Разбираемся насколько выгодно геотермальное отопление частного дома

Выбирая вариант обогрева индивидуального жилья или производственных построек, обращают внимание в первую очередь на доступность и стоимость топлива в месте строительства. Важно представлять размеры финансовых и трудовых вложений в период монтажа оборудования, эксплуатационные расходы, а также эффективность будущей системы в конкретных условиях эксплуатации.

Геотермальное отопление частного дома преподносится маркетологами в качестве универсального решения для любых случаев, что не совсем верно. В статье собран материал, помогающий понять, что и по какой цене предлагают застройщику, а также сравнить этот вид отопления с другими способами.

Преимущества и недостатки геотермальных тепловых насосов

Опыта массовой и, главное, продолжительной эксплуатации тепловых насосов в России немного. Пользователи разделились на два противоположных лагеря: на тех, кто хвалит систему отопления (сюда же стоит отнести продавцов и монтажников) и противников, столкнувшихся с трудностями эксплуатации или недобросовестными компаниями-установщиками.

На основании отзывов можно сделать выводы о достоинствах и недостатках тепловых насосов.

Достоинства проявляются при качественном проектировании, верном выборе оборудования, соблюдении правил монтажа.

Устройство и принцип работы геотермального отопления

Наглядно увидеть как работает тепловой насос можно на примере бытового холодильника или сплит-системы. Если дотронуться до радиатора на тыльной стороне холодильника, он окажется горячим, в то же время стенки морозильной камеры будут охлаждены.

В похожем режиме работают разнесённые в пространстве кондиционеры – внутренний блок охлаждён и служит источником прохлады, наружный блок сбрасывает на улицу тепло. В реверсном режиме сплит-система греет воздух в помещении.

В тепловом насосе, предназначенном для отопления, внешний блок забирает тепло из воздуха, грунта или воды, для чего прокладывают внешние контуры из труб. В водяных контурах возможна перекачка воды, вход и выход в этом случае располагают на расстоянии около 20 метров. После преобразований в центральном блоке тепло поступает в дом.

В состав геотермальной системы отопления входят:

1. Непосредственно тепловой насос с компрессором, испарителем, конденсатором и дроссельным клапаном.
2. Контур низкотемпературного тепла.
3. Контуры обогрева помещений (водяной или жидкостный) и подогрева воды.

В основе работы заложены работы Николя Леонара Сади Карно, одного из видных учёных, изучавших термодинамику на стадии становления этой науки. Подробно алгоритм работы заключается в следующем:

1. Теплоноситель внешнего контура перекачивается по трубам. За время движения жидкость нагревается на несколько градусов от тепла земли, воды или воздуха.
2. Внешний контур проходит через теплообменник-испаритель, где нагревает хладагент, например, фреон, который испаряется. Кроме того, хладагент поступает в испаритель через капиллярное отверстие и резко расширяется, что также способствует нагреванию.
3. Компрессор сжимает нагретый хладагент, ещё больше повышая температуру фреона.
4. Горячий сжатый хладагент поступает в конденсатор, где, охлаждаясь и превращаясь из пара в жидкость, отдаёт тепло теплоносителю системы отопления, циркулирующему уже по трубам отопления. Другой вариант — нагревает воздух, который распределяется по помещениям.
5. Далее хладагент вновь поступает в испаритель, где нагревается новой порцией теплоносителя, циркулирующего во внешнем контуре.

Часто задают вопрос: откуда получается КПД тепловых насосов 300-700%. Это происходит благодаря тому, что теплоноситель внешнего контура выходит из насоса имея температуру от -15°C до +7^оС и нагревается грунтом (водой, воздухом) до на 2-8°С, т.е. «забирает» часть энергии из внешних источников. Хладагент в насосе испаряется не только за счёт работы компрессора, но и из-за поступившего извне тепла.

Важно! Точные цифры температуры теплоносителя внешнего контура могут меняться у разного оборудования, но, чтобы тепловой насос выполнял свои функции, теплоноситель должен нагреваться хотя бы на 2-4 градуса. В противном случае экономический эффект отсутствует или даже получается отрицательным.

Способы организации геотермального отопления

Геотермальные системы отопления классифицируют по нескольким признакам:

1. Комбинации среды прокладки внешнего контура и виду теплоносителя внутреннего контура.
2. Способу прокладки тепловых зондов (контуров) в грунте или воде – вертикальный или горизонтальный.

