Земные недра – известный с древнейших времен источник тепла. На глубине 6 метров от поверхности грунта начинается область стабильной температуры, которая круглогодично равняется средней годовой температуре атмосферы региона (примерно +15 ⁰С в умеренной климатической зоне). Поговорим про минусы геотермального отопления.

Сегодня тепло Земных недр активно используется для организации геотермального отопления.
Разумеется, несмотря на неиссякаемость тепловой энергии грунта, организация геотермального отопления сопряжена со множественными сложностями, как технического, так и экономического характера. С точки зрения финансовой выгоды, установка геотермальной системы уступает традиционному твердотопливному, газовому и электрическому обогреву.

Главные недостатки геотермального отопления

1. Необходимость электрической энергии. Простейшая геотермальная система требует для получения 4 (кВт) тепловой энергии не менее 1 (кВт) электричества.

Забор тепла от грунта не происходит сам по себе. Для теплообмена обязательно и непременно используется насос. Случись что с электросетью, отопительный контур сразу перестанет обеспечивать объект теплом, так как тепловой насос остановится без электропитания.

2. Низкий уровень теплоотдачи. Традиционная горизонтальная система геотермального отопления, которая уходит под землю на глубину 15-30 метров, обеспечивает лишь 40 (Вт) тепловой энергии с каждого погонного метра подземной магистрали.

Для получения 4 (кВт) тепловой энергии нужно задействовать не менее 100 (м) трубопроводного контура. Если же планируется отапливать объект общей площадью 250 (м2) (высота потолка 2,5-3 метра), нужно задействовать систему отопления мощностью не менее 27,5 (кВт). Для работы такого оборудования понадобится минимум 688 метров погонных подземного трубопровода.

Это далеко не все недостатки геотермального теплового насоса.

3. Ограниченная сфера применения. Геотермальное отопление возможно установить далеко не на каждом объекте. К примеру, отапливать отдельную квартиру в многоэтажке или какой-нибудь магазин в центральных районах города точно не получится. Разрабатывать грунт на территории густонаселенных жилмассивов вряд ли кто-то разрешит.

Другое дело, если геотермальное отопление организовывается на территории жилищного объекта из частного сектора или для какого-нибудь предприятия на окраине города.

4. Высокая стоимость установки геотермального отопления. Само оборудование для организации геотермального отопления стоит минимум в 10 раз дороже аналогичной по мощности газовой техники.

Но покупка оборудования является далеко не полной статьей расходов. В сумму установки геотермального отопления нужно дополнительно включить расходы на создание и обустройство подземных коммуникаций. Не нужно забывать и про пусконаладочные работы, а также обслуживание.

Геотермальное отопление обходится очень дорого.

5. Длительная окупаемость. Срок окупаемости среднестатистической геотермальной системы во многом превышает 10-15 лет. Большой срок окупаемости обусловлен высокой стоимостью оборудования и монтажа коммуникаций.

Для сравнения, традиционный бытовой газовый котел мощностью до 12 (кВт) окупается в среднем за 5 лет.

Несколько исторических фактов

Когда в 70-е годы прошедшего столетия разразился нефтяной кризис, на Западе возникла жгучая потребность в альтернативных источниках энергии. Именно в тут пору и стали создаваться первые геотермальные отопительные системы.

Сегодня они получили широкое распространение в Соединенных Штатах, в Канаде и в западноевропейских государствах.

Галерея изображений Фото из Перспективы геотермального отопления Габариты внутреннего блока геотермальной системы Стоимость установки и эксплуатации теплового насоса Экологические приоритеты теплонасосов

Например, в Швеции активно используют воду Балтийского моря, температура которой составляет +4°С. В Германии внедрение геотермальных отопительных систем даже спонсируется на государственном уровне.

При упоминании геотермальных источников энергии мы всегда представляем себе долину гейзеров или вулканы, но нужные нам источники гораздо ближе. И они помогут нам согреться зимой и охладиться летом

В России действуют Паужетская, Верхне-Мутновская, Океанская и другие геотермальные электростанции. Но фактов использования энергии Земли в нашем частном секторе очень мало.

Об источниках геотермального отопления

Для геотермального отопления можно использовать следующие источники земной тепловой энергии:

  • высокотемпературные;
  • низкотемпературные.

К высокотемпературным относятся, например, термальные источники. Использовать-то их можно, но область их применения ограничивается фактическим местом нахождения таких источников.

