Геотермальне опалення: принцип роботи, можливості та ефективність
Словосполучення «геотермальна енергетика» у більшості людей викликає асоціації з Ісландією, гейзерами і вулканами, хтось згадає про родовища термальних вод, що промислово освоюються, на Камчатці, в Дагестані, в Ставропольському краї. Проте, геотермальна енергетика – це промислові масштаби, а й геотермальне опалення приватного сектора. Наприклад, у країнах Скандинавії за допомогою теплових насосів опалюється близько 1,5 мільйонів будинків, подібні проекти реалізуються і в Росії. Розбираємось, як працює технологія опалення підземним теплом, у яких формах вона реалізується, та наскільки ефективна.
Геотермальне опалення: як воно працює
Перші будинки, що обігріваються теплом Землі, почали з'являтися 50 років тому; сьогодні їх можна зустріти у всьому світі, від Канади до Нової Зеландії.
Робота пристрою, що використовує теплову енергію надр, ґрунтується на застосуванні зворотного циклу Карно, що описує кругові процеси обміну теплом. Така термодинамічна система функціонує завдяки різницю температур складових частин; принцип давно і успішно реалізований у холодильниках та кондиціонерах.
Щоб запустити геотермальне опалення будинку, потрібно організувати систему, яка збиратиме тепло з ґрунту (або води) і передаватиме його в контур опалення будинку. Підземне тепло генерується у будь-якій точці земної кулі, і геотермальне опалення успішно реалізується в Росії, наприклад, у Московській області. Цікаво, що схема функціонує таким чином, що влітку вона працює як кондиціонер, а взимку як джерело опалення.
На глибині шести метрів починається зона, де температура залишається стабільною цілий рік. Вона зберігається лише на рівні середньої річної температури атмосфери у цій місцевості; в областях із помірним кліматом це +15°C, нижче вона зростає. Для збирання підземної теплової енергії застосовується контур (теплообмінник). Це трубопровід, який монтують під землею чи під водою. Для організації опалення із землі використовують такі методи:
- У вертикальну свердловину. Варіант, який підходить для невеликих ділянок. Поруч із будинком пробивають дві геотермальні свердловини по 80-90 м, у кожну поміщають геотермальний зонд. Тепловий насос піднімає нагріту воду, вона проходить через теплообмінник і віддає тепло у внутрішній контур будинку. Вертикальний контур відрізняється найбільшою енергетичною ефективністю та терміном експлуатації.
- З влаштуванням горизонтального колектора. Метод підходить для ділянок великої площі. Щоб отримати колектор, що справно працює, за допомогою екскаватора готують траншеї глибиною 2-2,5 м, куди укладають ПНД (поліетиленові) труби. Площа ділянки, з якої збиратиметься тепло, можна порівняти з площею житла.
- На дні водойми. Горизонтальний колектор (зонди горизонтального типу) встановлюють на дні, якщо водоймище має достатні габарити (площа і глибина), і знаходиться недалеко від будинку. Спосіб також демонструє хорошу енергоефективність.
- З використанням антифризу. Достатню (75 м і більше) глибину занурюють ємність, заповнену антифризом. Нагріта рідина піднімається тепловим насосом та віддає енергію теплообміннику, а потім повертається під землю для наступного циклу.
Плюси та мінуси технології
Геотермальне опалення будинку, принцип роботи якого не включає спалювання палива, ідеальне з погляду сучасних уявлень про екологічну безпеку. Геотермальна опалювальна система надає своїм власникам такі переваги:
- Безпека у всіх сферах: відсутність шкідливих викидів, що є важливим для здоров'я господарів, їх домашніх тварин, для навколишнього середовища, а також пожежна безпека.
- З відсутністю палива пропадає необхідність у його закупівлі (заготівлі), доставці та зберіганні.
- Економічний зиск. Сили природи працюють безкоштовно. Ви витрачаєтесь лише на придбання та монтаж системи, а під час експлуатації – на електроенергію для теплового насоса. При цьому у відрегульованій системі на кожні 1 кВт, витрачених на роботу насоса, припадає близько 3,5-4 кВт, здобутих з-під землі.
