Геотермальное отопление: принцип работы, возможности и эффективность

Теплицы с геотермальным отоплением — оригинальный метод использования энергии с возобновляемых источников и элементарных законов физики. Область применения этого альтернативного вида энергии имеет достаточно обширна, но чаще всего он применяется для обогрева животноводческих ферм, птицефабрик и теплиц. Использование природных источников тепла позволяет получать существенную экономию, а следовательно, снижать себестоимость сельхозпродукции. Расчеты геотермальной системы отопления для каждого объекта производятся индивидуально.

Геотермальное отопление и его преимущества

Назначение отопительной системы теплицы — обеспечение температур достаточных для выращивания сельхозкультур и созревания их плодов. Для поддержания необходимой температуры внутри теплицы одного только парникового эффекта зимой будет недостаточно, но использование традиционных отопительных систем ведет к значительному удорожанию производственного процесса. Вопреки бытующему мнению, что новые способы альтернативного энергосбережения — это что-то сродни вечному двигателю, системы геотермального отопления реально работают на экономию и имеют ряд неоспоримых преимуществ:

• работая полностью автономно, они не требуют поставок энергоносителей и полностью не зависимы от изменения их стоимости,
• эксплуатация геотермальных систем — процедура мало затратная,
• системам не требуется дорогое сервисное обслуживание, согласования, периодические ремонты,
• при условии качественного выполнения период службы геотермальной отопительной системы составит как минимум 50 лет,
• система позволяет обеспечить нужную температуру внутри теплицы на протяжении круглого года,
• при сбалансированном мягком микроклимате в обогреваемом пространстве система производит равномерную вентиляцию и регулирует уровень влажности.

Особенности

Стоит сказать о нескольких особенностях геотермальных систем отопления дома.

Отличие, например, от газового или электрического котла заключается в том, что здесь не требуется нагрев теплоносителя до высоких температур. Работа в низкотемпературном режиме обеспечивает меньшие энергетические затраты. Как известно, в системе отопления для компенсации низкой температуры теплоносителя используется увеличение поверхности радиатора. Чтобы этого не делать, рекомендуется использовать тёплые полы. Подобный вид отопления дома будет в этом случае более рациональным, поскольку тепло будет поступать сразу в зону обитания, а не в пространство под потолок помещения.

Кроме того, в актив тёплых полов стоит записать минимум потерь тепла. Величина тепловых потерь в основном зависит от дельты температур. В случае с низким температурным режимом геотермального отопления эти потери минимальны. Вторым существенным преимуществом тёплого пола является то, что происходит непосредственный нагрев самих конструкций дома (в этом случае пола). В случае с радиаторами нагретый воздух лишь немного охватывает остекление окон и часть близлежащей стены.

Геотермальное отопление — принцип работы

Функционирование систем геотермального отопления возможно благодаря стабильной температуре грунта на определенных глубинах. В зимнее время она может составлять 5-7 градусов по С, в летнее — 10 — 12. Таких показателей вполне достаточно для обеспечения базовой температуры в теплицах, благодаря излучению солнца и наличию парникового эффекта в зимнее время температура воздуха в теплице увеличивается в несколько раз.

В летнюю жару система работает на нормализацию микроклимата путем понижения температуры до 23-27 градусов. В принципе, такая температура является оптимальной для выращивания практически всех видов овощных культур. Благодаря воздухообмену на протяжении дня почва аккумулирует тепло, в ночное время — отдает его и обогревает теплицу, что способствует выравниванию дневных и ночных температур.

Геотермальные теплицы оказываются эффективными даже в условиях севера, конечно при суровом холодном климате потребуется дополнительный обогрев, но затраты на него будут вполне приемлемыми.

Конечно, строительство теплицы с геотермальным обогревом — задача не из простых, первая проблема — извлечение огромного объема грунта — ведь установка подземных коммуникаций потребуется на больших глубинах. Тем не менее, стоимость стройматериалов окажется значительно ниже, чем предполагаемые затраты на газ или электроэнергию, используемые при обустроенном традиционным методом обогреве теплиц, а эффективная работа геотермальной системы быстро компенсирует все финансовые затраты.

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».

