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) — это раздел геофизики, изучающий тепловое состояние, распределение температуры и ее источников в недрах Земли, тепловую историю Земли.
Геотермальная энергия — это «бесплатая» энергия земли, извлекаемая из почвы, атмосферы или грунтовых вод. Получение такой «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 этих систем. Геотермальные системы становятся нормой жизни для крупных застройщиков и малого бизнеса.
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 термоагент — 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. Итак, для извлечения тепла из земли пока еще требуется другой вид энергии, в основном, электрической.
Однако, затратив на работу 1 кВт, тепловой насос отдает на выходе примерно 3–4,5 кВт. 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 во многих странах для отопления и охлаждения коттеджей, промышленных объектов, деловых центров и т.п., при этом оборудование может использоваться для зданий любой площади. 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.
В этом материале речь пойдет об отопительных системах на основе грунтовых тепловых насосов. Одним из наиболее экономичных решений для организации отопления малоэтажных зданий (коттедж, таунхаус, 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. 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, 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. 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.
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 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. 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.
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, климат-контроллера, 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 Заргенсе (Швейцария), детский дом Orange House of the Tabaluga Children’s Foundation в Тутцинге (Германия), офисные комплексы в Германии, промышленные объекты в Швейцарии 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 и Stiebel Eltron полностью устроило заказчиков.
Другой пример использования геотермальных систем в России: автозаправочная 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 двухтрех лет в зависимости от условий объекта. 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».
