Геотермальные системы

На фоне постоянно повышающегося уровня загрязнения планеты, человечество находится в беспрерывном поиске новых, экологически чистых способов получения энергии. Одной из таких альтернатив является использование геотермальной энергии.Геотермальные тепловые системы используют землю в качестве источника и рассеивателя тепла. Любая геотермальная система включает в себя несколько обязательных компонентов – геотермальный тепловой насос (ГТН), находящийся, как правило, внутри здания, теплообменник (контур труб, располагающийся под землей), и воду (или антифриз), циркулирующая по контуру и отдающая свое тепло тепловому насосу.

 

 

Геотермальный тепловой насос (ГТН)
Геотермальные тепловые насосы используются с середины 20 века. Принцип их работы основывается на использовании постоянных температур земли. Благодаря неизменности температур под землей, системы с геотермальными теплонасосами необычайно эффективны даже самой холодной зимой.

Известно, что воздух сильно подвержен сезонным температурным колебаниям, в то время как температура земли на глубине 0,5 м остается практически неизменной в любое время года. В зависимости от широты температура почвы варьируется от 7°C до 21°C. Зимой температура почвы теплее, чем температура воздуха, в то время как летом – наоборот. ГТН использует эту разницу для теплообмена с землей посредством теплообменника.

Как и любой другой тепловой насос, ГТН может использоваться как для обогрева, так и для охлаждения дома, а также для его снабжения горячей водой. Некоторые модели геотермальных систем оснащены двухрежимными компрессорами, позволяющими сделать потребление тепла более экономичным. По сравнению с тепловыми насосами, использующими воздух в качестве источника тепла, ГТН работают гораздо тише, служат дольше и нуждаются в меньшем уходе, а также абсолютно не зависят от температуры воздуха снаружи.

Хотя установка геотермальной системы является весьма дорогостоящей, расходы окупаются уже через 5-10 лет. Срок службы компонентов системы, находящихся в помещении, составляет 25 лет, в то время как наружный трубопровод может работать 50 лет и более.

Классификация геотермальных систем.
Геотермальные системы бывают 4 видов, три из которых (горизонтальная, вертикальная и водоемная) относятся к замкнутым системам. Что касается четвертой, то она основывается на открытом контуре труб. Каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки. Выбор наиболее подходящей конфигурации во многом определяется климатом, состоянием почвы, доступностью свободной площади и стоимостью установки. Все 4 вида подходят как для жилого, так и для коммерческого сектора.

 

Принцип работы этих систем основывается на циркуляции воды (или антифриза) по замкнутому контуру, находящемуся под землей. Длина контура определяется температурой, влажностью и теплопроводимостью почвы, а также дизайном системы.

1. Геотермальный тепловой насос с горизонтальным теплообменником
Этот довольно экономичный тип геотермальных систем наиболее эффективен при наличии поверхности необходимой площади. Для его установки на глубине не менее метра от поверхности земли роются траншеи, в которые горизонтально укладываются трубы. Траншеи располагаются на расстоянии 1,0-2,5 метра друг от друга. Наиболее распространена схема, при которой используются две трубы, одна из которых располагается на глубине 2 м, в то время как другая укладывается на глубине 1,3 м. Часто используется и другая конфигурация, при которой две трубы располагаются рядом друг с другом, в одной траншее шириной в 0,5 м, находящейся на глубине 1,65 м. Известен также метод под названием Slinky, при котором трубы укладываются в форме петель, что позволяет разместить больше труб в траншее ограниченной длины. Такой вид горизонтальной укладки может использоваться в местах, которые, казалось бы, совсем не пригодны для горизонтального размещения трубопровода.

