Геотермальное отопление: принцип работы

Поговорим сегодня про геотермальное отопление и тепловые насосы. Для начала рассмотрим часть теоретическую: принципы работы, нюансы монтажа и его особенности при применении в местных условиях Складчатого Урала.

Принцип действия геотермального отопления: ликбез

Вспоминаем раздел молекулярной физики, в частности - раздел про свойства газов из школьного курса. Итак, если некоторые газы сжимать, они выделяют тепло - нагреваются, а если их расширять, они охлаждаются и выделяют холод. Примером такого газа является фреон. И как раз на этом свойстве основана работа обычного холодильника. А именно: компрессор сжимает газ, затем он охлаждается, проходя через радиатор сзади холодильника, отправляется по трубочкам во внутрь холодильника, где расширяется и охлаждает «внутренности». Напоминаем, что схема это очень упрощена. Но так работает обычный холодильник.

А что, если взять у нашего холодильника радиатор и поместить его в пол? Тогда мы получим теплый пол. Если же холодильную камеру закопать в землю (без дверцы), то обогрев пойдет за счет радиатора холодильника. И это уже будет тепловой насос – или холодильник наоборот, «неправильный» антихолодильник.

Принципы работы теплового насоса

Как же работает тепловой насос? Внутри у агрегата есть замкнутый контур с фреоном, на контуре 4 устройства. Первое – компрессор, который сжимает газ. Второе – это теплообменник. Третье – камера испарения или расширения. Четвертое – еще один теплообменник, согревающий фреон, сильно охлажденный после расширения.

Когда компрессор сжимает газ, он нагревается, допустим, до температуры 65 градусов и поступает в теплообменник, через него он нагревает теплоагент. Под воздействием циркуляционного насоса теплоагент проходит через теплый пол или радиатор, нагревая дом. При этом он остывает и снова возвращается к теплообменнику. Сжатый газ остывает и поступает в камеру испарения (она же - расширения), где остывает окончательно. Дальше газ идет на еще один теплообменник, где немного нагревается и снова отправляется в компрессор.

Излишний холод необходимо куда-то сбрасывать (через последний теплообменник перед компрессором). Вот для этого существуют разнообразные коллекторы (воздушные, солнечные и пр.).

Типы коллекторов

Давайте разберемся с типами коллекторов, связанных с водой и землей. Они бывают двух видов – открытые и закрытые. Открытые проще: есть две скважины производительностью примерно на 5 кубов, мы выкачиваем воду из одной, направляем ее на коллектор, вода остывает, и мы сбрасываем ее во вторую скважину. Таким образом происходит работа с теплообменником.

Схема простая, и вроде бы должна отлично работать. Однако проблема в том, что надо обязательно учитывать местные условия. Во-первых, расстояние между скважинами должно быть минимум метров 8-10, иначе их не пробурить, будет потеря давления и отсутствие выброса шлама. А в условиях Складчатого Урала даже на таком расстоянии скважины могут иметь разную производительность. По идее, сколько воды скважина дает, столько же может и принять. Но в разных геологических разрезах схема не действует.

Есть и другая проблема. В наших условиях мы получаем воду из производительной зоны трещиноватости. А если их две, расположены одна над другой, и та, что повыше – непродуктивна, другими словами, сухая, потому что где-то у нее есть точка разгрузки. Или когда из первой скважины, объемом 5 кубов, вода выкачивается и сбрасывается во вторую, но уходит всего полкуба, а остальное разгружается в другом месте, наступает момент, когда вода в скважине заканчивается, и система встает. Результат - всё и все замерзли.

Кроме того, в наших условиях далеко не все скважины выдают 5 кубометров, большая часть дает меньшее количество воды. По итогу, сделать такую систему во многих районах не всегда получается.

Закрытый тип коллектора

Теперь рассмотрим закрытый контур. Это труба, которая тоже замкнута в контур, с циркулирующим «рассолом» - специальным образом перемешанными спиртом и водой. Циркуляция происходит при помощи насоса. Располагается замкнутый контур (он же коллектор) или вертикально, или горизонтально.

Горизонтальный контур можно вкопать в землю, ниже точки промерзания, или утопить в водоеме (соответственно, непромерзающем до дна или проточном, поскольку тепло мы будем забирать и замораживать все вокруг). Это дешево. Но обязательно привлечет внимание санитаров и экологов: при утечке «рассола» из коллектора вся живность рискует погибнуть.

Что касается закопанного коллектора, то при постоянном охлаждении грунта трава на поверхности появится только к середине короткого уральского лета. Постепенно начнется эрозия почвы, с вечной грязью и пылью. Можно закатать участок в асфальт, но трещин и провалов не избежать. Кроме того, учитывая глубину промерзания, вкапывать горизонтальный коллектор на 2,20 метра, тоже сомнительное удовольствие.

Вертикальный коллектор геотермального отопления

Это такой же замкнутый контур из труб (обычно, полиэтиленовых), по которому бегает «рассол» под действием насоса. То есть труба уходит вниз и поднимается вверх, создается колено, на котором ставится тепловой зонд (или наконечник). Температура воды и земли внизу 4 градуса, и за счет определенного метража мы можем получить заданное количество теплоты. Но метраж должен быть немалым: для обычного загородного домика необходимо метров 200. Это одна скважина по 200, или две по 100, или четыре по 50 метров – прикидываем стоимость буровых работ.

При монтаже трубы в пробуренную скважину возникают свои интересные «эффекты». Например, полиэтилен легче воды, и пустая труба с наконечником всплывает обратно. Смонтировать ее без специнструмента довольно сложно.

Когда скважин много, все трубы сводят в концентрационном колодце, откуда дальше направляют в дом. После чего элементы укладываются, соединяются, подключаются, и после пуско-наладки система начинает работать.

Это в теории. А вот про экономику и практику мы поговорим в следующей части. Ждите новый видеоролик о геотермальном отоплении с выводами об эффективности данной системы в местных условиях.