Отопление за счет тепла земли своими руками

Варианты расположения теплообменников

Различается геотермальное отопление за счет тепла земли по расположению оборудования. Теплообменник может устанавливаться вертикально и горизонтально. При горизонтальном монтаже выкладка осуществляется в котлован или на дно водоема, укладка в форме змеевика. Вертикальный монтаж теплообменников – это установка оборудования в шахтах или скважинах.

Рассмотрим подробнее оба варианта:

1. Вертикальное размещение требует заглубления на 50-100 метров, где круглогодичная температура грунта не бывает ниже +10 С. Для установки теплообменника пробуриваются скважины, где формируется внешний контур системы. Глубина шурфа может достигать 200 м, параметры скважины будут зависеть от индивидуальных геологических показателей местности. Срок службы системы от 100 лет. Если вертикальное размещение предполагает отбор тепла у воды, то бурятся 2 водоносные скважины, из дебитовой забирается жидкость, которая после отработки в системе отопления сливается во вторую, приемную скважину.
2. При горизонтальном размещении коллектора будет много земляных работ, причем сначала требуется выяснить точку промерзания грунта. Трубопроводы выкладываются ниже точки промерзания, для чего выкапываются траншеи. Площадь обработки грунта для формирования системы велика, например, для дома в 250 м2 нужно задействовать примерно 600 м2 теплообменника, то есть 6 соток.

Принцип работы такого отопления

Если вы знакомы с тем, как работает кондиционер или холодильник, то схожесть этих процессов с принципом функционирования геотермального отопления очевидна. Основу системы составляет тепловой насос, который включается в два контура – внешний и внутренний.

Чтобы организовать традиционную систему отопления в любом доме, необходимо смонтировать в нем трубы для транспортировки теплоносителя, и радиаторы, при нагревании которых тепло будет поступать в помещения. В нашем случае трубы и радиаторы тоже нужны. Они и образуют внутренний контур системы. В схему могут быть добавлены теплые полы.

Внешний контур выглядит гораздо масштабнее внутреннего, хотя его размеры можно оценить только в период планировки и монтажа. В процессе эксплуатации он невиден, поскольку находится под землей или под водой. Внутри этого контура циркулирует обычная вода или антифриз на основе этиленгликоля, что гораздо предпочтительнее.

В состав геотермальной системы отопления входят два контура – внутренний и внешний, а так же сердце отопительной системы – тепловой насос, который, сжимая теплоноситель, повышает его температуру (+)

Теплоноситель во внешнем контуре прогревается до состояния среды, в которую он погружен, и отправляется в «подогретом» виде в тепловой насос. Через него сконцентрированное тепло сообщается внутреннему контуру, в результате чего вода в трубах, радиаторах и теплых полах нагревается.

Таким образом, ключевым элементом, оживляющим всю систему, является тепловой насос. Если в вашем доме есть обыкновенная стиральная машинка, то знайте: этот насос займет приблизительно аналогичную площадь.

Для работы ему нужна электроэнергия, но, потребляя всего 1 кВт, он обеспечивает выработку 4-5 кВт тепла. И это не чудо, поскольку источник «добавочной» энергии известен – это окружающая среда.

Затраты и перспективы окупаемости

Расходы на оборудование и его монтаж в процессе сооружения геотермального отопления зависят от мощности агрегата и от производителя.

Производителя каждый выбирает, руководствуясь собственными соображениями и сведениями о репутации и надежности того или иного бренда. А вот мощность зависит от площади помещения, которое предстоит обслуживать.

В этом рисунке кратко отражена вся суть выгоды, получаемой от применения геотермальной отопительной системы. Именно такое соотношение входящей и исходящей энергии позволяет система сначала быстро окупиться, а потом и экономить средства своего владельца (+)

Если брать в расчет именно мощность, то стоимость тепловых насосов колеблется в следующих диапазонах:

• на 4-5 кВт – 3000-7000 условных единиц;
• на 5-10 кВт – 4000-8000 условных единиц;
• на 10-15 кВт – 5000-10000 условных единиц.

Если к этой сумме мы прибавим затраты, которые нужны на выполнение монтажных работ (20-40%), то мы получим сумму, которая для многих покажется абсолютно нереальной.

Но все эти затраты окупятся за вполне приемлемые сроки. В дальнейшем же вам придется оплачивать лишь незначительные расходы на электричество, необходимое для работы насоса. И это всё!

Из-за недостаточной для обогрева жилых строений эффективности геотермальных систем их используют в качестве дополнения к основным отопительным сетям или сооружают комплексно с двумя и более теплообменниками

Как показывает практика, геотермальное отопление особенно выгодно для домов, общая отапливаемая площадь которых составляет 150 кв. м. За пять-восемь лет все затраты на обустройство систем отопления в этих домах полностью окупаются.

