренажные каналы можно переместить на 40–60 см вниз при рытье траншеи. Преимущества: простота установки и обслуживания, низкая себестоимость монтажных работ в случае установки отопления на этапе строительства здания. Недостатки: требуется большая свободная площадь и объем земельных работ, может потребоваться перенос инженерных коммуникаций и переформировка ландшафта.

Энергоэффективность тепловых насосов

Перед расчетом мощности важно выбрать подходящее место установки системы. Скважина с тепловым насосом должна находиться на расстоянии не менее 2.5 м от стен дома, а максимально допустимая глубина бурения — не более 200 м. При этом эффективная работа геотермального отопления возможна как при прямолинейном вертикальном, так и наклонно-кластерным бурением скважины. При горизонтальном способе размещения теплообменников система может находиться даже под самим зданием на глубине 2–2.5, что позволяет не задействовать прилегающий участок и разместить коллектор в подвале дома. Чем глубже находится рабочий контур, тем большую разницу температур можно достичь при прогоне хладагента между конденсатором и испарителем — это увеличивает эффективность системы. Для получения геотермальной энергии может быть использованы:

• Грунт — температура почвы на глубине от 3 м постоянна и достигает примерно +7 градусов. При увеличении глубины и уровня влажности почвы показатель может быть увеличен до 70–90 Вт тепла с 1 м теплообменника.
• Подземные воды — установка геотермального отопления в толще грунтовых вод позволяет получить до 30–50 Вт тепла, в подземных водных горизонтах — до 100 Вт.

Подобные показатели позволяют увеличить эффективность теплового насоса в 3.5 раза в сравнении с использованием электрического котла. Геотермальный тепловой насос стабильно выдает 4–5 кВт/ч тепла при расходе электроэнергии в 1 кВт/ч. 

Как рассчитать мощность теплового насоса?

После выбора предпочтительного способа установки, также требуется рассчитать мощность теплонасоса. Мощность рассчитывается индивидуально под каждый проект и зависит от величины теплопотерь здания.

Расчет насоса с горизонтальным контуром

Проект геотермального отопления с установкой теплообменника с горизонтальным контуром редко размещается на глубине более 5 метров ввиду большого объема земляных работ. На данной глубине средняя мощность, которую можно получить с 1 метра трубы теплообменника, составляет 20 Вт. Точные показатели зависят от глубины траншеи и уровня промерзания груза, а также влажности почвы. Так на глубине 3 м температура грунта составляет +7 градусов по Цельсию. Если грунт влажный и рядом находится подземный горизонт с водой, теплоотдача увеличивается до 30–35 Вт.  Для максимально эффективной аккумуляции геотермальной энергии размещать патрубки теплообменника рекомендуется на расстоянии 70–80 см друг от друга. В длину трубы теплообменника обычно достигают 30–100 м, при ограниченном пространстве допускается прокладка второго ряда на глубине не менее 60 см от верхнего контура. Для внешнего контура рекомендуется использовать 25-процентный раствор гликоля, обладающий большей энергоэффективностью, чем вода. При расчете теплоемкость гликолевого раствора указывается в 3,7 кДж / (кг*К) при температуре 0 градусов, плотность состава 1.05 г/см3.

Расчет погружного зонда

Для проекта с вертикальным размещением контура с теплообменником пробуривают скважины глубиной от 20 до 120 м. Для корректной работы теплового насоса требуется бурение минимум 2 скважин, в каждую из которых погружаются 2 U-образные трубы, затем остаточный объем заливается цементным раствором. Минимально допустимое расстояние между скважинами составляет 5 м. Расчетная мощность при глубинном размещении теплообменника составляет в среднем 50 Вт и может доходить до 90 Вт в зависимости от типа и влажности почвы, а также расположения подземных вод.