Конструкция отопительной системы

По своей сути конструкция геотермальной отопительной системы достаточно проста. Она представляет собой два контура, расположенных под слоем грунта и на поверхности. При помощи первого производится сбор тепловой энергии, т.е. он представляет собой теплообменник. Его установка осуществляется или в не промерзающих водоемах на соответствующей глубине или в грунте, ниже точки его промерзания.

Трубы второго контура заливают водой или водой с добавкой соответствующего количества антифриза. Забранная теплоносителем энергия поступает к оборудованному двумя теплообменниками тепловому насосу, геотермальное отопление работает именно от энергии полученной таким способом.

Существует также вариант, когда для геотермального обогрева бурят скважину глубиной около 100 м, такой вариант намного эффективнее, но бурение на такую глубину стоит очень дорого.

Подведем итоги

Не стоит пугаться внушительного фронта работ. Опыт демонстрирует, что с нулевого цикла до установки фильтров проходит около 3 недель, что, с учетом полувековой эксплуатации системы, – срок просто ничтожный. Подобные схемы широко используются в регионах с морозным климатом, в числе лидеров – Гренландия, обширная территория которой всегда скрыта под слоем снега. Помните, что один раз потратив 3 недели, более вы не будете уделять системе ни минуты. Для корректной эксплуатации не нужно никаких внешних воздействий, достаточно лишь изредка очищать засорившиеся москитные сетки.

Планирование

Во-первых, следует заметить, что действующую теплицу невозможно оснастить эффективной геотермальной конвекцией. Это сложно выполнить с технической стороны, но даже в случае произведенной модернизации, полученная от нее эффективность будет значительно ниже той, которую возможно получить при правильном проведении проектных работ по сооружению нового объекта.

Во-вторых, для получения экономического эффекта следует проектировать геотермальные системы в круглогодично работающих теплицах, причем минимальная площадь их не должна быть меньше, чем 50 кв. м , увеличение площади будет способствовать повышению эффективности. Участок для сооружения объекта и его размеры следует определить еще до начала проектных работ.

Немаловажное значение имеет определение места для строительства, габариты участка должны существенно превышать площадь будущей теплицы. На участке не должны находиться разные постройки или расти деревья. При планировании теплицы с длиной и шириной превышающей 14 м, габариты сторон котлована следует увеличить на 3,5 м. При длине сторон меньшей 14 м потребуется котлован, размеры сторон которого будут превышать стороны сооружения примерно на треть.

Рыть котлован можно собственноручно, но можно задействовать в процессе технику. Из материалов следует заготовить:

• чистый речной песок,
• мелкий щебень,
• бутовый кирпич,
• полистироловые плиты,
• 110 мм трубы и узловые соединения к ним.

Назвать точную сумму затрат сложно, ориентировочно геотермальное отопление имеет стоимость около 120 — 140 долларов за каждый кв. м готового отапливаемого сооружения. Плотность прокладки подземных коммуникаций будет обратно пропорциональной к средне температурным показателям конкретно взятой климатической зоны.

Установка геотермального отопления

Основная характеристика функционирующей отопительной системы является количество калорий тепловой энергии, которые она вырабатывает. Поскольку нормативной базы для геотермальных отопительных систем не существует, то при проведении детальных расчетов рекомендуется использовать положениями СниП, касающихся проектирования и монтажа климатсистем общего назначения.

Эффективную работу системы могут обеспечить воздуховоды, плотность размещения которых будет не меньшей, чем 2,7 м на 1 кв. м, в условиях холодного климата подземные коммуникации размещают более плотно.

ИНФРАКРАСНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ СВОИМИ РУКАМИ

Источники тепла — инфракрасные излучатели, именуемые как эко обогреватели, — еще один вариант обогрева помещений в частном доме, в офисе или на производстве. Принцип действия инфракрасного излучателя основан на передаче тепловой энергии в виде инфракрасного излучения предметам, которые, нагреваясь, отдают направленное тепло в воздух помещения, в окружающее пространство на открытых площадках и т.д.

Наиболее эффективно ИК излучатели, как альтернативные системы отопления, способны обогревать конкретные предметы или части помещений. Таким образом, ИК излучателемможно обогреть людей, работающих на открытом воздухе или в конкретной части помещения. Использование ИК обогревателей создает экономию на отоплении, позволяя обогревать только полезную часть пространства. По способу установки и крепления различаются обогреватели настенные, потолочные, напольные, с направленным действием инфракрасного излучения.