Первый параметр указан производителем оборудования. Например, обычная сплит-система будет относиться к классу «воздух-воздух», забирать тепло из воздуха улицы и отдавать в помещения.

Насос «грунт-вода» забирает тепло земли и греет жидкий теплоноситель системы отопления. Параметр «вода-воздух» подразумевает конструкторское решение, при котором внешний контур расположен в воде (внешнем водоёме или в скважине), а тепло по дому распределяется потоками нагретого воздуха.

Выбор того или иного способа зависит от условий эксплуатации.

Обоснование выбора класса оборудования

Один из главных параметров на который обращают внимание при покупке тепловых насосов – это коэффициент трансформации теплоты COP (coefficient of performance). Он может быть равен от 1 до 7, иными словами: 1 кВт электроэнергии преобразуется в 1-7 кВт тепловой мощности. Важно понимать, что реальный коэффициент геотермальных тепловых насосов будет меньше заявленного в паспорте, так как для работы потребуются затраты электроэнергии на перекачку теплоносителя по внешнему контуру, и чем он длиннее, тем больше будут эти затраты.

На практике и по отзывам пользователей следует рассчитывать на СОР равный 2,5-3,2 если вести учёт в течение всего периода эксплуатации – температура грунта и воды постепенно меняется в зависимости от климатических условий.

В большей степени выбор среды, откуда будет забираться тепло, зависит от климатических условий региона и геологических особенностей места строительства.

Оборудование с внешним контуром, расположенным в воде, выбирают, если:

• водоём является частным прудом;
• глубина скважины до подземных вод не превышает 20 метров (в некоторых регионах до 45 метров).

Если эти условия не соблюдаются, то необходима лицензия на право пользования недрами. Если при проверке контролирующими органами лицензии не окажется, то оборудование придётся остановить и заплатить штраф до нескольких миллионов рублей.

Кроме того, важным является расстояние от водоёма до дома, если оно свыше 25-30 метров, то эффективность резко снижается – потребуется дополнительные расходы на перекачку теплоносителя и утепление трубопровода.

Размещение внешнего контура в грунте на своём участке не запрещается, но следует правильно выбрать способ расположения труб – горизонтальный или вертикальный.

В зависимости от состава грунта, с одного метра горизонтальной трубы можно снимать до 50 Вт тепловой мощности. Однако это справедливо для глинистых грунтов. Песчаники и суглинки могут отдать от 12 до 25 Вт/м, а для теплового насоса мощностью 10 кВт может понадобиться внешний горизонтальный контур длиной от 200 до 700 м. Для его размещения понадобится участок 450 м². Размещение труб кольцами не эффективно, так как теплоноситель охлаждает грунт вокруг себя и соседние кольца просто не будут эффективно прогреваться.

Важно! В течение зимы грунт постепенно вымораживается, становится холоднее и СОР падает к февралю-марту, так как теплоноситель уже меньше нагревается.

По отзывам владельцев участков в месте, где размещён горизонтальный контур теплового насоса через несколько лет эксплуатации меняется структура грунта, хуже растут овощные растения и землю используют только под газон. Не сажают в таких местах и деревья с мощной корневой системой, которая может разрушить трубы.

Оптимальной считают вертикальную систему проколов или скважин, в которых размещают несколько контуров, расходящихся в разные стороны. На большой глубине температура земли стабильнее и мало зависит от климата. Для выводов труб оборудуют колодец, в котором размещают коллекторы. Скважины бурят под углом к горизонту и располагают по окружности – так снижается влияние каждого контура друг на друга.

Можно ли сделать все своими руками

Собрать геотермальную систему отопления своими руками в теории можно, но на практике сделать это трудно, если не невозможно.

Понадобится большой объём земляных работ при горизонтальной укладке контура. Трубы размещают минимум на 0,5 метра ниже уровня промерзания грунта, т.е. всего придётся копать землю на глубину 2-2,5 м. Грунт необходимо где-то складировать и размещать на время прокладки труб.

Бурение скважин общей глубиной до 200 м потребует специального дорогостоящего оборудования, сделать такой объём работы своими руками невозможно. Самостоятельно приступать к укладке контура целесообразно только при наличии в пользовании технических средств: экскаватора, самосвала, бульдозера или буровой установки.

Экономическое обоснование использования геотермальных тепловых насосов

Выбор того или иного способа отопления дома зависит от многих параметров:

• технической возможности и стоимости подключения к сетям поставки энергоресурсов (газ, электричество);
• стоимости оборудования и монтажных работ;
• сроков эксплуатации установленного оборудования;
• эксплуатационных расходов на энергоресурсы и техническое обслуживание системы в течение срока эксплуатации.

