Подземное геотермальное отопление дома теплом земли

Поиски альтернативных источников энергии привели к изобретению устройств, которые способны аккумулировать тепло, в большом количестве находящееся в окружающей среде человека. Солнечные лучи, гейзерные источники, грунт — все это в той или иной степени может удовлетворить потребности в нагреве теплоносителя для системы отопления и ГВС.

Хотя геотермальное отопление за счет тепла земли является относительно новым направлением, перспективы такого решения очевидны. Благодаря установке специального оборудования появляется возможность получения дешевого, практически бесконечного типа тепловой энергии.

Как получить тепло в дом из земли

Земля даже в зимний период времени не промерзает полностью. Этой особенностью пользуются монтажные бригады, прокладывающие трубопровод ниже точки замерзания. Удивительно, но температура этих слоев редко опускается ниже, чем +5 +7°C градусов.

Можно ли воспользоваться способностью земли аккумулировать тепло, извлечь его и использовать для нагрева теплоносителя? Конечно! Но чтобы сделать альтернативное отопление частного дома с помощью тепла земли возможным, потребуется решить следующие проблемы:

• • Получение тепла — понадобится аккумулировать тепловую энергию и направить ее в аккумулирующий резервуар.

• • Нагрев теплоносителя. Нагретый антифриз должен передать тепловую энергию жидкости, которая циркулирует в системе отопления и ГВС.

• Остывший антифриз необходимо отвести обратно к теплообменнику для дальнейшего нагрева.

Чтобы решить эти вопросы был разработан геотермальный насос с использованием тепла земли. Геотермальный тепловой насос позволяет извлечь количество тепла, которого более чем достаточно для производства большого количества тепла и использования в зависимости от конструкции и месторасположения дома в качестве основного или дополнительного отопительного оборудования.

Как работает геотермальное отопление дома, принцип работы

Подземное глубинное отопление из земли, это больше не фантастика. Такие установки можно спокойно купить в России. Причем геотермальные установки в состоянии работать как в условиях Севера, так и в южных широтах. Но какой принцип они используют в своей работе?

Еще в прошлом столетии был отмечен факт, что при испарении определенные типы жидкостей способны охлаждать поверхность. Именно это происходит когда протирают спиртом кожу перед уколом или поливают асфальтированную площадку, нагретую под солнцем. Этот принцип был взят в качестве основы для разработки холодильного оборудования.

Дальше возникла идея почему бы не пустить процесс охлаждения в обратную сторону и не получить вместо холодного горячий воздух. Большинство современных кондиционеров в состоянии не только охлаждать воздух в помещении, но и работать на его нагрев. Но недостатком таких устройств является то, что они ограничены температурой окружающей среды. Так, после того как отметка достигает -5 градусов, они прекращают работать.

Геотермальные насосы для отопления частных домов от земли полностью лишены такого недостатка, хотя используют принцип, во многом напоминающий работу кондиционера на нагрев помещения.

Как устроено геотермальное отопление

Как уже отмечалось, геотермальная система отопления из недр земли, во многом напоминает работу кондиционера в режиме нагрева. Что происходит в этот момент?

• • В нижних слоях грунта, на дне реки или озера устанавливают водяные коллекторы, по которым циркулирует антифриз. Коллекторы поглощают тепло и высвобождают холод.

• • Нагретый антифриз с помощью насоса поднимается наверх.

• • В буферном баке происходит теплообмен. Нагретый антифриз отдает тепловую энергию теплоносителю или нагревает воду.

• Остывший антифриз поступает обратно к коллекторам.

Геотермальное оборудование для использования тепла земли

Принцип работы глубинной системы отопления дома, за счет энергии земли, основан на применении особого оборудования. Оно выполняет следующие функции: аккумулирует тепло окружающей среды, передает его теплоносителю системы отопления. Для этого используют следующие узлы:

• • Испаритель — находится глубоко под землей. Функция испарителя заключается в том, чтобы поглотить тепловую энергию, находящуюся в окружающем грунте.