Если геотермальное отопление не особо востребовано среди собственников частных домов, то эффективность гелеосистем уже оценили жители южных регионов. Технология сооружения солнечного отопления достаточна проста, а ее экономичность и практичность подтверждена многолетним опытом использования западными странами и нашими соотечественниками.

Дополнительная информация об альтернативных источниках энергии представлена в этой статье.

Виды геотермального теплоснабжения дома

Схема геотермального отопления

Перед тем как делать геотермальное отопление загородного дома своими руками следует провести ряд предварительных мероприятий. Прежде всего — найти оптимальный способ расположения труб первичного контура.

Главным условием при этом является температура среды, где будут расположены магистрали. Она не должна быть ниже +7°С. На практике для этого выполняют монтаж трубопроводов в грунт. В некоторых случаях в качестве основной среды может выступать водоем или река. Однако отзывы о геотермальном отоплении дома такого типа зачастую говорят о низкой эффективности в зимний период.

Для правильной организации альтернативного теплоснабжения необходимо выполнить следующие действия:

Рассчитать оптимальную мощность. Если геотермальное отопление частного дома будет в качестве основного – его номинальная мощность должна обеспечить нагрев воздуха во всем здании.

Провести анализ состава грунта и глубину его промерзания. От этого зависит выбор схемы расположения труб первичного контура.

Определить месторасположение теплового насоса. Для минимизации тепловых потерь геотермальные системы отопления своими руками обустраиваются в отдельном помещении – подвале или хозяйственной постройке

Важно, чтобы температура в нем была не ниже +14°С. Несоблюдение этих простых правил может привести к неправильной работе системы

Несоблюдение этих простых правил может привести к неправильной работе системы

Нередко отзывы владельцев геотермального отопления указывают на важность первичного анализа и подбор правильного оборудования

Для обеспечения бесперебойной работы системы необходима установка автономного источника электропитания – генератора.

С горизонтальным размещением

Наименее трудоемкий способ установки труб первичного контура является горизонтальным. Они располагаются на глубине от 0,5 до 3 м. Для уменьшения площади магистрали располагаются витками. Но при этом расстояние до каждой должно быть не менее 20 см.

До того как сделать геотермальное отопление — проводится первичный анализ состояния грунта. Сначала определяется его теплоотдача. Она может составлять от 20 до Вт/м². Исходя из этого рассчитывается общая протяженность первичного контура.

Кроме этого следует выполнить такие действия:

• Проверка уровня промерзания почвы. Глубина залегания труб должна быть ниже этого показателя;
• Грунтовые воды. Для их естественного удаления в период больших паводков на дно котлована засыпается песчаный слой;
• Выбор материала изготовления трубопроводов. Он должен быть достаточного гибок и механически надежен. Для геотермального отопления в Европе чаще всего используют трубы из сшитого полиэтилена.

Если важным является вопрос, сколько стоит геотермальная система отопления – то горизонтальное расположение поможет существенно снизить текущие затраты на монтаж системы. При установке нескольких первичных контуров необходим монтаж входного и выходного коллекторов.

С вертикальными трубопроводами

Вертикальная схема работы

Учитывая основные принципы работы геотермального отопления дома во время проектирования необходимо добиться максимального нагрева теплоносителя от земли. Это можно сделать только при установке вертикальных магистралей.

Для организации геотермального отопления загородного дома своими руками вертикального типа необходимо сделать скважины, глубиной от 30 до 100 м. В них помещаются трубопроводы первичного контура.

Такая схема более трудоемка, чем вертикальная, но имеет ряд преимуществ:

• Большая глубина залегания магистралей. В этом случае теплоотдача окружающей среды повышается на 25-30% — до 70 Вт/м²;
• Небольшая площадь для монтажа;
• Практически отсутствует зависимость от промерзания грунта.

Кроме этого способа нередко применяют основные принципы работы геотермального отопления для горячего водоснабжения в летний период. Для этого первичный контур помещают в воду — озеро или реку.

Перед бурением скважин необходимо сделать анализ почвы и определить оптимальную глубину. Состав почвы напрямую скажется на трудоемкости процесса.

Геотермальное отопление из-под недр земли: что это такое, принцип работы

Геотермальное отопление работает как холодильник, только для нагрева. На поверхности земли устанавливается тепловой насос, из которого опускают теплообменник в шахту.

Через устройство наверх поступает грунтовая вода, по пути нагреваясь. Прогретая жидкость используется для обогрева помещений.

Расход энергии на нагрев воды меньше, чем получаемая теплоотдача.