В статье сравним затраты на отопление дома площадью в 200 м² на протяжении 10 лет эксплуатации разными способами: магистральным газом, электричеством, газом из индивидуального газгольдера, тепловым насосом, питаемым электроэнергией.

Изначальные и эксплуатационные расходы

В смету на изготовление полной системы отопления, организованной с помощью теплового насоса входит цена:

• насоса необходимой мощности;
• труб внешнего контура;
• дополнительного оборудования – циркуляционного насоса, расширительного и накопительного баков;
• труб для обустройства «тёплого пола» или воздуховодов для распределения тепла по помещениям;
• запорной и регулирующей аппаратуры;
• монтажных и пусконаладочных работ.

Мощность насоса должна на 10–15% превышать тепловые потери дома через стены, пол потолок, двери и окна. В среднем считают, что для Средней Полосы дом 200 м² потребует установки насоса мощностью 13 кВт для отопления и ещё около 700 Вт уйдёт на подготовку горячей воды для санитарных нужд. Таким образом, необходимо приобрести тепловой насос мощностью 14 кВт.

Цена такого оборудования у разных производителей колеблется от 210 000 рублей в базовой до 500 000 рублей в премиум комплектации.

Длина труб коллектора будет зависеть от структуры почвы:

• сухой песок отдаёт 10 Вт/м длины трубы диаметром 25 мм;
• сухая глина – 20 Вт/м;
• влажная глина – 25 Вт/м;
• глина с большим содержанием грунтовых вод – до 35 Вт/м.

Таким образом, длина контура составит от 400 до 1 200 м.

Вертикальные контуры выгоднее по теплоотдаче:

• осадочные породы отдают 20 Вт/м;
• каменистая почва и влажные осадочные породы с грунтовыми водами – 50 Вт/м;
• подземные воды – до 70 Вт/м.

Исходя из показателей, общая глубина скважин составит от 200 до 700 м, что в 2 раза меньше, чем при горизонтальном расположении. В грунте с хорошей теплоотдачей для дома 200 м² бурят 3 скважины длиной по 75 метров.

Для обеспечения необходимой мощности циркуляционный насос должен обеспечивать прокачку теплоносителя через контур в объёме 5 м³/час.

В первичном контуре теплонасосной станции устанавливают расширительный бак, ёмкость которого должна составлять 10% от объёма теплоносителя. Его можно узнать, рассчитав внутренний объём труб. Например, 1 м трубы с внутренним диаметром 32 мм содержит 0,8 литра жидкости.

В обратной ветке контура устанавливают накопительный бак объёмом 10-20 литров на 1 кВт мощности насоса, т.е. в нашем случае для насоса 14 кВт потребуется ёмкость объёмом 140-280 литров. Необходимость бака обусловлена тем, что насос без накопительного бака будет работать непрерывно – это снижает срок эксплуатации.

Узнать стоимость оснащения дома тепловым насосом без учёта внутренней разводки можно с помощью калькуляторов, представленных на сайтах производителей оборудования и монтажных организаций. Цены колеблются для разных регионов. Готовые системы под ключ (со стоимостью работ и оборудования) специализированные организации готовы изготовить по цене от 670 тысяч в регионах до 1,5 млн. рублей в Московской области.

Точных данных о сроках эксплуатации систем в России пока нет, но зарубежный опыт показывает, что в среднем тепловые насосы «грунт-вода» служат до замены около 50 лет.

Сравнение стоимости отопления для разных энергоносителей

Средние данные по стоимости оборудования дома и расходам на отопление дома площадью 200 м² системами с разными энергоносителями приведены в таблице ниже.

*— взят тариф на электроэнергию в среднем 2,52 кВт/ч в сельской местности и 4,8 в городских условиях.

В таблице приведены максимальный расход денежных средств на отопление. В реальной практике затраты несколько ниже, так как в течение отопительного периода случаются продолжительные оттепели, когда оборудование работает в режиме 40-50% мощности.

Геотермальные тепловые насосы набирают всё большую популярность в нашей стране. Принимая решение оборудовать дом именно этой системой, нельзя слепо верить обещанием продавцов. У этого типа оборудования есть недостатки, а расчёт и монтаж следует поручить известным компаниям, изучив максимальное количество отзывов об их работе.