Рассчитываем мощность на живом примере

Рассмотрим расчет мощности на живом примере. Возьмем неутепленный загородный дом в Подмосковье с площадью помещения 100 м2 и высотой потолков в 2.5 м. Минимальная температура на улице в таком случае составляет от -30, требуемый показатель в помещении — +25 градусов. Для расчетов используется формула Q=k*V*∆T, в которой:

• Q — расчетная мощность; количество теплоты, которое требуется для нагрева помещения с учетом потерь на работу оборудования. Показатель измеряется в ккал/час, и составляет 860 ккал/ч на каждый кВт/ч затраченной энергии.
• K — совокупный коэффициент теплопередачи помещения. Для классического здания с кирпичными стенами коэффициент будет равен 1, для утепленного помещения — 0.6.
• V — объем всех помещений, в котором прокладывается отопление. Для вычисления объема достаточно умножить площадь помещения на высоту потолков.
• Дельта T — разница между внутренней и наружной температурой в самое холодный период. Для Москвы показатель составляет -30 градусов, для Санкт-Петербурга — -26.

Формула расчета выглядит следующим образом: Q= 1 * (100*2.5) * (25- (-30)) = 13750 ккал/ч, требуемых для отопления помещения. Преобразов полученную сумму в кВт/ч, мы получим — 13750 / 860 = 15 988 кВт/ч. Таким образом для отопления неутепленного дома в Подмосковье требуется выбирать тепловой насос мощностью от 16 кВт/ч. Внимание! Если от геотермального источника также предполагается проведение водопровода с горячей водой, мощность теплового насоса рекомендуется увеличить на 15–20 %. Отдельно требуется рассчитать устройство внутреннего контура, отапливаемого помещения. Как правило, при разработке проекта используется система парового отопления или теплый пол, последний вариант отличается большей эффективностью. 

Как выбрать тепловой насос?

Рассчитав мощность теплового насоса, остается выбрать его характеристики, от которых зависит его функциональность и цена. Среди основных критериев стоит обратить внимание на:

• Формат электропитания — система может питаться от одно- или трехфазной сети, или быть комбинированного типа. Для моделей мощностью от 3.5 кВт/ч рекомендуется подключение к трехфазной сети.
• Тип компрессора — большинство систем оснащаются инверторным компрессором, выдающим низкий уровень шума и характеризующимся малым энергопотреблением. Компрессоры спирального типа имеют больший срок эксплуатации, однако стоят больше, винтовые — высокий КПД, однако сильно шумят.
• Режим работы — ТН могут работать в автоматическом или ручном режиме. Дополнительно ценится наличие энергосберегающего режима и защиты от замерзания.
• Температуры нагрева воды — в среднем температура нагрева ТН составляет 55–80 градусов. Модель с нагревом воды до 55 градусов обеспечивает температуру ГВС в 45–48 градусов, чего уже достаточно для бытовых нужд. В бивалентных котлах температуру ГВС можно увеличить за счет работы ТЭНов или теплогенератора.
• Производимый уровень шума — тепловые машины воспроизводят от 39 до 62 дБ шума. Слишком шумные системы могут мешать в жилом секторе, оптимальное размещение — 5–6 м от ближайшего здания, в том числе от дома соседей.
• Тип используемого хладагента — тепловые насосы обычно работают с фреоном R134A, R407C или R410A, реже используется марка R22. Основное отличие — цена и влияние на экологию.

Кроме того, нужно разобраться с комплектацией и дополнительными опциями. Наиболее востребованной доп. опцией считается водонагреватель с отдельным контуром, что позволяет организовать горячее водоснабжение. Для регионов с холодным климатом к тепловому насосу может дополнительно может устанавливаться ТЭН, увеличивающий тепловую емкость системы при сильных заморозках.   Особняком стоят модели с удаленным управлением. Работу современных тепловых насосов может регулировать через приложение по Wi-Fi, либо подключившись к системе «умный дом».

Стоимость установки и монтажа: во сколько обходится энергия земли?

После запуска геотермального отопления около 70–80% тепла получаются из восполняемых источников энергии, остальное — требуют расходы на электроэнергию. Однако на этапе разработке проекта необходимо правильно рассчитать стоимость оборудования и его установки.

Стоимость теплового насоса

Покупка теплового насоса, как правило, составляет наибольшую сумму среди расходов в бюджете. На российском рынке представлена продукция 4 брендов:

• Henk — отечественная компания, выпускающая более 80 моделей тепловых насосов. Цена насоса составляет 250 000 рублей и выше.
• AlterTeplo — производится из импортных комплектующих. Стоимость начинается от 150 000 рублей. 
• NIBE — шведский производитель. В среднем стоимость геотермального теплового насоса от NIBE составляет 500 000 рублей. 
• Waterkotte — производитель из Германии, реализующий системы в сборе сразу с блоком для ГВС. Стоимость подобного комплекта начинается от 700 000 рублей.