Принцип работы

Коллектор поставляет теплую воду в испаритель. Хладагент, нагреваясь, испаряется. Пар прогревается компрессором за счет электричества. Конденсатор охлаждает пар, вызывая выброс теплой энергии и возвращение хладагента в начальное жидкое состояние.

Для прогрева воды требуется электроэнергия. Каждый затраченный кВт приносит, в среднем, 5 полезных кВт энергии.

Список оборудования

Для создания геотермальной установки требуются 4 устройства:

• коллектор;
• испаритель с хладагентом;
• компрессор;
• конденсатор.

Среди перечисленных компонентов два требуют подключения электричества: компрессор и конденсатор.

Достоинства

Геотермальное отопление имеет преимущества над прочими типами обогрева:

• Полученная энергия применяется для любых целей.
• Длительность подачи топлива к конкретному участку не ограничена.
• Его использование экологически безопасно.
• Установка не требует частого обслуживания.
• Система окупается с течением времени.
• Геотермальная установка занимает немного места: не больше, чем холодильник.
• При необходимости система легко перенастраивается.
• Совместимо с другими типами отопления.

Недостатки

Хотя геотермальное отопление имеет много преимуществ, у него есть и недостатки:

• Дорогостоящая система и монтаж.
• Окупается примерно через 10 лет.
• Систему нельзя использовать в районах с температурой, опускающейся ниже 20 градусов.
• Вне зависимости от типа установки, требуются масштабные земельные работы с использованием арендованных устройств.

Варианты обустройства геотермального отопления

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

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

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.

Как сделать агрегат своими руками?

Независимо от того, какой вариант ресурса (земля, вода или воздух) выбран для отопления, для корректного функционирования системы понадобится насос.

Это устройство состоит из таких элементов, как:

• компрессорный узел (промежуточный элемент комплекса);
• испаритель, передающий низкопотенциальную энергию теплоносителю;
• дроссельный клапан, через который хладагент находит обратную дорогу в испаритель;
• конденсатор, где фреон отдает тепловую энергию и охлаждается до изначальной температуры.

Можно приобрести целостную систему у производителя, но это обойдется в приличную сумму. Когда свободных денег под рукой нет, стоит сделать теплонасос своими руками из имеющихся в распоряжении деталей и в случае надобности докупить недостающие запчасти.

Планируя установку в частном доме геотермальной отопительной системы, в первую очередь нужно позаботиться о снижении уровня теплопотери. Для этого стены необходимо утеплить специальным материалом, двери и оконные рамы снабдить поролоновыми прокладками, а пол и потолок защитить пенопластовыми панелями. Тогда выделенное насосом тепло в максимально объеме останется внутри помещения

Когда решение о собственноручном изготовлении теплового насоса принято, нужно обязательно проверить состояние имеющихся в доме электрической проводки и электросчетчика.

Если эти элементы изношенные и старые, необходимо просмотреть все участки, обнаружить возможные неисправности и устранить их еще до начала работ. Тогда система сразу после запуска будет безупречно работать и не побеспокоит хозяев короткими замыканиями, возгоранием проводки и выбиванием пробок.

Способ #1. Сборка из холодильника

Для сборки теплонасоса своими руками со старого холодильника снимают размещенный сзади змеевик. Эту деталь используют как конденсатор и помещают в высокопрочную емкость, устойчивую к агрессивным температурам. На нее крепят исправно работающий компрессор, а в качестве испарителя используют простую пластиковую бочку.

Если для создания насоса используется очень старый холодильник, лучше заменить в нем фреон на новый. Самостоятельно это сделать не получится, поэтому придется пригласить мастера со специальным оборудованием. Он быстро заменит рабочую жидкость, и система заработает в нужном режиме

Подготовленные элементы соединяют между собой, а потом созданный агрегат посредством полимерных труб подключают к отопительной системе и приступают к эксплуатации оборудования.

Способ #2. Теплонасос из кондиционера

Для того чтобы сделать теплонасос, кондиционер модифицируют и проводят перепланировку некоторых основных узлов. Сначала наружный и внутренний блоки меняют местами.

Испаритель, отвечающий за передачу низкопотенциального тепла, дополнительно не ставят, так как он имеется во внутреннем блоке агрегата, а передающий тепловую энергию конденсатор стоит во внешнем блоке. В качестве теплоносителя подходят как воздух, так и вода.

Если этот вариант монтажа не удобен, конденсатор устанавливают в отдельный резервуар, предназначенный для корректного теплообмена между греющим ресурсом и теплоносителем.

Саму систему снабжают четырехходовым клапаном. Для этой работы обычно приглашают специалиста, имеющего профессиональные навыки и опыт проведения мероприятий такого рода.