Если в Исландии этот вид энергии активно применяется, то в России термальные воды находятся далеко от населенных пунктов. Максимально они сконцентрированы на Камчатке, где подземную воду применяют в качестве теплоносителя и поставляют в системы ГВС.

Для эффективного использования тепловой энергии земли не нужен вулкан. Достаточно использовать те ресурсы, которые находятся всего в 200 метрах от земной поверхности

Зато для применения низкотемпературных источников у нас имеются все необходимые предпосылки. Для этой цели подойдут окружающие воздушные массы, земля или вода.

Для извлечения нужной энергии используют тепловой насос. С его помощью происходит процедура преобразования температуры окружающей среды в тепловую энергию не только отопления, но и горячего водоснабжения частного домовладения.

Галерея изображений Фото из Забор бесплатного тепла грунтовой воды и горных пород Наружный теплообменник системы земля-вода Наружный теплообменник в естественном водоеме Геотермальная скважина теплового насоса

Принцип работы такого отопления

Если вы знакомы с тем, как работает кондиционер или холодильник, то схожесть этих процессов с принципом функционирования геотермального отопления очевидна. Основу системы составляет тепловой насос, который включается в два контура – внешний и внутренний.

Чтобы организовать традиционную систему отопления в любом доме, необходимо смонтировать в нем трубы для транспортировки теплоносителя, и радиаторы, при нагревании которых тепло будет поступать в помещения. В нашем случае трубы и радиаторы тоже нужны. Они и образуют внутренний контур системы. В схему могут быть добавлены теплые полы.

Внешний контур выглядит гораздо масштабнее внутреннего, хотя его размеры можно оценить только в период планировки и монтажа. В процессе эксплуатации он невиден, поскольку находится под землей или под водой. Внутри этого контура циркулирует обычная вода или антифриз на основе этиленгликоля, что гораздо предпочтительнее.

В состав геотермальной системы отопления входят два контура – внутренний и внешний, а так же сердце отопительной системы – тепловой насос, который, сжимая теплоноситель, повышает его температуру (+) Теплоноситель во внешнем контуре прогревается до состояния среды, в которую он погружен, и отправляется в «подогретом» виде в тепловой насос. Через него сконцентрированное тепло сообщается внутреннему контуру, в результате чего вода в трубах, радиаторах и теплых полах нагревается.

Таким образом, ключевым элементом, оживляющим всю систему, является тепловой насос. Если в вашем доме есть обыкновенная стиральная машинка, то знайте: этот насос займет приблизительно аналогичную площадь.

Для работы ему нужна электроэнергия, но, потребляя всего 1 кВт, он обеспечивает выработку 4-5 кВт тепла. И это не чудо, поскольку источник «добавочной» энергии известен – это окружающая среда.

Два вида расположения теплообменника

Имеются два варианта отопления частного дома с использованием низкотемпературной энергии элементов окружающей среды. Основу системы во всех трех случаях составляет геотермальный насос.

Внутренний контур остаётся без изменений для любого способа отопления, а основное различие заключается в расположении внешнего контура.

Геотермальное отопление бывает с теплообменником, расположенным:

  • вертикально – располагаются в скважинах, вскрывающих или не вскрывающих водоносный пласт;
  • горизонтально – теплообменники систем укладывают в котлован или открытый водоем в виде своеобразного змеевика.

Каждый из приведенных здесь видов отопления характеризуется своими особенностями, недостатками и преимуществами.

Если вы намерены создать такую систему отопления собственными руками, вам будет интересно узнать о каждом из видов подробнее.

Галерея изображений Фото из Вертикальный способ размещения коллектора Группа вертикальных петель коллектора теплонасоса Внешний коллектор теплового насоса для большого дома Горизонтальный теплозаборник насоса земля-вода Укладка коллектора наружного блока в траншею Установка теплообменника в виде группы корзин Укладка трубопровода по стенкам и дну котлована Соркращение площади зачет дополнения скважинами

Вариант #1. Вертикальное размещение внешнего коллектора

Этот вид отопления основан на интересном природном явлении: на глубине 50-100 м и более от своей поверхности земля круглогодично имеет одинаковую и постоянную температуру 10-12°С.

Чтобы иметь возможность использовать эту энергию земли, необходимо бурить вертикальные скважины. Технология практически аналогична с подготовкой водозаборного источника.

С целью максимального сохранения ландшафта можно пробурить несколько труб с одной исходной точки, но под разными углами.