• • Конденсатор — доводит антифриз до необходимой температуры.

• • Тепловой насос — циркулирует антифриз в системе. Осуществляет контроль над работой всей установки.

• Буферный бак — собирает нагретый антифриз в одном месте, для передачи энергии теплоносителю. Состоит из внутреннего бака, в нем находится вода из системы отопления и внутренний змеевик, по которому движется нагретый антифриз.

Монтаж и установка геотермального отопления

Основная сложность относительно монтажа геотермального оборудования связана с установкой контура теплообменника в грунте-земле. Хотя в интернете можно найти большое количество советов как выполнить эти работы самостоятельно, практика показывает, что большинство советов невозможно применить без специального профильного образования, следовательно, все работы должны выполнять профессиональные монтажники, являющиеся представителями производителя.

После обращения к специалистам, геотермальные системы отопления частных домов за счет тепла земли устанавливаются в следующие несколько этапов:

1. 1. Выезд инженера на дом . Во время первого визита берутся пробы грунта, определяются особенности местности и принимается решение о наиболее эффективном монтаже геотермальной системы. На эффективность установки может влиять также источник предполагаемого тепла. Более производительным считается монтаж теплообменников на дне водоема или у истоков термических источников.

1. 1. Заключение договора и приобретение необходимого оборудования . Расценки могут существенно отличаться в зависимости от сложности проведения монтажных работ и других нюансов. Но в среднем, если выбран качественный немецкий производитель, стоимость установки будет приблизительно равняться его цене. Приобретение под ключ установки Vaillant для дома в 350 кв. м. обойдется приблизительно в 21 тыс. $

1. 1. Монтажные работы . Отопление частного дома подземными геотермальными источниками тепла, а точнее, его эффективность во многом зависит от правильного проведения работ на этапе монтажа. После того как водяные теплообменники будут установлены в грунт, выполняется подключение к геотермальной установке и системе отопления дома.

1. Пуско-наладочные работы . Инженер запускает систему и выполняет точную регулировку устройства. После настройки подписывается Акт о сдаче работ.

Эффективно ли геотермальное отопление на Севере

Чтобы создать минимальные условия необходимые для работы геотермальной установки, достаточно соблюдения следующих условий:

• • Температура слоя грунта, в котором расположены теплообменники, не должна опускаться ниже +5,+7°C градусов.

• • На протяжении всей системы, по которой протекает антифриз, созданы условия, позволяющие избежать его замерзания.

• Геотермальный обогрев загородного дома выполнен после проведения всех необходимых расчетов и проектной документации.

Если учесть все описанные требования становится ясно, что такие установки могут быть эффективными, при соблюдении вышеперечисленных условий. Все же для северных регионов более целесообразно использовать такие установки для нагрева небольших площадей до 150-200 кв. м.

Гейзерное отопление частного дома

Производительность геотермального насоса во многом зависит от температуры грунта или воды, в которых находится теплообменник. В этом отношении жители Камчатки находятся в более выгодном положении. На полуострое Камчатка находится огромное количество термальных источников — гейзеров, которые не остывают даже в зимнее время года.

Перед монтажом оборудования обязательно проводится геологическая разведка. Если теплый источник находится на территории дома, имеет смысл расположить теплообменники на дне этого водоема. Геотермальная энергия в таком случае окупится значительно быстрее.

Как с помощью геотермального насоса отопить дом

Технология обогрева дома подземным теплом наиболее востребована на Западе. Это в первую очередь связано с менталитетом жителей западных стран. Они привыкли делать долгосрочные инвестиции, которые полностью окупаются только через несколько лет. Да и немного найдется людей, которые в состоянии заплатить за установку оборудования около 20 тыс. $ единовременно. Но количество желающих стать независимыми от остальных источников отопления постоянно растет.

Альтернативные способы геотермального отопления дома становятся более популярными, особенно если учесть постоянно растущую стоимость газа.

Тепловая энергия буквально лежит под ногами. Дело только за тем, чтобы нагнуться и «поднять» ее. В этом может помочь геотермальная установка. Монтаж насоса позволяет в зависимости от местности либо полностью компенсировать потребности в тепловой энергии, или удовлетворить их частично, существенно снизив нагрузку на основной источник отопления и систему ГВС частого дома.

Как проложить и утеплить трубы отопления в земле?

Подземная прокладка тепломагистралей промышленного назначения – не редкость, так как расположить трубы большого диаметра над уровнем земли, особенно в городской черте, часто невозможно. Прокладку трубопровода отопления частного дома, если котельная расположена в отдельном здании, лучше выполнить над землёй, но иногда обстоятельства тоже вынуждают сделать это в траншее.

Прокладка труб отопления в земле лишает потребителя возможности визуального контроля состояния трубопровода, поэтому к качеству выполнения работ в данном случае предъявляются повышенные требования. Кроме того, на трубу отопления, заглублённую в грунт, влияет ряд дополнительных, специфических факторов, которые необходимо учитывать. Рассмотрим эти факторы и действующие правила выполнения необходимых работ, чтобы грамотно уложить трубы для отопления под землю.

Факторы, действующие на трубы отопления в грунте

Труба отопления, заглублённая в грунт, подвержена тем же воздействиям, что и трубопровод наружного исполнения, плюс факторы, обусловленные заглублением:

• внутреннее давление теплоносителя, вызывающее кольцевые и продольные растягивающие напряжения в сечении трубы;
• температура теплоносителя – фактор, кроме термического воздействия, также вызывающий напряжения трубопровода;
• температура грунта – в зимнее время учёт этого фактора особенно важен;
• деформации грунта – на трубу воздействуют любые его смещения (осадка, сдвиг и т.д.);
• напряжение предварительного изгиба трубопровода – профиль траншеи часто повторяет рельеф местности;
• вертикальная нагрузка – воздействие веса слоя засыпки траншеи;
• отпорное действие грунта на стенки и низ трубопровода – противодействие вертикальной нагрузке;
• вибрационные нагрузки – от проезжающего транспорта, земляных работ по соседству и т.д.;
• влага – осадки и грунтовые воды;
• воздействие химических веществ – соединения в составе грунта и теплоносителя;
• биологический фактор – бактерии, разложение.

Таким образом, укладка трубопровода в грунт должна производиться с учётом всех вышеперечисленных факторов и решением вопроса, как утеплить трубы отопления в земле.

Правила укладки трубопровода отопления в траншею

Уложенный в грунт трубопровод отопления контактирует с двумя средами – теплоносителем и грунтом. Параметры теплоносителя (температура, давление) и его химический состав (вода, антифриз) потребителю известны заранее – из характеристик обогревательного котла или от организации, эксплуатирующей тепловую магистраль, в которую планируется врезаться.

Остаётся правильно устроить траншею, если выбран траншейный способ монтажа трубопровода. Современные технологии позволяют выполнить прокладку труб в грунте и бестраншейным методом, имеющим несколько разновидностей.

Рытьё траншеи под трубопровод отопления

Важно! Перед началом устройства траншеи необходимо оформить в администрации населённого пункта разрешение на производство земляных работ, к которому будет приложен план расположения всех магистралей во избежание их повреждения и несчастных случаев.

Земляные работы по устройству траншеи начинают с планирования площади, по которой она будет проходить. Если на холмистой местности не выполнить планировку, то рельефы траншеи и площадки совпадут, трубопровод будет уложен волнообразно и ещё до засыпки окажется под воздействием предварительных напряжений.

После окончания планировки приступают к осевой разметке траншеи, которая выполняется по шнуру, натянутому на вбитые в грунт колышки.

Ширина траншеи по низу для укладки труб диаметром до 700 мм, согласно СНиП 2.05.06-85 «Подземная прокладка трубопроводов», определяется по формуле D (диаметр трубы) + 300 мм. Если работы проводятся вручную, то отклонение от этой величины не критично – приоритет отдаётся удобству выполнения работ.

Второй, более важный параметр – величина заглубления. Трубопровод отопления укладывается в грунт ниже отметки промерзания, которая зависит от региона и определяется табличным способом. Фрагмент таблицы из СНиП приведён для наглядности.

Для расчёта глубины залегания трубы к нужному значению глубины промерзания добавляют диаметр трубы плюс ещё 50 см. Расчёт глубины траншеи выполняют также с учётом свойств грунта нижней её части – если основание глинистое, то его выравнивают и уплотняют, после чего укладывают трубопровод. Если же дно траншеи – песчаное или с включением крупных обломков камня, то под трубопровод необходимо выполнить подушку толщиной 5-7 см из щебня фракции 20-40 мм, поверх которой насыпается слой глины такой же толщины и уплотняется. Делается это для того, чтобы вода не размыла основание под трубой, просадка которого приведёт к деформации трубопровода.

Параллельно этим работам даётся оценка вынутому при рытье траншеи грунту – из него удаляют крупные скальные включения, способные после засыпки повредить стенки трубы. Кроме того, необходимо запастись нужным количеством рыхлого материала для укладки его на трубопровод первым демпфирующим слоем.

Важно! Если устройство траншеи производится в зимний период, то перед укладкой трубопровода из неё удаляется снег и лёд.

Монтаж отопительного трубопровода

Для устройства трубопровода отопления используют трубы из стали или полимеров, диаметр которых рассчитывается в зависимости от отапливаемой площади, характеристик отопительного оборудования и параметров теплоносителя.

Соединение элементов отопительного трубопровода производят в зависимости от выбранного материала – сваркой или при помощи фитингов. Монтаж начинают в направлении от здания и выполняют одним из двух способов:

• выполняют сборку трубопровода на поверхности и затем опускают его в траншею;
• ведут монтаж в траншее, приподнимая крайний конец трубы до уровня поверхности для соединения со следующим фрагментом с укладкой стыка на основание по готовности.

Важно! Отметка по высоте начала подводящего отопительного трубопровода должна быть ниже конечной точки выпускного (сливного) патрубка системы отопления.

Теплоизоляция трубопровода

Оборудование трубопровода утеплителем выполняется не зависимо от материала трубы. Теплоизоляция позволяет уменьшить теплопотери и образование конденсата внутри трубы, а также замедлит процесс промерзания системы в случае непредвиденных заморозков при наличии в контуре воды.

Важно! Утепление трубопровода отопления не повышает температуру теплоносителя, а всего лишь задерживает на некоторый срок замерзание системы. Кроме того, материала для утепления с нулевым коэффициентом теплопроводности, обеспечивающим абсолютную теплоизоляцию, не существует – вода в контуре без поступления тепла всё равно замёрзнет.

Требования к утеплителю труб при монтаже системы в грунте:

• низкая теплопроводность;
• достаточная термостойкость – способность сохранять свои характеристики в контакте с горячей поверхностью трубы;
• гидрофобность – водостойкость и гидроизоляционные свойства;
• паропроницаемость – способность к быстрому просыханию при внештатном промокании;
• биологическая инертность – стойкость к бактериям;
• химическая устойчивость – инертность по отношению к содержащимся в земле химическим соединениям.

Видов утеплителя существует множество, и степень соответствия их предъявляемым требованиям разная, поэтому решение вопроса, чем утеплить теплопровод, должен решаться с привязкой к конкретным условиям эксплуатации.

Утепление минеральной ватой

• стекловата;
• каменная (базальтовая) вата.

При этом базальтовая вата предпочтительнее в силу меньшей степени гигроскопичности (способности накапливать влагу из окружающей среды) и малой усадки.

Лучше использовать фольгированный материал, армированный прошивкой по всей площади (стёганый), который прочнее и проще в работе. Утеплитель укладывается слоем фольги наружу.

Если трубы отопления стальные, то перед утеплением производится их антикоррозионная обработка – нанесение защитного лакокрасочного покрытия, качественным и бюджетным вариантом которого является раствор свинцового или железного сурика на основе натуральной олифы.

Для утепления трубопровода отопления диаметром до 150 мм удобно использовать линейный способ укладки минеральной ваты, когда нарезанные по размеру куски накладываются на трубу сверху и по спирали обвязываются вязальной проволокой, не допуская значительного уплотнения материала. Продольное соединение краёв утеплителя устраивается снизу с напуском друг на друга в 10 см, поперечное – также внахлёст.

Для защиты утеплителя от влаги поверх него устраивается гидроизоляция из рубероида в один слой, устраиваемая по такой же технологии.

Чтобы теплоизоляция выполняла свои функции, необходимо защитить её от повреждений, уплотнения под весом грунта и дополнительно изолировать от влаги. Для этого поверх рубероида крепятся защитные кожухи из оцинкованного железа или стеклопластика. Продольный стык кожуха выполняется с нахлёстом в 2-3 см и крепежом саморезами по металлу. Поперечные стыки кожухов между собой устраиваются также с напуском и обтяжкой хомутами.

Обработка контактных поверхностей продольных и поперечных стыков битумной мастикой перед соединением создаёт дополнительный барьер для влаги осадков и грунтовых вод.

Схематично окончательный результат выполнения теплоизоляции трубопровода отопления выглядит так:

Утепление скорлупой из минеральной ваты или пенополиуретана

Современный рынок предлагает более функциональные теплоизоляционные материалы, монтаж которых прост, а технические характеристики выше. Это готовые оболочки под определённый диаметр труб, называемые скорлупой.

Скорлупа из минеральной ваты представляет собой муфту с продольной прорезью или две продольные полумуфты для установки на трубопровод с последующей фиксацией обжимными хомутами. Для запорной арматуры и фигурных элементов трубопровода (отводы, тройники, переходники) также предусмотрены изолирующие оболочки соответствующей конфигурации.

Оболочки из пенополиуретана (ППУ), в зависимости от диаметра, состоят из двух или трёх частей, накладываемых на трубу в обхват и соединяющихся замковой системой выполнения стыков.

Оба утеплителя производятся также в виде готовых многослойных оболочек, защищённых снаружи стальным или стеклопластиковым кожухом с поперечными канавками на краях для установки обжимных хомутов при соединении.

Важно! Наружная защитная оболочка должна быть не только герметичной, но и достаточно жёсткой, чтобы защитить теплоизоляционный слой от уплотнения, которое в разы снижает его эффективность.

Монтаж участков трубопровода под проезжей частью

Если трубу отопления частного дома необходимо проложить под дорожкой, где ездит легковой автотранспорт, то ей необходима дополнительная защита от вертикальной нагрузки.

В такой ситуации поперёк дорожки роется траншея нужной глубины и в неё на подготовленное основание (планировка, устройство подушки, уплотнение) укладывается гильза – стальная труба с толщиной стенки от 5 мм. Труба для отопления на данном участке монтируется в земле через эту гильзу и с устройством внутри только теплоизоляции — в кожухах из оцинковки нет необходимости. На входе в гильзу и на выходе из неё выполняют пробки из монтажной пены, чтобы предотвратить проникновение в гильзу влаги.

Труба в гильзе не должна иметь стыков, так как в случае разгерметизации доступ к ним для производства ремонта будет сложным и трудоёмким.

Важно! Если защитную гильзу не использовать, а материал трубопровода – полимер, то величина заглубления трубы должна равняться сумме из глубины промерзания грунта, одного диаметра трубы и ещё 1 м.

Засыпка траншеи

К засыпке траншеи приступают после проверки системы отопления в действии — если опрессовка контура выявит дефекты в его герметичности, необходимо будет их устранять.

Засыпка траншеи – ответственный этап работ, от правильности выполнения которого зависит равномерность распределения нагрузок и долговечность участка трубопровода в земле.

Засыпку траншеи начинают с укладки мягкого пластичного грунта по бокам трубы (в пазухи). Выполняется это равномерно по всей длине трубопровода, не допуская его смещения в стороны. Уложенный по бокам грунт тщательно уплотняется, после чего из этого же материала выполняется засыпка трубопровода защитным слоем не менее 15 см по всей ширине и длине траншеи согласно требованиям СНиП. Уплотнение этого слоя выполняется в меньшей степени – это необходимое условие формирования над трубой прочного защитного свода из грунта, опирающегося в большей степени на пазухи по бокам трубы.

После окончания уплотнения защитного слоя траншею засыпают полностью грунтом, вынутым при рытье, удаляя из него крупные камни. Засыпку необходимо выполнять равномерно по всей длине траншеи, не допуская образования участков трубы с большой разницей в вертикальной нагрузке от грунта.

Равномерно растущая нагрузка от засыпки будет принята в большей степени защитным грунтовым сводом над трубой, а остаточная величина усилия на сжатие для трубы не страшна – она рассчитана на него.

Если же траншею заполнять отдельными участками, то разница в вертикальной нагрузке на засыпанный и открытый сегменты трубопровода приведёт к возникновению усилий на разрыв, которым труба сопротивляется хуже.

Бестраншейные способы укладки трубопровода

Существуют технологии прокладки трубопровода в грунте без устройства траншей.

Такие способы имеют целью:

• уменьшить объёмы земляных работ – выигрыш во времени и затратах;
• свести к минимуму ущерб инфраструктуре – меньше затрат на восстановление декоративных и дорожных покрытий, непредвиденных повреждений магистралей;
• прокладывать трубы по прямой, не огибая препятствий малой степени сложности;
• минимизировать ущерб от производства земляных работ окружающей среде.

На сегодняшний день в промышленности применяются следующие бестраншейные способы:

Санация – это замена старых труб новыми, которая, в свою очередь, производится двумя способами: релайнингом и методом реновации.

Релайнинг основан на протяжке внутри рабочего трубопровода новой полимерной трубы меньшего диаметра с сохранением старой в качестве защитной оболочки.

Реновация – установка новой трубы взамен изношенной с разрушением старой, обломки которой также будут защищать новую магистраль от наружных повреждений.

Прокалывание (продавливание) — это соединение двух вырытых на нужную глубину котлованов проколом, выполненным на определённой высоте стенки.

Из перечисленных способов в быту исполним только метод релайнинга. В один конец старой трубы вставляют тросс и проталкивают его до выхода из другого конца. Затем к троссу крепят новую плеть и тянут его обратно. Возможность применения данного метода зависит от ряда факторов:

• состояние просвета старого трубопровода;
• диаметр новой трубы;
• гибкость новой плети;
• протяжённость ремонтируемого участка;
• соотношение диаметров старого и нового трубопровода.

При благоприятном сочетании перечисленных факторов техническое исполнение монтажа новой трубы не представляет сложности. Однако всё это применимо к протяжке новой линии без теплоизоляции, а состояние утеплителя старой трубы вряд ли будет удовлетворительным. Так как утеплить трубы отопления внутри старой линии не представляется возможным, то применительно к обогреву метод теряет привлекательность.

Поэтому при устройстве трубопроводов отопления с заглублением в грунт в условиях частного жилья без рытья траншеи или, как минимум, альтернативной укладки трубы на грунт с засыпкой, не обойтись.