Принцип работы геотермальной системы отопления

Обустройство

Геотермальный обогрев своими руками пытаются создать достаточно многие люди. Но чтобы такая система работала, должны быть произведены тщательные расчеты, требуется также составление схемы разводки труб. Нельзя приближать скважину к дому больше чем на 2-3 м. Наибольшая допустимая глубина бурения достигает 200 м, однако неплохую эффективность демонстрируют скважины, достигающие и 50 м.

Геотермальная электростанция (ГеоЭС или ГеоТЭС) – один из видов электростанций, которые преобразуют тепловую – геотермальную энергию подземных источников (например, гейзеров) в электрическую энергию.

Геотермальная электростанция и геотермальная энергия

Виды геотермальной энергии

Виды геотермальных вод

Устройство геотермальной электростанции

Преимущества геотермальной электростанции

Трудности и проблемы эксплуатации геотермальной электростанции

Выработка электроэнергии на геотермальных электростанциях в России

Принцип работы геотермальной системы отопления

– прямой способ. Пар из скважины напрямую направляется по трубам в паровую турбину, соединённую с электрогенератором, и вращает её лопасти. За счет вращательного движения вырабатывается электрический ток;

– непрямой способ. Аналогичен предыдущему с той лишь разницей, что перед попаданием в трубы пар очищают от газов, вызывающих разрушение труб;

– смешанный способ. Аналогичен прямому способу с той лишь разницей, что пар конденсируется и из воды удаляют не растворившиеся в ней газы;

– бинарный способ. В качестве рабочего тела используется не термальная вода или пар, а другая жидкость с низкой температурой кипения. Термальная вода (или пар) из скважины пропускается через теплообменник, который передает тепло другой жидкости с меньшей температурой кипения. Эта – другая жидкость закипает в теплообменнике и её пар подается в паровую турбину и вращает ее лопасти.

Как устроено?

Принцип работы геотермального отопления подразумевает использование тепловых насосов. Они действуют по классическому циклу Карно, беря глубоко внизу холодный теплоноситель и получая взамен нагретый до 50 градусов поток жидкости внутри отопительной системы. Аппаратура работает с коэффициентом полезного действия от 350 до 450% (это не противоречит фундаментальным физическим законам, почему – будет сказано позже). Стандартный тепловой насос обогревает дом или иное здание за счет тепла земли на протяжении 100 тысяч часов (именно таков средний промежуток между профилактическими капитальными ремонтами).

Нагрев до 50 градусов выбран неслучайно. Именно такой показатель по результатам специальных расчетов и при изучении практически реализованных систем был признан наиболее эффективным. Поэтому земляное отопление, использующее поток энергии из недр, в основном дополняется не радиаторами, а теплым полом или воздушным контуром. В среднем, на 1000 Вт энергии, приводящей в работу насос, удается поднять наверх примерно 3500 Вт тепловой энергии. На фоне безудержного роста стоимости теплоносителя в магистральной сети и иных способов отопления это очень приятный показатель.

Геотермическое отопление образовано тремя контурами:

  • грунтовым коллектором;
  • тепловым насосом;
  • собственно, греющим комплексом дома.

Причина проста – та вода, которая встречается в достаточно разогретом слое почвы, быстро разъедает оборудование. И даже такую жидкость можно найти далеко не в любом произвольно взятом месте. Выбор конкретного теплоносителя определяется конструктивными решениями инженеров. Насос подбирается в зависимости от устройства остальных частей системы. Поскольку глубина скважины (уровень заложения оборудования) определяется природными условиями, решающие отличия между типами геотермальных систем связаны с устройством коллектора в грунте.

Горизонтальная структура подразумевает расположение коллектора под линией промерзания почвы. В зависимости от конкретной местности это означает углубление на 150-200 см. Такие коллекторы могут оснащаться различными трубами, как медными (с внешним слоем из ПВХ), так и сделанными из металлопластика. Чтобы получить от 7 до 9 кВт тепла, придется уложить не менее 300 кв. м коллектора. Такая методика не позволяет приближаться к деревьям более чем на 150 см, а по окончании монтажа придется благоустраивать территорию.

