В любое время года, независимо от климатических условий, температура в поверхностном слое земли на определенной глубине постоянно держится на примерно одинаковом уровне, каждые 100 м увеличиваясь на 3 °C. При этом на поверхности температура земли может быть любой.
Температура земли на глубине
Температура земли на глубине нескольких метров относительно постоянна, таким образом, с помощью геотермальных систем можно обеспечить свой дом постоянным притоком тепловой энергии, за которую не нужно платить. Несомненным плюсом здесь является и то, что энергия, данная самой природой является экологически чистой.
Геотермия (греч.: geo — земля; therm — тепло) — раздел геофизики, изучающий тепловое состояние, распределение температуры и ее источников в недрах Земли, тепловую историю Земли. Геотермальная энергия — энергия земли, извлекаемая из почвы, атмосферы или грунтовых вод. Получение «бесплатной» энергии все же требует некоторых денежных затрат на геотермальное оборудование, однако крупнейшие инженерные компании предлагают все более доступные решения для массового потребителя, в частности, владельцев загородных домов, а также малых и средних предприятий — небольших офисов, магазинов, складов, АЗС и т.п.
Одно из главных достижений разработчиков — сокращение сроков окупаемости геотермальных систем. Геотермальные системы становятся нормой жизни для крупных застройщиков и малого бизнеса. Но наибольший рост применения геотермальных решений ожидается в частном загородном строительстве.
Игра на разнице
Энергия земли используется для отопления помещений и подогрева воды. Также с помощью геотермальных установок можно аккумулировать тепловую энергию и охлаждать помещения. Геотермальные системы функционируют по принципу теплообменника. Так, в поверхностном слое земли до 400 м вглубь циркулируют грунтовые воды, которые нагревают почву.
В это время, агент — теплоемкий раствор — проходит подземные области по грунтовому коллектору и собирает энергию или отдает ее. Современная геотермальная система представляет собой комплекс из грунтового теплообменника, системы труб, заполненных теплоемким раствором (например, солевым), и теплового насоса.
Принцип функционирования ТН
Солевой раствор, проходя через теплообменник, забирает тепло, благодаря которому переходит из жидкого состояния в газообразное. При этом источник тепла (грунт) охлаждается на несколько градусов. Компрессор всасывает газообразную рабочую среду и сжимает ее. За счет увеличения давления происходит повышение температуры. Поскольку речь идет о компрессоре с охлаждением, энергия, производимая двигателем, не утрачивается, а вместе со сжатой рабочей средой направляется в конденсатор.
Через теплообменник конденсатора тепло передается в систему водяного отопления. Данный процесс требует определенных затрат электроэнергии. Итак, для извлечения тепла из земли пока еще требуется другой вид энергии, в основном, электрической. Однако затратив на работу один киловатт электроэнергии, тепловой насос отдает на выходе примерно 3–4,5 кВт тепловой энергии. Выгода очевидна особенно в тех случаях, когда отсутствует возможность подведения магистрального газа, либо использование электрических мощностей ограничено.
В последнем случае тепловой насос «увеличит» уже имеющиеся киловатты электричества в несколько раз, и мощности станет достаточно для полноценного отопления, охлаждения и горячего водоснабжения здания. При этом, затраты на электричество не вырастут.
Какие бывают решения
Сегодня геотермальные установки используют для отопления и охлаждения коттеджей, промышленных объектов, деловых центров и т.п. во многих странах, при этом площадь зданий может быть любой: все зависит от мощности теплового насоса и качества инженерных расчетов. В качестве отопительного оборудования часто используются системы «теплый пол». Оба типа устройств — и тепловой насос, и система напольного отопления — являются низкотемпературными, то есть работают при температурах до +55 °C, что обеспечивает максимальную эффективность.
Одним из наиболее экономичных решений для организации отопления небольших зданий (дом на одну или несколько семей, отдельно стоящие магазин или офис, АЗС, склад) является комбинация «тепловой насос–горизонтальный грунтовой коллектор». Данное решение требует минимального объема капиталовложений, но отличается достаточно высоким КПД.
Горизонтальный грунтовой коллектор Uponor
Для монтажа системы необходимо выделить относительно большую открытую площадь. Коллекторы монтируются на небольшой глубине — до 5 м. Монтаж производится без устройства песчаной подушки, что также минимизирует затраты. Трубопроводная система не требует обслуживания: трубы из поперечно сшитого полиэтилена, срок службы которых составляет более 50 лет (например, трубы PE-Xa производства Uponor), закладываются один раз. Устройство горизонтальных грунтовых коллекторов для обогрева зданий требует тщательных расчетов, они могут быть ограниченно применены для охлаждения.
При проектировании необходимо принимать во внимание температуру и состояние грунта, рабочие температуры систем отопления/охлаждения — все это оказывает влияние на эффективность и производительность теплового насоса. Вертикальные грунтовые коллекторы (зонды) — это теплообменники, состоящие из одной или двух параллельных труб U-образной формы, вертикально установленных в грунте. Такой тип коллектора может монтироваться на ограниченной площади практически в любом типе грунта.