При выборе производителя ориентируйтесь на срок гарантии, а также соотношение мощности и стоимости. Стоимость теплового насоса напрямую сказывается на времени окупаемости геотермального отопления — обязательно рассчитывайте рентабельность установки каждой модели согласно плану проекта.

Комплектующие и периферия

Помимо теплового насоса требуется приобретение труб и магистралей, а также рабочей жидкости. Среди основных затрат на сопутствующие комплектующие требуется выделить:

• Трубы — для внешнего контура обычно используются полипропиленовые трубы диаметром 42 или 40 мм. Средняя цена 1 метра трубы составляет 35 рублей, суммарно для трубы потребуется в районе 10–25 000 рублей.
• Теплый пол — трубы из сшивного полиэтилена для теплого пола диаметром 16 мм стоят от 45 рубля за метр. В среднем на всю площадь дома потребуется от 4 500 до 15 000 рублей.
• Антифриз или тосол, а также фреон — литр рабочей жидкости стоит 100–200 рублей за литр, объем жидкости рассчитывается исходя из пропорции 10–20 л на 1 кВт мощности теплового насоса. Цена на фреон — от 250 рублей за литр.

Дополнительно также потребуется приобрести фитинги и уплотнительные элементы, теплоизоляторы, краны, проложить проводку и т. д. В среднем на периферию требуется заложить в бюджет 30–50 000 рублей.

Установка и подключение

Наибольшую часть монтажных работ занимает разработка и бурение грунта, особенно при горизонтальном методе установки рабочего контура. В среднем стоимость подключения геотермального отопления к частному дому площадью 100 м2 под ключ составляет 400–500 000 рублей. Сэкономить можно, если провести земельные работы самостоятельно, либо заказать услугу установки под ключ у специалистов.  После запуска системы собственнику остается только оплачивать счет за потребляемую электроэнергию, а также заложить в расходы сумму на амортизацию рабочего оборудования.  Отдельно также важно позаботиться о системе в случае отключения электроэнергии — например, приобрести генератор с автозапуском. При выборе устройства требуется рассчитать мощность — генератор должен выдержать сумму пусковых токов компрессора и циркуляционных насосов. После перезапуска системы освободится около 35–45% мощности генератора, чего будет достаточно для электропитания других бытовых потребителей. 

Как сэкономить и чего опасаться? 

При разработке проекта не рекомендуется экономить на оборудовании — это негативно отразится либо на эффективности отопления, либо его сроке эксплуатации. Подбирайте тепловой насос с запасом по мощности, которой будет достаточно для стабильного обогрева помещения и нагрева технической воды. Единственный способ снизить стоимость оборудования — приобрести тепловой насос отечественного производителя. Сэкономить до 20–25% от общего бюджета можно при правильной организации земляных работ. Для этого проанализируйте оба варианта установки внешнего контура и теплообменников, оцените плотность и влажность грунта, рассчитайте предполагаемую глубину и площадь разработки. Чтобы сэкономить:

• Подберите место под установку контура как можно ближе к зданию, но не менее 2.5 м, где нет инженерных коммуникаций. В противном случае дополнительно придется переносить или углублять трубопроводы.
• Расчистите место под рытье котлована или скважины от деревьев и кустарников, снимете с грунта твердое покрытие — плитку, слой бетона или асфальта, т. д. В городе или пригороде для разработки грунта лучше сразу вызвать спецтехнику: это выйдет дешевле, чем поэтапное рытье ручным инструментом.
• Обязательно рассчитайте правильный диаметр труб под мощность теплового насоса и используйте теплоизоляцию. Снизить стоимость затрат на комплектующие и периферию можно при закупке всех позиций оптом.
• Для получения максимального КПД не рекомендуется устанавливать контуры с горизонтальным размещением теплообменника под зданием. Это не позволит почве дополнительно прогреваться за счет солнечной радиации.

Не экономьте на этапе разработке проекта и качестве материалов. В долгосрочной перспективе геотермальное отопление окупит все расходы на установку и окажется выгоднее классических систем отопления.