С чего начать установку оборудования для геотермального отопления

На выполнение работ потребуется от 2-х до 4-х недель. Самым трудоемким этапом будет выемка грунта, оптимальный вариант — нанять специальную технику, а именно — экскаватор. Монтаж коммуникаций особой сложности не представляет, с ним можно справиться собственными силами.

В зависимости от климата и глубины промерзания почвы рассчитывают глубину котлована, для областей средней полосы достаточной будет глубина в 3 — 3,5 м. Если климат более теплый, то котлован можно делать помельче. Верхний плодородный слой земли аккуратно снимают и сохраняют, глинистые слои вывозят. Форма котлована может быть прямоугольной или трапециевидной, стенки его крепить не требуется.

На глубине большей 0,7 м откосы котлована следует изолировать пенополистирольными плитами. Дно котлована засыпают щебнем (15 см), далее — слой песка, толщиной около 30 см, утрамбовывают. Далее шнуром отбивают внутренний контур каждой из стен будущего сооружения и определяют его продольную ось.

Для прокладки воздуховодов используют пвх сантехнические трубы диаметром 110 мм. Прокладку труб производят в соответствии с размеченным контуром пролегания. Рекомендуется укладывать трубы «змейкой», при таком варианте трубопровод делят на участки шириной 1,5 — 2 м. Расстояние трубопровода от стен котлована должно составлять от 0,3 до 0,5 м. Каждый из воздуховодов должен иметь в центре тройниковое соединение с тремя раструбами. На следующем этапе производят вывод центрального ответвления от этого соединения наверх, ориентируясь на продольную ось теплицы.

После сооружения теплицы наращивают центральное ответвление воздуховода, при этом концы труб должны быть ниже уровня крыши на 30-35 см. Наверх выводят и боковые отводы сегментов, расстояние между ними и стенами теплицы должно составлять не менее 0,2 м. Центральные и боковые отводы глушат при помощи пластиковых заглушек или мембран из полиэтилена. Вертикальные участки системы фиксируются путем засыпки их основания. Ответвления, выходящие на поверхность должны быть строго вертикальными.

Закончив монтаж системы, котлован засыпают до уровня, на котором находится верхняя граница теплоизолирующих плит — 70 см от уровня грунта. Площадь котлована, которая окажется за пределами внутренней части теплицы укрывают слоем пенопласта и засыпают слоем грунта, пока она не поднимется до уровня почвы.

Стенки образовавшегося приямка крепятся при помощи щитовой опалубки, затем изолируются пенополистирольными плитами. Углубление, образовавшееся внутри теплицы, засыпают черноземом, не доходя до уровня грунта примерно на 35-40 см.

принцип организации процесса воздухообмена

Нормально функционирование системы в принципе не требует организации принудительного воздухообмена. Для избежания резких перепадов температур и улучшения рабочих параметров возможна установка самодельного вытяжного вентилятора и фильтрующего устройства. Если устанавливается система принудительного воздухообмена, то она также будет осуществлять фильтрацию воздуха. Изготовить систему можно своими руками воспользовавшись достаточно простой схемой.

установка антимоскитной сетки

Чтобы защитить систему от попадания в нее различных насекомых устанавливают москитную сетку, размер ячеек может быть от 02 до 0,4 мм, сетку натягивают на пяльцы и вклеивают в футляр, в котором размещен вентилятор.

как бороться с конденсатом

Поскольку температурные показатели почвы и воздуха могут существенно отличаться, то можно предположить, что в трубопроводе будет образовываться конденсат. Для предотвращения этого явления в трубах сверлят отверстия диаметром 5 мм, до 15 шт на погонный метр. При закладке трубы следует располагать отверстиями вниз. Для регулировки влажности воздуха в сегменты может подливаться вода в количестве 3-5 литров.

Если обогрев осуществляется по принципу воздушной конвекции то уход за ней будет заключаться только в очистке антимоскитных сеток. Отапливаемые таким образом теплицы — это выгодный вариант получения оптимальных температурных показателей путем использования автономного климатооборудования.

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.