Вертикально выставленный коллектор подразумевает бурение нескольких скважин, причем обязательно устремленных в разные стороны, и каждую ведут под своим углом. Внутри скважин располагаются геотермальные зонды, тепловая отдача от 1 пог. м достигает примерно 50 Вт. Нетрудно подсчитать, что для идентичного количества тепла (7-9 кВт) придется поставить 150-200 м скважин. Преимущество в этом случае не только в экономии, но и в том, что ландшафтная структура территории не изменяется. Надо будет только выделить небольшой участок для монтажа кессонного блока и для выставления концентрирующего коллектора.

Нагреваемый от воды контур практичен, если можно вывести наружный узел обмена теплом в озеро или пруд на глубину от 200 до 300 см. Но обязательным условием будет расположение водоема в радиусе 0,1 км от отапливаемого строения и площадь водного зеркала минимум 200 кв. м. Существуют также воздушные теплообменники, когда получение тепла внешним контуром происходит из атмосферы. Подобное решение отлично проявляет себя в южных областях страны и не требует никаких земляных работ. Слабости системы – низкий КПД при морозе в 15 градусов и полная остановка, если температура понизится до 20 градусов.

Предлагаем ознакомиться  Естественная вентиляция в гараже

Геотермальная отопительная система: виды и особенности

Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. По различным подсчетам температура в центре Земли составляет минимум 6650 °C. Тепло образуется за счет радиоактивного распада урана, тория, калия и других радиоактивных изотопов химических элементов. Температура в центре Земли постоянна.

Конечно ж, Земля остывает, но скорость остывания равна 300-350 °C в один миллиард лет. Тепловой поток, текущий из недр Земли через ее поверхность, составляет 47±2 ТВт тепла или 400 тыс. ТВт·ч в год, что в 17 раз больше, чем выработка всей мировой энергетики и эквивалентно сжиганию 46 млрд тонн угля. Таким образом, получается, что Земля представляет собой неисчерпаемый источник тепловой – геотермальной энергии.

Геотермальная энергия относится к альтернативным и возобновляемым источникам энергии. Такая энергия в виде тепла может использоваться как непосредственно для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии.

Однако тепловой КПД геотермальных электростанций невысок и составляет около 7-10 %.

Как ни странно, но несмотря на молодость такой системы отопления, производители уже успели продумать целых три их разновидности, с особенностями которых следует разобраться подробно. Как минимум их знание поможет правильно определиться с выбором.

  1. Горизонтальная система геотермального отопления. Ее основное отличие заключается в горизонтальном положении внешнего теплообменника. Трубы, отбирающие тепло земли, располагаются параллельно поверхности земли, в чем и выражается основной недостаток системы. Именно эта схема геотермального отопления для своей установки потребует перерыть огромное количество придомовой территории.
  2. Вертикальное геотермальное отопление. В отличие от предыдущего варианта, система данного типа предусматривает вертикальное расположение внешнего теплообменника. Это уже не змеевик, а пара закольцованных труб, погруженных в скважину. Таких пар может быть много, но, невзирая на это, земляных работ, связанных с их установкой, производится меньше. В этом отношении вертикальное геотермальное отопление выглядит более привлекательно – за это удобство придется расплачиваться небольшим повышением энергопотребления. Здесь понадобится более мощный циркуляционный насос – в принципе, разница не слишком существенная.
    вертикальное геотермальное отопление фото

    Вертикальное геотермальное отопление фото

  3. Геотермальная система с размещаемым в воде теплообменником. Это горизонтальное геотермальное отопление, которое отличается от предыдущего варианта только тем, что внешний теплообменник погружается не в почву, а в близлежащий водоем. Система весьма прихотливая в плане установки – имеются некоторые ограничения, в первую очередь связанные с глубиной водоема. Он не должен быть мелким – промерзающие до дна «лужи» не слишком подходят для извлечения из них тепловой энергии.

Во всем остальном в плане эффективности работы, технических характеристик и других параметров это практически равноценные системы, которые, несмотря на свою сравнительную новизну, потихоньку уходят в историю. На смену им приходят более компактные и простые в плане монтажа системы, которые посредством того же теплового насоса извлекают энергию не из почвы или воды, а непосредственно из воздуха.

