Геотермальное отопление дома своими руками: принцип работы, особенности монтажа и рекомендации

При всех плюсах альтернативных источников энергии, техническая реализация обслуживающей их инфраструктуры по-прежнему остается главным препятствием для массового распространения технологий бесплатного энергоснабжения. Средства аккумуляции и доставки ресурсов оправдывают себя в основном при осуществлении крупных проектов, работающих с большими объемами топлива, электричества или тепла. В этом отношении выделяется геотермальное отопление, которое наименее требовательно к технико-эксплуатационной системе, что позволяет ее организовывать своими силами в условиях частного домовладения.

Принцип действия системы

Использование геотермальной тепловой энергии возможно благодаря естественному и постоянному прогреву внутренних пластов земной коры магмой. Степень генерации тепла столь высока, что приемлемую для аккумуляции температуру порядка 45-50 °C преобразуют даже в холодных регионах с промерзаемым грунтом на допустимых для бурения глубинах. Иными словами, главная задача системы заключается в доставке тепловой энергии непосредственно до места потреблений. Основной принцип работы геотермального отопления строится на передачи энергии по коллекторам и каналам с циркулирующим антифризом.

На первом этапе происходит аккумуляция тепла прямо в недрах земли с помощью специальных элементов с повышенной теплопередачей. Это коллекторные установки, которые поглощают тепло, а затем передают его вместе с антифризом в узел распределения по точкам забора и потребления. На этом этапе в работу включается насосная станция, которая преобразует и доставляет энергию радиаторам, системе ГВС, котлам и другим агрегатам, которые участвуют в отопительной инфраструктуре.

Применяемое оборудование

Большая часть технических узлов – это вспомогательные устройства и приспособления, которые обслуживают транспортную сеть передачи тепла. Можно выделить уже упомянутые коллекторы, трубные коммуникации, а также расширительный бак на подводке к распределяющей станции, который выполняет функцию буфера. Главным же функциональным элементов системы является геотермальный насос. Для отопления дома используются перекачивающие агрегаты с модулями пассивного охлаждения. Наличие подобных предохранителей требуется как средство автоматической регуляции нагрузок, которые невозможно контролировать вручную при постоянной эксплуатации системы.

По размерам такие насосы могут соответствовать средним холодильникам, поэтому с учетом обвязки и сантехнической арматуры с отводными каналами для этого оборудования изначально рекомендуется организовывать технические помещения. В зависимости от типа системы, агрегат может выполнять как отопительную функцию, так и охлаждающую – по типу кондиционера. Но во втором случае придется устраивать дополнительные контуры доставки рабочей жидкости.

Виды тепловых насосов

Источником геотермального теплового излучения могут выступать разные среды. Так, помимо земли, а в самых эффективных и сложных системах – вместе с ней, также используется высокая температура воды и воздуха. В зависимости от конфигурации распределения энергии, геотермальный тепловой насос для отопления классифицируется на следующие виды:

• Грунт-вода. Наиболее распространенная система, которая предполагает использование замкнутых грунтовых контуров с глубокими зондами в комбинации с водяной системой выработки тепла.
• Вода-вода. Задействуются открытые скважины для извлечения энергии грунтовых вод, которые, впрочем, тоже нагреваются от грунта на больших глубинах.
• Вода-воздух. Самая сложная система, в которой участвует несколько групп аккумулирующего оборудования – в том числе наружные радиаторы и воздушные панели, нагревающиеся в процессе работы.

Все перечисленные системы объединяются одним важным преимуществом перед другими средствами аккумуляции природной энергии. Оно заключается в том, что геотермальное отопление не преобразует тепло в другой вид энергии (пар, электричество). На завершающем этапе оно используется потребителями в первоначальном сгенерированном виде.

Организация работы теплового насоса

В качестве основы для агрегата можно использовать обычную сплит-систему. Например, установка мощностью порядка 1 кВт сможет вырабатывать 5-6 кВт тепла в зависимости от условий эксплуатации и качества обвязки. Наружный кондиционирующий блок необходимо поместить в защитный деревянный каркас, обеспеченный качественной теплоизоляцией. К нему будут направлены контуры доставки антифриза из грунтовых аккумуляторов. В более сложной конструкции применяются каскадные геотермальные тепловые насосы для отопления дома, в которых задействуется несколько компрессоров на каждый контур.