2.Геотермальный тепловой насос с вертикальным теплообменником

Для установки этой системы в земле, на глубину до 200 метров бурят скважины, каждая из которых находится на расстоянии 5-10 метров от соседних. В каждую скважину опускаются две трубы. В самом низу эти трубы соединяются друг с другом посредством U-образного колена, образуя петли. Вверху петли соединяются при помощи горизонтальных трубок, уложенных в траншеи. Одна из этих трубок подводит всю систему к тепловому насосу. Преимущество вертикальной системы состоит в том, что ее установка наносит минимальный вред ландшафту. Кроме того, ее применение целесообразно при твердом грунте, препятствующем установке горизонтальных систем. Более того, вертикальная система требует меньшую длину труб, чем горизонтальная. Однако, вертикальная система, является более дорогой по сравнению с горизонтальной, поскольку стоимость ее установки включает и стоимость буровых работ.

3.Тепловой насос с закрытым водоемным циклом
Это особый вид замкнутой геотермальной системы, отличающийся повышенной экономичностью, При наличии достаточно глубокого водоема, на его дне кольцами размещаются трубы, по которым идет перекачка воды из водоема. К водоему предъявляются высокие требования – он должен быть определенной глубины и объема.

 

Эта простая и функциональная система применяется на протяжении нескольких десятков лет. В отличие от замкнутых систем, в данном случае используются грунтовые воды. Принцип работы установки состоит в следующем: грунтовые воды, выкачиваемые из водоносного слоя почвы через колодец, проходят через теплообменник, после чего уже в охлажденном виде возвращаются в почву через другой колодец, расположенный в некотором удалении от первого. Благодаря тому, что температура грунтовых вод остается неизменной круглый год, геотермальные системы с открытым циклом завоевали большую популярность. Очевидно, что открытая система может устанавливаться только там, где почва содержит достаточное количество грунтовых вод. При открытом цикле обязательно строгое соблюдение всех норм по возврату воды в почву.

 

Геологические, гидрологические и пространственные характеристики земельного участка играют ключевую роль в выборе геотермальной системы.

 

Такие факторы, как состав и свойства почвы, а также наличие горных пород, должны обязательно приниматься во внимание. Так, при наличии почвы с хорошими теплопроводящими свойствами, системе требуется меньше труб для аккумулирования определенного количества энергии, чем при наличии почвы с плохой теплопроводимостью. Количество имеющейся почвы тоже имеет значение – если ее слой слишком тонок, чтобы копать канавы, а в земле содержится много горных пород, предпочтение стоит отдать вертикальной системе.

 

Гидрология
Наличие грунтовых вод также определяет выбор геотермальной системы. Значение имеет глубина, качество и объем воды, как грунтовой, так и водоемной. Перед приобретением открытой системы необходимо убедиться в том, что компания, устанавливающая оборудование, провела тщательную оценку гидрологической ситуации на участке. Это поможет избежать серьезных проблем в будущем, таких как истощение водоносного слоя и загрязнение грунтовых вод. Антифриз, циркулирующий по замкнутой системе, как правило, не представляет значительной угрозы для окружающей среды.

Доступность земли
Площадь доступной земли, ландшафт участка и расположение подземных коммуникаций также влияют на дизайн геотермальной системы. Так, системы с горизонтальным контуром (известные как наиболее экономичные) чаще используются в еще строящихся зданиях, окруженных большим участком земли. Вертикальные системы, а также компактные конфигурации Slinky принято устанавливать в уже построенных зданиях, поскольку их монтаж требует минимального вмешательства в ландшафт.

Установка геотермальных систем
Так как для установки геотермальной системы необходимы глубокие знания и специальные навыки, не стоит браться за эту работу самостоятельно. Столь ответственную миссию лучше доверить специалистам. Компания, занимающаяся установкой геотермальных систем, должна иметь соответствующие сертификаты и обладать должным опытом в данной сфере. Перед выбором компании-подрядчика рекомендуется связаться с ее бывшими клиентами и удостоверится, что установленная компанией система работает без каких-либо сбоев. Это поможет не ошибиться в выборе компании и сэкономить средства на ремонт системы.