В заключение темы про геотермальное отопление дома скажу несколько слов по поводу возможностей системы. По большому счету, она умеет практически все тоже самое, что и стандартное отопление с использованием электрического или газового котла – она работает и на отопление, и на горячее водоснабжение. Такое отопление отлично подходит для обустройства теплых полов. Регулировка температуры в доме, как и во всех случаях, достаточно легко автоматизируется.

Автор статьи Александр Куликов

Преимущества и недостатки геотермального отопления

Объективными плюсами геотермального обогрева можно считать:

  • превосходный КПД;
  • солидный период службы (тепловой насос работает 2-3 десятилетия, а геологические зонды и вовсе до 100 лет);
  • стабильность работы практически при любых условиях;
  • отсутствие привязки к энергоносителям;
  • полная автономность.

Есть одна серьезная проблема, мешающая сделать геотермальное отопление действительно распространенным решением. Это, как показывают отзывы владельцев, высокая цена создаваемой конструкции. Чтобы обогреть обычный дом площадью 200 кв. м (не так уж и редко встречающийся), надо будет строить систему под ключ за 1 млн рублей, до 1/3 этой суммы стоит тепловой насос. Автоматизированные установки очень комфортны, и если все настроено правильно, могут работать годами без вмешательства людей. Все упирается только в наличие свободных средств. Еще одним минусом является зависимость от электропитания насосного узла.

Если разбираться подробно с преимуществами и недостатками геотермальной системы отопления дома, то можно прийти к выводу двоякости – в смысле того, что все преимущества этой системы полностью нейтрализуются ее немногочисленными недостатками. С другой стороны, это диковинка, с которой народ еще не до конца разобрался, и многие производители таких систем пользуются этим, выдавая желаемое за действительное.

  1. Возможность извлечения энергии в любом уголке земного шара и наличие поблизости вулканической активности – совсем необязательный фактор. Как и говорилось выше, нужна лишь незначительная разница в температуре – и тепло в доме гарантировано.
  2. Это абсолютно безвредный для окружающей среды способ добычи тепловой энергии. Если, конечно, не брать в учет возможные аварии во внешнем коллекторе и вытек антифриза, которым система заправляется крайне редко. В большинстве случаев для этой цели применяется обычная вода, но бывают и исключения.
  3. Неограниченное количество энергии. Понятие весьма расплывчатое. С одной стороны это так, и выбирать тепло из почвы можно в большом количестве, а с другой стороны этот фактор ограничен размерами внешнего теплообменника и разницей температур.
  4. Сравнительно небольшие расходы на эксплуатацию. Практически все производители тепловых геотермальных насосов заверяют, что при затратах 1 кВт электроэнергии, вырабатывается от 3 до 5 кВт тепловой энергии. Да, система эффективная, но полностью автономной ее можно будет назвать только в случае комплектации ее солнечными панелями. Другое дело, что в ней практически нечему ломаться – система способна работать безотказно на протяжении очень долгого срока.
Предлагаем ознакомиться  Мастер-флеш для дымохода преимущества, комплектация, особенности монтажа || Как выбрать мастер флеш для дымохода

Вроде все замечательно, но не обходится дело и без недостатков. К ним можно отнести следующие моменты.

  1. Дороговизна установки. На сегодняшний день геотермальное отопление тепловым насосом является самым дорогим теплоснабжением в плане монтажа и приобретения оборудования.
  2. Ко всему прочему, у такой системы весьма длительный срок окупаемости, который исчисляется десятком лет как минимум.
  3. Эффективность работы системы снижается с понижением температуры на улице в значительной степени. Существует даже такой предел, достигнув которого геотермальное отопление становится вообще неэффективным. В северных регионах целесообразность его использования остается под сомнением.
  4. Сложный монтаж, который под силу только специалистам – об изготовлении такой системы своими руками не может быть и речи.

Кроме всего прочего, для установки внешнего геотермального коллектора понадобится изрядно перерыть почву на придомовой территории, что, опять-таки, станет в немаленькую копейку. В принципе, решайте сами – вопрос, быть или не быть геотермальному отоплению в вашем доме, зависит только от вас.