Внешний контур системы будет смонтирован непосредственно в этих скважинах. Это позволит эффективно отобрать у земли её тепло. Разумеется, этот способ трудно назвать простым и малобюджетным.

Для создания вертикальной системы геотермального отопления нужно использовать оборудование для бурения скважин, без применения буровой установки решение задач по устройству системы будет довольно трудоемким (+)

Актуален он в том случае, когда прилегающая к дому территория уже обустроена, и нарушение её ландшафта нецелесообразно. Глубина бурения скважины может достигать от 50 до 200 метров.

Конкретные параметры скважины зависят от геологической обстановки на участке и параметров будущего сооружения. Срок службы такой конструкции составляет примерно 100 лет.

Для устройства вертикального варианта системы с теплообменником, извлекающим энергию подземной воды, потребуется пробурить две водоносные скважины.

Из одной из них, именуемой дебетовой, с помощью насоса производится забор воды, которая после передачи тепла сливается во вторую, приемную выработку.

Минус геотермальной системы с двумя скважинами в недостаточной эффективности для обогрева загородного дома. Слишком много энергии тратит циркуляционный насос. Зато для поставки теплоносителя контуру теплого пола получаемой тепловой энергии вполне достаточно

Вариант #2. Горизонтальное расположение грунтового коллектора

Чтобы уложить внешний контур при горизонтальном виде отопления, нужно знать, на какую глубину промерзает земля в вашей местности.

Трубы укладывают ниже уровня промерзания в заранее подготовленные траншеи, захватывая при этом довольно большое пространство: чтобы отопить дом, площадь которого составляет 200-250 кв. м, нужно использовать примерно 600 кв. м теплообменника. То есть шесть соток.

Недостатком этой конструкции является большая площадь, которую она занимает. Если вам нужна на участке лужайка, покрытая травой и цветами – это ваш вариант. А от плодоносящих деревьев трубы коллектора лучше держать подальше (+)

Понятно, что при таких условиях, объём земляных работ будет значительным. Кроме того, нужно учесть в плане расположение деревьев и прочей растительности на участке, чтобы не заморозить их. Например, нельзя располагать трубы коллектора ближе, чем в полутора метрах от деревьев.

Этот способ монтажа используют, как правило, в тех случаях, когда участок только осваивается под строительство. Все расчеты и планы по постройке коттеджа, организации его отопления и планировке земельного участка лучше всего выполнять одновременно.

Галерея изображений Фото из Укладка теплозаборного коллектора в котлован Подсоединение коллектора к трубам выхода и входа в дом Подключение к накопительному водонагревателю Обустройство площадки с внешним коллектором

Погружение горизонтального теплообменника в водоём

Этот способ требует особого расположения домовладения – на расстоянии примерно в 100 м от водоёма, имеющего достаточную глубину. Кроме того, указанный водоём не должен промерзать до самого дна, где и будет расположен внешний контур системы. А для этого площадь водоёма не может быть меньше 200 кв. м.

Этот вариант размещения теплообменника считается наименее затратным, но подобное расположение домовладения все-таки встречается не часто. Кроме того, могут возникать сложности, если водоём относится к объектам общего пользования

Очевидным преимуществом этого метода является отсутствие обязательных трудоёмких земляных работ, хотя с подводным расположением коллектора все-таки придется повозиться. И специальное разрешение на проведение таких работ тоже понадобится.

Впрочем, геотермальная установка, использующая энергию воды, все-таки является наиболее экономичной.

Схемы геотермальных систем отопления

Существует 3 схемы обустройства геотермального отопления, но все эти варианты требуют, чтобы площадь внешнего контура была минимум в 2,5 раза больше отапливаемой площади дома.

Иллюстрации Рекомендации
Горизонтальная закладка.

По этой схеме рядом с домом выкапывается котлован глубиной ниже точки промерзания хотя бы на 1,5–2 м, а площадь котлована должна в 2,5 раза превышать площадь дома.

Вот и представьте, для большей части России под дом в 100 м² нужно копать котлован площадью в 250 м² и глубиной от 3 м.

Подводный вариант.

В теории этот вариант намного легче. Смысл в том, что на дно водоема укладывается внешний контур и нагревается от воды.

  • Но водоем нужен глубокий от 4 м, чтобы в самые лютые морозы контур был под водой, а не во льду;
  • Дом должен стоять не далее 100 м от водоема, плюс от воды и до дома контур нужно утеплять;
  • Нет гарантии, что какой-нибудь рыбак не порвет вашу систему.
Скважины.