В принципе, количество линий теплоснабжения из грунта (или воды с воздухом) ничем не ограничивается, как и число приемных насосов-распределителей. Но важно учитывать растущие нагрузки на оборудование. Мощные производительные системы на 3-4 контура могут требовать использования трехфазной сети энергообеспечения на 380 В только лишь для поддержки автоматического управления и защитных систем с предохранителями.

Бурительные мероприятия

Для организации связи между источниками забора тепловой энергии и насосом потребуются скважины. В них устанавливаются зонды с коллекторами – непосредственные приемники тепла. Бурение придется осуществлять с помощью спецтехники, так как ручным способом можно разработать лишь небольшую скважину на 5-7 м. Нормативная же глубина для полноценного геотермального отопления варьируется от 20 до 100 м. Что касается зондов, то для них можно применить пластиковые трубы, способные выдерживать давление порядка 6 бар. Для большей эффективности стоит применить обвязку из нескольких линий (3-4), концы которых соединяются U-образным переходником. Чтобы в условиях сильных заморозков при минимальной тепловой отдаче трубы не потрескались, будет не лишним организовать их контурный подогрев. Для этого следует в сердцевину обвязанного канала протянуть хотя бы один электротехнический провод с возможностью подачи тока.

Установка горизонтальных аккумуляторов

Если по тем или иным причинам вертикальная скважинная организация геотермального контура на участке не реализуема, то можно организовать горизонтальный монтаж тепловых приемников. Потребуется площадка с минимальными размерами 15х15 м, с которой снимается слой грунта глубиной 50 см. Далее на изолированной поверхности укладываются аналоги вышеупомянутых зондов. Например, горизонтальное геотермальное отопление дома может быть устроено посредством электротехнических матов или теплообменных труб. Конфигурации расположения контуров тоже могут отличаться, но специалисты для большего энергетического эффекта рекомендуют укладывать коммуникации «змейкой» или спиралью.

Как повысить энергоэффективность системы?

Готовые заводские комплексы хороши тем, что все их конструкционные части и компоненты сбалансированы и подстроены друг под друга по характеристикам. Преимущество самостоятельной организации системы на отдельных агрегатах заключается в том, что каждый контур и рабочий узел можно модернизировать независимо от общей инфраструктуры. Так, многие отказываются от стандартного теплоаккумулятора, заменяя его функцию бетонной стяжкой. В этом случае геотермальное отопление будет работать с минимальными перепадами температур в контуре смесительного бака. Также рекомендуется экспериментировать с хладагентом и применением компрессоров с «плавающей» производительностью. Правильный расчет нагрузки с оптимальным распределением тепла по эксплуатирующим контурам позволит увеличить эффективность системы на 15-20 %, минимизировав при этом затраты на электроснабжение.

Преимущества геотермальных установок

По сравнению с традиционными системами отопления с котельным оборудованием, это наиболее чистый в экологическом отношении способ обогрева. К этому же стоит добавить высокий уровень безопасности на фоне экономичного газового оборудования и невысокие требования к техническому обслуживанию. В плане тепловой отдачи геотермальное отопление частного дома может быть оправдано, если задействуется достаточно площадей с охватом водных или земельных источников снабжения. Строительство скважин, колодцев с гидрологическими коммуникациями и применением воздушных тепловых аккумуляторов позволит полностью обеспечивать загородный коттедж теплом без дополнительных обогревателей.

Недостатки системы

На первом этапе организации геотермальной инфраструктуры потребуются существенные расходы – как на оборудование, так и на монтажные работы. Причем затраты будут превосходить смету на те же котельные станции с полным комплексом пуско-наладочных работ. Окупаемость за счет низких затрат на обслуживание займет 5-7 лет. Относят к минусам геотермального отопления дома и громоздкость коммуникаций. Даже при рациональном и компактном обустройстве вертикальных аккумуляторов потребуется прокладка труб до распределительного узла с перекачивающей станцией, для которой также необходимо отдельное помещение.

Заключение

Перед домовладельцем, который оценивает возможности обустройства разных систем отопления, стоит непростая задача расчета мощностей и технических ресурсов, которые потребуются в процессе эксплуатации. Сам принцип геотермального отопления ставит целью минимизацию расходов на содержание и обслуживание инфраструктуры при поддержке высоких параметров теплоснабжения. Но на практике добиться значительных результатов непросто. Для этого нужен продуманный и качественно составленный проект с детальными расчетами, но самое главное – это базовое наличие оптимальных по характеристикам условий эксплуатации геотермального оборудования.