геотермальное отопление тепловым насосом фото

Геотермальное отопление тепловым насосом фото

– по температуре: слаботермальные – до 40 °C, термальные – от 40 до 60 °C, высокотермальные – от 60 до 100 °C, перегретые – более 100 °C;

– по минерализации: ультрапресные – до 0,1 г сухого остатка на 1 л, пресные – 0,1-1,0 г/л, слабосолоноватые – 1,0-3,0 г/л, сильносолоноватые – 3,0-10,0 г/л, солёные – 10,0-35,0 г/л, рассольные – более 35,0 г/л;

– по общей жёсткости: очень мягкие, мягкие, средние, жёсткие, очень жёсткие;

– по кислотности: сильнокислые – до 3,5 рН, кислые – 3,5-5,5 рН, слабокислые – 5,5-6,8, нейтральные – 6,8-7,2 рН, слабощелочные – 7,2-8,5 рН, щелочные – более 8,5 рН;

– по газовому составу: сероводородные, сероводородно-углекислые, углекислые, азотно-углекислые, метановые, азотно-метановые и азотные;

– по газонасыщенности: слабые – до 100 мг/л, средние – 100-1000 мг/л, высокие – более 1000 мг/л.

– Верхне-Мутновская геотермальная электростанция (ГеоТЭС), установленной мощностью 12 МВт (2011 г.) и выработкой электроэнергии 69,5 млн кВт·ч/год (2010 г.). Расположена на Мутновском месторождении в Елизовском районе Камчатского края, вблизи Мутновской сопки;

– Мутновская геотермальная электростанция (ГеоТЭС), установленной мощностью 50 МВт (2011 г.) и выработкой электроэнергии 360,5 млн кВт·ч/год (2010 г.). Расположена на Мутновском месторождении в Елизовском районе Камчатского края, к северо-востоку от Мутновской сопки, на высоте около 800 метров над уровнем моря;

– Паужетская геотермальная электростанция (ГеоТЭС), установленной мощностью 14,5 МВт (2011 г.) и выработкой 43,1 млн кВт·ч/год (2011 г.). Расположена на Камбальском месторождении парогидротерм в юго-западной части Камчатского полуострова в посёлке Паужетка около вулканов Кошелева и Камбального. Это первая по времени строительства геотермальная электростанция России, введена в эксплуатацию в 1966 году;

– Океанская геотермальная электростанция (ГеоТЭС), установленной мощностью 2,5 МВт (2009 г.).  Расположена у подножия вулкана Баранского на острове Итуруп в Сахалинской области вблизи океана;

– Менделеевская геотермальная электростанция (ГеоТЭС), установленной мощностью 3,6 МВт (2009 г.). Расположена на острове Кунашир около вулкана Менделеева.

Расчеты

Основными параметрами, которые учитываются при любых расчетах, являются:

  • температура (глубина от 15-20 м и больше прогревается от 8 до 100 градусов в зависимости от создающихся условий);
  • значение извлекаемой мощности (средний показатель – 0,05 кВт на 1 м);
  • влияние климата, влажности и контакта с грунтовыми водами на теплоотдачу.

Что весьма интересно, полностью сухие породы отдают не более 25 Вт с 1 м, а если есть грунтовые воды, этот показатель вырастает до 100-110 Вт. Нельзя забывать, что стандартным временем работы теплового насоса является 1800 часов за год. Если превысить этот показатель, система не станет более эффективной, зато износ ее стремительно вырастет. Что гораздо хуже, чрезмерная эксплуатация теплового ресурса недр приводит к их остыванию и даже к промерзанию пород на рабочей глубине. Вслед за этим может проседать грунт, иногда повреждаются рабочие трубы и надземные сооружения.

Предлагаем ознакомиться  Труба круглая размеры таблица

Рекомендации по эксплуатации

Наиболее эффективная работа теплового насоса обеспечивается в помещениях, где температура воздуха составляет от 14 градусов тепла. При любой возможности стоит предпочитать вертикальное расположение контуров горизонтальному, потому что оно самое эффективное из всех. Судя по отзывам, в чистом виде геотермальный обогрев нерационален, он прогревает воду слишком долго, потому во многих случаях такая система выполняет сугубо вспомогательную роль. Чтобы добиться высочайшей результативности, следует ориентироваться на максимально допустимую интенсивность вовлечения теплового ресурса и расчетных дебитов скважины.