Современные сплит системы малоэффективны при низких температурах, поэтому профессионалы не рекомендуют использовать их для самостоятельного изготовления теплонасосов

В третьем варианте кондиционер полностью разбирают на составные детали, а потом из них комплектуют насос по традиционной общепринятой схеме: испаритель, компрессор, конденсатор. Готовый прибор присоединяют к обогревающему дом оборудованию и приступают к использованию.

На сайте есть серия статей по изготовлению тепловых насосов своими руками, советуем ознакомиться:

1. Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы сборки
2. Как сделать тепловой насос воздух-вода: схемы устройства и самостоятельная сборка

Разновидности конструкций внешнего контура

Расположить трубы наружного контура можно горизонтально и вертикально.

Горизонтальный способ

Такой контур называется коллектором. При всей своей трудоемкости горизонтальный способ размещения труб является самым простым, а потому он может быть осуществлен самим домовладельцем без привлечения высококвалифицированных специалистов и специальной техники. В среднем с одного метра горизонтального коллектора удается снять 20 Вт тепловой энергии. Устройство контура можно произвести по одному из двух вариантов:

Размещение в грунте

Трубы контура, имеющего вид змеевика, укладывают в траншеи ниже глубины промерзания.

Расстояние между соседними участками должно составлять не менее 0,7 м. Максимальная длина контура ограничивается значением в 150 м.

При большей длине гидравлическое сопротивление трубопровода достигнет значительных величин, что потребует применения более мощного насоса. Рентабельность системы при этом ощутимо сократится.

Если необходимо использовать несколько контуров, их длина должна быть одинаковой.

Площадка, отводимая под грунтовый коллектор, обычно имеет весьма значительные размеры. В среднем на каждый 100 кв. м отапливаемой площади приходится задействовать 240 кв. м угодий, на которых не допускается высадка деревьев и размещение построек (вся территория должна быть хорошо освещена солнцем).

С размещением в водоеме

Если не далее, чем в 100 м от дома имеется водоем, задача по устройству наружного контура существенно упрощается. Трубы можно расположить прямо на дне, не прибегая в этом случае к трудоемким и дорогостоящим земляным работам. Контур имеет вид спирали, что способствует снижению его гидравлического сопротивления. Благодаря высокой теплопроводности воды, а также ее перемешиванию в результате конвекции процесс теплообмена происходит интенсивнее.

Подходящим является любой водоем с достаточной площадью, который даже в самые суровые зимы не промерзает на всю глубину.

При сильных морозах глубина промерзания грунта или поверхностных вод может превышать среднее значение. Поэтому при определении глубины заложения коллектора на этот счет следует предусматривать запас в 20%.

Вертикальный

В этом варианте трубы внешнего контура помещают в скважины. Такую конструкцию называют зондом.

Вертикальный способ применяют при отсутствии достаточно обширной территории, необходимой для расположения горизонтального коллектора, а также в том случае, если на участке уже имеются элементы благоустройства, которые не хотелось бы разрушать.

Недостаток данной технологии состоит в отсутствии возможности самостоятельной реализации: придется потратиться на найм бригады бурильщиков, имеющих специальные механизмы.

Скважины имеют диаметр от 120 до 200 мм, а их глубина варьируется в пределах от 20 до 300 м. Сам контур чаще всего выполняют из полимерных труб диаметром не менее 32 мм. После погружения зонда скважину заполняют составом, имеющим высокую теплопроводность, например, бентонитом. Срок службы выполненной по всем правилам скважины достигает 100 лет.

Важное преимущество вертикальной конструкции наружного контура состоит в более высокой теплоотдаче. Здесь она в среднем составляет уже 50 Вт/м

Разумеется, так бывает не всегда. Конкретное значение зависит от типа грунта, его влажности и объема грунтовых вод.

Сама по себе геотермальная энергия относится к возобновляемым видам, тем не менее, объем ее потребления не является бесконечным. Геотермальные тепловые насосы для отопления рекомендуется эксплуатировать не более 1800 часов в год. В противном случае скорость отвода тепла настолько превысит скорость тепловой регенерации грунта, что некоторые его участки вокруг скважины могут даже промерзать. Данное явление может сопровождаться проседанием отдельных слоев, разрушением наружного контура и целым рядом других нежелательных последствий.

Во избежание переохлаждения грунта его рекомендуют с приходом лета насыщать теплом путем переключения теплового насоса в реверсный режим (кондиционирование) либо с применением солнечных коллекторов.

В этом случае трубопровод имеет вид цилиндрической пружины. Он занимает меньше места, чем горизонтальный, но также может быть изготовлен собственными силами.