Вертикальный грунтовой коллектор (зонд)
Системы с вертикальными коллекторами менее подвержены колебаниям температуры грунта, чем горизонтальные, поскольку на глубине более 15 м она относительно постоянна. Вертикальные грунтовые коллекторы наилучшим образом подходят не только для отопления, но и охлаждения. В отличие от традиционных труб из полиэтилена, молекулярные цепи в трубах Uponor PE-Xa связаны и располагаются одна под другой.
Это повышает износостойкость и устойчивость к влиянию температур. Главным свойством данных труб является, так называемый, эффект памяти: исключительная способность материала возвращаться к своей первоначальной форме. Если расширить трубу специальным инструментом, то в течение короткого периода времени ее расширенная часть примет свой изначальный вид. Благодаря этому материал не нуждается в дополнительной герметизации.
Именно так обеспечивается стопроцентно надежное соединение труб без применения уплотнительных колец. Оригинальное и эффективное решение для отопления и охлаждения офисных зданий и крупных промышленных объектов — это энергетические сваи, в которые монтируются один или несколько трубопроводов. Первые здания, опирающиеся на них, были построены в Германии еще в конце прошлого века.
С помощью энергетических свай появляется возможность интегрировать геотермальный теплообменник напрямую в свайный фундамент. Сваи могут быть как готовыми (забивные сваи), так и изготавливаться непосредственно на объекте (винтовые или буронабивные сваи из монолитного бетона).
Энергетические сваи со встроенными трубопроводами
Энергетические сваи рекомендуется использовать в качестве переменного накопителя — для чередования режимов отопления и охлаждения. Энергетические сваи можно считать выгодным вложением для инвесторов, поскольку их установка позволяет совместить затраты на фундамент и устройство грунтового теплообменника, а в последующем экономить на энергопотреблении. Еще одно решение для организации отопления и охлаждения жилых домов малой и средней площади, небольших промышленных зданий — энергетические корзины, или энергетические петли.
Энергетические корзины
Подобные системы монтируют там, где невозможно установить вертикальный и горизонтальный коллектор, например, в случае невозможности глубокого бурения, или недостатка свободного места. Энергетические корзины идеально подходят для геотермальных систем без теплового насоса, таких как станции пассивного охлаждения Uponor EPG6. За счет отсутствия самого дорогостоящего компонента это решение является одним из самых доступных в линейке геотермальных систем.
Для нормальной работы станции необходимо всего 3 % от потребляемой электроэнергии сплит-системой кондиционирования сопоставимой мощности. Принцип работы Uponor EPG6 основан на том факте, что температура почвы на глубине 2–4 м не поднимается выше 12–13 °C даже в самый жаркий летний месяц.
Система Uponor EPG6 состоит из циркуляционного насоса с электронным управлением, климатконтроллера, набора датчиков, компактного теплообменника и запорно-регулирующей арматуры. Станция пассивного охлаждения Uponor EPG6 может дополнить уже ранее установленное в здании оборудование, такое как газовый или твердотопливный котел и т.д.
Теория и практика
В Европе геотермальными системами уже оснащены многие жилые, и промышленные здания, в том числе общественно-деловой центр в Заргенсе, промышленные объекты в Швейцарии, детский дом Orange House of the Tabaluga Children’s Foundation в Тутцинге, офисные комплексы в Германии и др. Теперь геотермальные установки работают и в России. Так, в Центре городского развития инновационного центра Сколково «Гиперкубе» площадью 6700 м2 функционирует геотермальная система, состоящая из теплового насоса Stiebel Eltron и 13 зондов Uponor, длиной 80 м каждый.
Тепловой насос обеспечивает здание энергией для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения. Важную роль в выборе системы для отопления/охлаждения объекта в Сколково сыграла энергоэффективность системы. В данном случае геотермальное отопление в 4,5 раза выгоднее стандартного электрического отопления. Кроме того, в Сколково предъявляются довольно высокие требования к материалам и комплектующим, которые должны использоваться на объекте, и оборудование Uponor/Stiebel Eltron полностью устроило заказчиков.
Другой пример использования геотермальных систем в России: АЗС станция «Лукойл», площадью в 336 м2, во Внуково, где был установлен тепловой насос Stiebel Eltron (32,6 кВт), восемь 60-метровых зондов и система теплых полов, что позволило обеспечить отопление, охлаждение и горячее водоснабжение. Для АЗС геотермальная энергия стала идеальным решением с точки зрения эксплуатационных затрат и пожаробезопасности: самое дешевое топливо (газ) на бензоколонках использовать запрещается, а отопление всего комплекса электричеством обходится достаточно дорого.
Тепловые насосы в сочетании с грунтовыми коллекторами успешно применяются в сегменте малоэтажной жилой застройки. По словам Тимура Жаркова, руководителя направления «Системы внутреннего климата» ЗАО «Упонор Рус»: «Сегодня средний срок окупаемости затрат на геотермальную установку составляет шесть-восемь лет, доходя в некоторых случаях до двух-трех лет, в зависимости от условий объекта. Расчеты проводились компанией Uponor совместно с производителем тепловых насосов Stiebel Eltron».
Использование геотермальный энергии — это простой и экономичный способ отопления и охлаждения помещений, который позволяет не только удовлетворить текущие потребности, но и внести свой посильный вклад в сохранение экологичного будущего нашей планеты. Те, кто применяют данные технологии, уже сейчас оценили преимущество своей независимости от поставщиков энергоносителей.