На мой взгляд, скважинный вариант самый лучший. Вы один раз нанимаете бригаду бурильщиков, и они обустраивают нужное количество скважин, причем довольно быстро и рядом с домом.

Существенным плюсом здесь выступает еще и то, что на больших глубинах температура земли выше, а значит, система будет намного эффективней.

Два мифа о геотермальном отоплении

Безусловно, таких мифов существует намного больше, но я взял только те, которые не выходят за рамки здравого смысла.

Миф №1: гейзеры

Действительно, когда люди слышат об использовании тепловой энергии земли, их воображение сразу рисует картинки с гейзерами, вулканами и кипящими озерами. Естественно человек считает, что раз рядом никаких вулканов нет, то и задумываться о геотермальном отоплении не стоит.

Не стану вас обманывать, для отопления дома гейзеры и прочие подобные вещи использовать можно. Проблема лишь в том, что таких мест в нашей стране немного.

Мутновская ГеоЭС в долине гейзеров на Камчатке.

Наверняка многие слышали о термине — точка промерзания грунта. Для тех, кто не в курсе поясню, точкой промерзания называют уровень, до которого земля промерзает зимой. Ниже этой точки температура всегда плюсовая, в зависимости от глубины 3–15ºС. Так вот, этого достаточно, чтобы при помощи специальной аппаратуры обустроить отопление.

Миф №2: геотермальный обогрев — это вечный двигатель

Из школьного курса физики нам известно, что вечного двигателя в принципе не существует, по крайне мере на данный момент. Отсюда относительно просвещенная часть населения делает вывод, что геотермального отопления быть не может и людей просто кто-то пытается в очередной раз обмануть.

Эффективность теплонасоса.

Корни этого заблуждения кроются в очень высокой эффективности геотермальной системы. Ведь здесь на 1 кВт затраченной электроэнергии вы получаете порядка 3–5 кВт тепловой энергии для отопления дома. Такая эффективность достигается за счет использования теплового насоса, о котором я расскажу чуть позже.

Геотермальная энергия используется по двум основным направлениям — теплоснабжение и получение электрической энергии. Разработан ряд технологий и эффективное оборудование для получения как отдельно тепловой и электрической энергии, так и для их комбинированного производства.

В данное время наиболее распространено использование термальной воды для отопления и горячего водоснабжения, а также пароводяных смесей для производства электроэнергии.

Широкое применение теплоты Земли ограничено рядом трудностей, среди которых наиболее существенным является малый удельный тепловой поток (глубинный тепловой поток, отнесенный к единице поверхности Земли за единицу времени). Для использования геотермального потока необходимо разработать методы и способы его концентрации, а также передачи к местам применения. Проблематичной является унификация технологических схем и оборудования геоТЭС, так как каждое геотермальное месторождение отличается от других рядом своих уникальных характеристик — геотогическими свойствами, тепловым потенпиатом, химическим составом и другим.

В настоящее время при добыче термальной воды используется в основном фонтанный метод (самоизливание воды). Разработаны интенсивные технологии, в процессе которых отработанная вода, имеющая большую степень минерализации, закачивается обратно, однако переход на эти технологии далеко не всегда осуществим.

При внедрении интенсивного метода разработки с поддержанием теплового давления открываются принципиально новые возможности использования термальных вод для теплоэнергетических целей. Сравнение различных способов разработки месторождений (по величине коэффициента изъятия) показывает эффективность этого метода. Его внедрение связано с освоением технологии создания подземных циркуляционных систем. Для этого необходимо решать ряд вопросов — создание зон повышенного проникновения, изучение процессов фильтрации и теплопереноса. Перспективной является технология использования энергии сухих горячих скальных пород, которая основана на бурении параллельных буровых скважин, создании между ними (методом гидроразрыва) трещин с последующей подачей через образованную систему холодной воды для получения пара или пароводяной смеси.