Если внизу расположены не сухие породы, а горячая вода, это практически оптимальная ситуация. Тогда появляется возможность сэкономить и получить максимальную выгоду. Но надо помнить, что если планируется попутно использовать горячие подземные источники для водоснабжения, вода в них должна соответствовать типовым санитарным требованиям. Когда химический анализ показывает присутствие агрессивных компонентов, целесообразно организовать два автономных контура, жидкость в которых не перемешивается, а происходит только обмен теплом. На стенах закрепляют компрессоры либо от холодильников, либо от кондиционеров.

Если проводка в доме довольно слабая, стоит применить пару компрессоров, чтобы сократить пусковой ток благодаря последовательному включению. При монтаже конденсаторов следует заботиться о движении в них фреона от верхней точки к нижней, а не наоборот. Чтобы коллектор стабильно работал и обогревал помещение, его площадь (для частного дома величиной 100 кв.

О том, что такое геотермальное отопление и как его установить, смотрите в следующем видео.

Наружный блок геотермального теплового насоса выглядит так. И что приятно, так это то, что работать они могут и на отопление и на охлаждение

– необходимость возобновляемого цикла поступления и обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт, на что требуется дополнительный расход энергии. Закачка отработанной воды необходима еще и для того, чтобы давление в водоносном пласте не упало, что приведет к уменьшению выработки геотермальной станции или её полной неработоспособности;

– в термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, свинца, цинка, кадмия), неметаллов (например, бора, мышьяка) и химических соединений (например, аммиака, фенолов, сероводорода, метана), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности, с одной стороны, и которые негативно влияют на работу оборудования, с другой, а потому подлежат извлечению и утилизации.

Последовательность работ

Теплоснабжение за счет подземных источников должно создаваться по строго проработанному алгоритму. Поскольку водяные и воздушные системы применяются ограниченно, большинство практически используемых вариантов подразумевает бурение скважин. И это еще одна причина, по которой не получится все сделать своими руками. Только специальная техника позволяет проникнуть на глубину 20-100 м, где и создаются необходимые условия для отопления. В качестве зондов допускается применение пластмассовых труб, рассчитанных на давление около 6 бар.

Чтобы повысить результативность системы, используют обвязки из 3 или 4 линий, конечные участки которых связываются в виде буквы U. Подогрев по контуру очень важен, благодаря ему исключается растрескивание труб при суровом морозе. Этот подогрев производится через протянутый в центр канала провод, по которому подается ток. Если не удается применить энергетические сваи, приходится использовать горизонтальные приемники. Для них готовится площадка с габаритами от 15х15 м, с нее убирают почву на глубину до 0,5 м.

Вся эта площадь нужна для укладки подобия зондов. Используют часто электротехнические маты либо трубы, обменивающие тепло. Чтобы повысить эффективность работы отопительной системы, применяют раскладку труб по спирали либо в виде «змейки». Нельзя точно сказать, что лучше – готовые комплексы, выпущенные серийно, либо самостоятельная сборка. В первом случае автоматически решается проблема совместимости, зато во втором возрастает гибкость, повышается потенциал модернизации (правда, внимания проектированию надо уделить больше).

Самодеятельные строители могут уйти от типового аккумулятора тепла с заменой его на стяжку из бетона. Геотермальный обогрев в подобной системе позволяет обойтись без значительных рывков температуры. Можно проводить эксперименты с различными теплоносителями, а также монтировать компрессоры с меняющейся производительностью. Рассчитав нагрузки как следует и правильно распределив тепло по потребляющим контурам, можно сделать систему эффективнее на 15-20%. Параллельно расходы на электропитание заметно сокращаются.

Горизонтально размещенные трубы закладываются на глубину 50-300 см. Чтобы площадь магистралей была наименьшей, их делают в виде витков. Но между отдельными двумя магистралями должно быть минимум 200 мм. Любым строительным работам должно предшествовать определение тепловой отдачи грунта. Если она менее 20 Вт на 1 кв.

Супер отопление
Adblock detector