- Компактні розміри. Основний за розміром контур ховається під землю (воду), в будинку потрібно буде встановити лише насос, і окрема котельня для цього не потрібна.
- Доступність. Устаткування можна встановити будь-де. Єдиною умовою для початку роботи є наявність електрики в будинку.
- Багатофункціональність. Коли холодно, система працює на обігрів, коли спекотно – на охолодження.
- Довгий термін експлуатації. Технологічно правильний монтаж стане гарантією тривалого функціонування. Геотермальний контур надійно захищений товщою ґрунтом, а термін служби теплових насосів становить 25-30 років.
Власники, які не довіряють геотермального опалення приватного будинку, висувають такі аргументи:
- Доводиться йти на значні витрати, щоб підготувати систему до роботи: придбати насос, додаткові матеріали, монтаж зовнішнього та внутрішнього контуру. Обладнання обійдеться у 8-10 разів дорожче, ніж аналогічна газова техніка.
- Геотермальна система перестав бути автономної. Щоб вона функціонувала, кожні 4 кВт теплової енергії доведеться витрачати 1 кВт електрики.
- Рівень тепловіддачі є вищим, ніж у традиційних технологій. Наприклад, контур, що йде вглиб на 20-30 м, віддає лише 40 Вт тепла з одного погонного метра.
- Тривалий період окупності. У середньому він перевищує 10-15 років, тоді як середнього за потужністю газового котла (до 12 кВт) знадобиться приблизно 5 років, щоб окупитися.
Як монтують геотермальне опалення
Роботи з встановлення геотермальної системи опалення включають три етапи:
- На майданчику проводяться бурові та монтажні роботи.
- Купується та доставляється обладнання та тепловий насос.
- Монтується зовнішній та внутрішній контури. Вони з'єднуються через тепловий насос, потім проводяться пуско-налагоджувальні роботи.
Горизонтальний, вертикальний та підводний контури мають свої особливості монтажу: Горизонтальний трубчастий теплообмінник укладають нижче за глибину промерзання. Якщо грунтові води пролягають високо, організується піщана подушка, вживаються заходи, що нівелюють пучення, деформацію та видавлювання контуру.
Довжину горизонтального теплообмінника визначають розрахунком: 40 м труб на 1 кВт теплової енергії. Для подібної системи може знадобитися солідна ділянка (до 2,5 соток), і вам доведеться придумати, як її потім використовувати, тому що над теплообмінником не можна зводити будови з підземним фундаментом або висаджувати дерева.
Вертикальний підземний контур майже на третину ефективніший за горизонтальний аналог. Глибину свердловини розраховують із співвідношення 10-30 м труб на 1 кВт (залежить від властивостей порід). Якщо глибина виходить занадто великою та економічно недоцільною, можна зробити кілька дрібних свердловин, що дають у сумі потрібну потужність.
Організувати підводний контур можна за умови, якщо водойма знаходиться максимум за сто метрів від будинку, і вона не промерзає взимку. Щоб отримати 1 кВт теплової енергії, потрібно укласти 35 м труб. Незважаючи на те, що треба буде подбати про якірний баласт, що перешкоджає спливанню, та захист на кромці льодоутворення, підводний контур буде найдешевшим за витратами.
Діючі системи організовані так, щоб забезпечувати нагрівання 50°C, оскільки спеціальні розрахунки показали найбільшу ефективність даного варіанту. Наслідком обмеження є використання в будинках з опаленням від землі переважно не звичних радіаторів, а теплої підлоги чи повітряного (парового) опалення.
Корисне відео
Висновок
Геотермальне опалення є перспективною, але недооціненою системою для приватних будинків. Його можна організувати трьома способами: у вертикальній свердловині, як горизонтального підземного колектора чи під водою.
Обігрів підземним теплом економічно вигідний; максимального ефекту від установки можна досягти при використанні теплої підлоги. Система працює цілий рік: взимку нагріває приміщення, а влітку знижує температуру повітря, через що відпадає потреба в кондиціонері. Багато власників заміських будинків не поспішають вибирати екологічну технологію через високі витрати на купівлю та монтаж обладнання.