В Российской Федерации разрабатываются комбинированные схемы использования геотермальных источников в качестве теплоносителя для подогрева воды на тепловых электростанциях, что обеспечивает достаточно заметную экономию органического топлива и увеличивает КПД преобразования низкопотенциальной энергии. Такие комбинированные схемы позволяют использовать для производства электроэнергии теплоносители с начальными температурами 70…80 °С, что значительно ниже принятых в данное время (150 °С и выше). В политехническом институте Санкт-Петербурга созданы гидропаровые турбины, использование которых на геоТЭС позволит увеличивать полезную мощность двухконтурных систем (второй контур — водяной пар) в диапазоне температур 20…200 °С в среднем на 22 %. Значительно повышается эффективность применения термальных вод при их комплексном использовании. При этом в различных технологических процессах можно достичь наиболее полной реализации теплового потенциала воды, в том числе и остаточного, а также получить ценные компоненты воды (йод, бром, литий, цезий, кухонная соль, глауберова соль, борная кислота и много других) для их промышленного применения.

Технико-экономический анализ показывает, что при современной технологии изъятия внутриземного тепла экономически обоснованными являются системы с глубиной буровой скважины до 3 км. Тепловой потенциал 90 % геотермальных вод на данной глубине не превышает 100 °С. При этом преимущественным является геотермальное теплоснабжение, в результате применения которого замещение органического топлива больше, чем при производстве электроэнергии

Геотермальные электростанции имеют ряд особенностей:

• наличие постоянного излишка энергоресурсов, который обеспечивает использование полной установленной мощности оборудования геоТЭС;

• достаточно простая автоматизация;

• последствия возможных аварий ограничиваются зоной станции;

• удельные капиталовложения и себестоимость электроэнергии ниже, чем в энергосистемах на основе других возобновляемых источников энергии.

ГеоТЭС можно разделить на три основных типа:

1) станции, работающие на месторождениях сухого пара;

2) станции с испарителем, работающие на месторождениях горячей воды под давлением (иногда с насосом на дне буровой скважины для обеспечения необходимого объема поступающего энергоносителя);

3) станции с бинарным циклом, в которых геотермальная теплота передается вторичной жидкости (например, фреону или изобутану) и происходит классический цикл Ренкина (такие геоТЭС работают на месторождениях сильно минерализованной горячей воды).

Удельные капитальные вложения на геоТЭС с подземным циркуляционным циклом снижаются в 1,7 раза, а при веденные затраты — в 1,9…2,2 раза; при этом на каждый киловатт установленной мощности обеспечивается экономия

1,5 т у, т, в год.

Опыт эксплуатации геоТЭС подтверждает их высокую экономическую эффективность по сравнению с традиционными типами электростанций. Так, удельные затраты на построение геоТЭС в США в среднем на 38 % ниже, чем на сооружение АЭС, и па 50 % ниже, чем на строительство угольных ТЭС; стоимость электроэнергии на 25…30 % ниже, чем на традиционных электростанциях.

Следует, однако, отметить, что технико-экономические параметры геоТЭС изменяются в широких пределах и в значительной мере зависят от геологических характеристик месторождений, но ограничены величиной 2500…3000 долл. США/кВт. В этом случае себестоимость полученной электроэнергии составляет не менее 0,2…0,25 долл. СШАДкВт • ч). На практике большинство введенных в действие геоТЭС намного дешевле (1200…2000 долл. США), себестоимость электроэнергии, полученной на геоТЭС, приближается к себестоимости электроэнергии, полученной на угольных ТЭС.

С точки зрения экологии активное промышленное освоение геотермальных источников энергии может давать некоторый отрицательный эффект. Геотермальная вода содержит много примесей, которые в небольшом количестве не являются угрозой (соли различных металлов, сероводород), а также вредные вещества (мышьяк, бор); кроме того, выделяются углекислый газ, метан, аммиак. Хотя эти показатели значительно меньше, чем соответствующие показатели при эксплуатации традиционных энергетических систем, их необходимо учитывать. Кроме того, выход на поверхность значительных объемов воды может ухудшать состояние грунтов и грунтовых вод в зоне эксплуатации (заболоченность и засоление).

Применение новых эффективных технологий позволит свести к минимуму неблагоприятное влияние на окружающую среду, а также получить дополнительный экономический эффект за счет добычи ценных компонентов.

Дата публикации: 16.04.2013

Вывод

Конечно, минусы данного типа отопления хорошенько компенсируются преимуществами геотермальных систем. Стоит отметить, что геотермальное отопление не наносит вреда экологии. Если вы приверженец “зеленой энергетики” и не сильно ограничены в бюджете, то грех не использовать геотермальную энергию.

Еще одним важным преимуществом геотермальных коммуникаций является неприхотливость к обслуживанию. Так же как и к хорошему холодильнику, к геотермальному насосу можно не подходить для сервиса на протяжении первых 30 лет точно.

Рубрики: Статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *