Геотермальное отопление: что это такое, принцип работы системы и варианты для частного дома за счет тепла земли, отзывы владельцев

Суть геотермальной энергии заключается в использовании естественного тепла земли на глубине 1,5 м. Этот один из альтернативных способов обогрева активно используется на промышленных предприятиях, сельских фермах, в жилых домах. Наибольший эффект достигается в регионах, где температура опускается ниже -20 градусов.

Большая часть нашей страны, за Уралом в Сибири на Дальнем востоке, не может похвастаться умеренно холодными зимами как в европейской части России. За частую столбик термометра опускается ниже отметки -40 -45 градусов. Широко известные и доступные воздушные тепловые насосы в этих условиях теряют свою актуальность, так как самые продвинутые модели способны эффективно работать с низкопотенциальным источником тепла температурой до -20.

В это же время, грунт и вода укрытые снегом, сохраняют большое количество теплоты. Температура земли ниже точки промерзания всегда сохраняет положительные значения +8 +12. Логично в этой ситуации отказаться от легкодоступного низкопотенциального источника воздуха в пользу более стабильной и теплоёмкой земли и воды.

Так же следует заметить, что КПД теплового насоса, а точнее его COP на прямую зависит от температуры источника. Чем теплее, тем эффективней процесс преобразования энергии.

Что такое геотермальная энергия?

Геотермальная энергия — результат солнечного излучения. Она накапливается в земле. Этим низкопотенциальным теплом можно отапливать жилые здания. В качестве источника такой энергии можно использовать:

• природные и технические водоемы;
• бросовое тепло;
• геотермальные зонды.

Как видим, геотермальное отопление дома использует природное тепло планеты.

Первые системы такого вида начали применяться в 70-х годах прошлого столетия. Сейчас они распространены в Западной Европе, США, Канаде. К примеру, в Швеции тепло Балтийского моря применяют для обогрева многоквартирных домов. Геотермальную энергетику в нашей стране рассматривают в качестве нетрадиционной. Тепло земного шара принято считать альтернативным источником.

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.

Воздушные коллекторы

Подземное отопление частного дома можно реализовать и с помощью воздушных коллекторов. Это более простой способ воздушного отопления в частном доме по сравнению с двумя предыдущими. Чтобы нагреть воздух в помещении до комфортной температуры, требуется определенное количество тепла. Чем ниже первоначальная температура, тем выше затраты. С помощью вентиляционной системы и тепла, полученного из грунта, можно бесплатно повысить температуру воздуха в доме. Обогрев теплом земли в данном случае происходит весьма просто. Для организации системы отопления нужно:

• вывести воздухозабор вентиляции ниже уровня промерзания грунта;
• проложить изогнутый, прямой или многотрубный коллектор с помощью обычных канализационных труб (форма выбирается в зависимости от участка, на каждый квадратный метр площади дома должно приходиться 1,5 метра коллектора);
• сделать воздухоотвод на дальнем от дома конце коллектора, выведя трубу на высоту минимум 1,5 метров от земли и оборудовав ее зонтом-дефлектором (разумеется, приток воздуха в дом будет принудительным.

В этом случае земляное отопление не сможет полностью обеспечить дом теплом. Тем не менее, оно дает возможность реализовать две идеи:

1. Поступающий через вентиляцию воздух можно подогревать любым обогревателем (газовым теплогенератором, соляровым, электрическим и пр.) и затем разводить по комнатам с помощью вентиляционных каналов. Полностью бесплатным такое отопление от земли не будет, но все же затраты уменьшатся: нагреваться станет не холодный уличный воздух, а тот, который уже прогрет примерно до +10 градусов. Особенно хорошо можно сэкономить, если зимы в регионе холодные.
2. Нагретый с помощью тепла земли воздух можно использовать для обдува внешнего блока обычного кондиционера или теплового насоса типа «воздух-воздух». Любое устройство данного класса сможет эффективно работать при температуре около +10 градусов. Сложность реализации заключается лишь в обеспечении нужного воздушного потока. В результате воздух прогревается теплом грунта, поступает к тепловому насосу и отводится за пределы дома.

Отопление теплом земли – хорошая альтернатива традиционным способам обогрева, но в настоящее время оно не является широко распространенным (про

Состав систем

Геотермальная система отопления дома состоит из теплового насоса и теплообменника. Кроме них сюда же входит безвредная и незамерзающая жидкость (антифриз). Она циркулирует по трубопроводу контура и собирает накопившуюся в земле тепловую энергию. В испарителях теплонасосов энергия антифриза передается в хладагент. В результате он остывает приблизительно на 3 градуса.

Далее температуру хладагента повышают при помощи компрессора. Тепловую энергию из этого вещества через конденсатор передают в воду, циркулирующую в отопительной системе дома. Ее же можно использовать для нагрева бытовой воды в теплонакопителях.

Эффективность работы такой системы во-многом зависит от климата местности. Если точнее — от степени прогрева земли. При низком содержании тепла в ней, здание отапливаться не сможет. Температура грунта не должна быть ниже +5-+7 градусов. Наиболее эффективным способом считается подключение к системе «Теплый пол».

Геотермальные насосы, использующие тепло земли для отопления дома

Отопление за счет энергии земли происходит благодаря специальному устройству – геотермальному насосу. Принцип его работы аналогичен холодильнику:

• газообразный хладагент сжимается компрессором, и при этом сильно нагревается;
• хладагент проходит через теплообменник, отдавая избыток тепла и остывая до комнатной температуры;
• после охлаждения это вещество поступает в охлаждающий контур морозильной камеры, где оно потом расширяется. В результате изменения агрегатного состояния с жидкого до газообразного, хладагент резко остывает и охлаждает все вокруг себя;
• затем он вновь поступает к компрессору, и цикл повторяется снова.

Аналогично происходит и отопление дома энергией земли. Например, холодильник отбирает тепло у холодного объекта и передает его теплому предмету, таким образом, тепло переносится от морозилки с минусовой температурой в помещение. Количество перекачиваемой энергии в несколько раз больше потребляемого компрессором электричества.

Отопление от тепла земли отличается высокой эффективностью – тепловая мощность в три раза превышает количество потребляемого электричества. Если сравнивать тепловой насос с холодильником, то в данном случае грунт, имеющий постоянную температуру, заменяет морозильную камеру.

При создании системы отопления нужно установить не только радиаторы для отдачи тепла, но и теплообменник на второй стороне контура, который станет забирать у грунта тепло. Коллекторы бывают двух видов:

• вертикальные;
• горизонтальные.

Прежде чем начать использовать тепло из земли для отопления дома, нужно определиться с видом коллектора. Как они выглядят, можно посмотреть на фото.

Принцип работы

Принцип работы геотермального отопления заключается в сборе тепла из воды или почвы и передаче в систему отопления здания. Из-за роста тарифов на традиционные энергоносители такой вид получения энергии становится популярным в Московской области. Поверхность земли при его обустройстве выполняет в летнее время функции кондиционера, в зимнее – источника отопления.

Тепловую энергию земли собирают при помощи специального контура или теплообменника для сбора тепла. Его создают из трубопровода и устанавливают под землей, в водоемах или скалах. Способы установки могут быть различными. Наиболее распространенным решением является вертикально пробуренные скважины. Их называют геотермальными. Такой вариант возможен даже для небольших земельных участков. Он считается более энергетически эффективным в сравнении с горизонтальным контуром.

Применяется в домах с большим участком. Для монтажа коллектора экскаватором роют несколько траншей глубиной 2-2,5 метра. В траншею кладут ПНД трубы. Площадь такого коллектора должна быть не меньше площади дома.

Применяются на небольших участках. Рядом с домом бурятся две скважины глубиной 90 метров каждая. В скважину опускаются геотермальные зонды. Обладает высокой долговечностью и большей эффективностью.

Если рядом с вашим участком есть водоем достаточной глубины и размера, на его дно можно опустить горизонтальный коллектор. Это самый энергоэффективный способ геотермального отопления.

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.

Существуют установки, которые в состоянии самостоятельно отапливать большие помещения, другие используются исключительно, как вспомогательное оборудование способное обеспечить от 50-75% потребности помещения в тепле.

Принцип действия

Впервые был опубликован еще в 1824 г. во Франции ученым Сади Карно. Действие геотермального отопления можно сравнить со старым типом холодильника. В нем тепло отводится посредством обменника за пределы холодильной камеры: в итоге содержимое бытового прибора остывает. Геотермальный способ наоборот, вытесняется холод в грунт, а тепло накапливается в помещении.

Согласно закону термодинамики, теплота от нагретого тела стремится перейти к холодному и перейти в состояние равновесия. Благодаря расширению-испарению хладагента его объём увеличивается, а температура снижается, тепловая энергия земли старается уравновесить эти процессы. Контактируя с грунтом, через промежуточный теплоноситель, фреон поглощает его тепло. Однако этого мало, чтобы обогреть здание.

В системе – три главных составляющих:

• тепловой насос;
• коллектор, размещенный под землей;
• система отопления дома.

Особенности и порядок монтажа

Установку геотермального отопления в частном доме следует доверить специалистам. Основные трудности возникают при монтаже контура-теплообменника в грунт. Основными этапами являются следующие:

1. Выезд инженеров на место. При этом они выясняют особенности местности и выбирают самый эффективный способ монтажа.

2. Заключение договора и приобретение оборудования.

3. Монтажные работы. Выполняется установка теплообменников в грунт. Затем происходит подключение геотермальной установки к отопительному контуру здания.

4. Пуско-наладочные работы. После их окончания подписывается акт о сдаче.

На эффективность функционирования установки оказывает влияние вид источника тепла. Самым эффективным считается монтаж контура теплообменника вблизи термического источника или на дне водоема. Компания, устанавливающая оборудование, может предоставить клиенту дополнительные гарантийные обязательства. В соответствии с действующим законодательством это допускается при условии оплаты таких услуг. Заказчику это обойдется в дополнительную плату.

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. 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.
2. 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. $
3. 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.
4. Пуско-наладочные работы. Инженер запускает систему и выполняет точную регулировку устройства. После настройки подписывается Акт о сдаче работ. Согласно действующему законодательству, предприятие устанавливающее оборудование, может предоставить дополнительные гарантийные обязательства при условии оплаты этих услуг. Такие гарантии обойдутся еще в дополнительную 1000 $.

Монтаж

Существует несколько способов, позволяющих затратить минимум пространства для монтажа тепловых насосов:

1. эксплуатация подземных зондов. Для этого потребуется запустить в глубокую скважину специальный контур, который наполнен антифризом;
2. эксплуатация теплых грунтовых вод. Для этого потребуется пробурить достаточно глубокую скважину. Грунтовые воды прогоняются через теплообменник, предварительно выкачиваясь насосом;
3. прокладка специальных зонтов в горизонтальном положении ниже уровня зимнего оледенения на дне водоема.

Преимущества геотермального отопления

Система такого вида является отличным способом теплоснабжения зданий. Это возможность сэкономить денежные средства и энергию. К основным достоинствам геотермального отопления относятся:

• Энерго эффективность
• Геотермальная система отопления генерирует из 1 единицы энергии 5 единиц. Показатель эффективности такой системы составляет 530%. Показатель эффективности современного газового котла — 98%.
• Экономическая эффективность
• Из-за большой разницы в энергоэффективности такой системы, в среднем, вложения в нее окупаются за несколько лет.
• Экологическая безопасность

Геотермальные источники энергии признаны наиболее экологически чистыми. Они сводят к минимум угрозу загрязнения воздуха. Установка одного геотермального насоса является экологическим эквивалентом посадки 750 деревьев.

• Безопасность от пожаров

Поскольку для работы теплового насоса не используется природный газ, в нем нет источника пламени и угарных газов.

• Повсеместная доступность

Оборудование можно установить в любом месте. Главное условие — наличие электроэнергии в доме.

• Высокая надежность

Геотермальный контур находится под землей при постоянной температуре. Он не подвергается воздействию тепловых нагрузок при горении топлива. Заявленный срок службы тепловых насосов — 25-30 лет.

Реальные преимущества и недостатки

Если в России геотермальное отопление частного сектора получило сравнительно малое распространение, значит ли это, что идея не стоит затрат на её воплощение? Может быть, и заниматься этим вопросом не стоит? Оказалось, что это не так.

Использование системы геотермального отопления жилища – решение выгодное. И тому есть несколько причин. В их числе и быстрая установка оборудования, которое способно длительное время работать без каких-либо перебоев.

Если использовать в отопительной системе не воду, а качественный антифриз, она не будет промерзать и её износ будет минимальным.

Перечислим и прочие преимущества этого вида отопления.

• Исключена процедура сжигания топлива. Мы создаём абсолютно пожаробезопасную систему, которая, в процессе своей эксплуатации, не сможет нанести жилью никакого ущерба. Кроме того, исключается ряд других моментов, связанных с присутствием топлива: теперь не нужно искать место для его хранения, заниматься его заготовкой или доставкой.
• Существенная экономическая выгода. В процессе эксплуатации системы не потребуется никаких дополнительных вложений. Ежегодный обогрев обеспечивают силы природы, которые мы не покупаем. Конечно, при функционировании теплового насоса затрачивается электрическая энергия, но при этом объём производимой энергии существенно превышает размеры потребления.
• Экологический фактор. Геотермальное отопление частного загородного дома – это экологически безопасное решение. Отсутствие процесса горения исключает поступление в атмосферу продуктов сгорания. Если это осознают многие, и такая система теплоснабжения получит должное повсеместное распространение, негативное влияние людей на природу многократно уменьшится.
• Компактность системы. Вам не придется организовывать в своём доме обособленное помещение котельной. Всё, что будет необходимо – это тепловой насос, который можно разместить, например, в подвале. Наиболее объёмный контур системы будет располагаться под землей или под водой, на поверхности вашего участка вы его не увидите.
• Многофункциональность. Система может работать как на отопление в холодное время года, так и на охлаждение в период летней жары. То есть, по сути, она заменит вам не только обогреватель, но и кондиционер.
• Акустический комфорт. Тепловой насос работает практически бесшумно.

Выбор геотермальной системы отопления экономически выгоден, несмотря на то, что придется потратиться на покупку и установку оборудования.

Кстати, в качестве недостатка системы упоминают именно затраты, на которые придется пойти, чтобы установить систему и подготовить её к работе. Нужно будет купить сам насос и некоторые материалы, выполнить работы по монтажу наружного коллектора и внутреннего контура.

Не секрет, что ресурсы дорожают год от года, поэтому автономная система отопления, которая способна окупиться в течение нескольких лет, всегда будет экономически выгодна для её владельца

Впрочем, эти расходы окупаются всего за несколько первых лет эксплуатации. Последующее использование уложенного в грунт или погруженного в воду коллектора позволяет сэкономить значительные средства.

К тому же, сам процесс монтажа не настолько сложен, чтобы приглашать для его выполнения сторонних специалистов. Если не заниматься бурением, то всё остальное можно сделать самостоятельно.

Надо отметить, что некоторые умельцы, в стремлении сэкономить научились собирать геотермальный тепловой насос собственноручно.

Недостатки геотермального отопления:

• Стоимость геотермальный способ обогрева дома – потребуются значительные капитальные затраты.
• Энергозависимость – для работы системы необходимо электропитание. Чтобы избежать прекращения теплоснабжения дома из-за отключения электричества, необходимо приобрести бензиновый или дизель топливный электрогенератор.
• Переохлаждение грунта бывает в зоне расположения теплосборного коллектора (обычно – по причине ошибок, допущенных при проектировании). Приводит к нарушениям в работе системы.

Другие варианты систем отопления

На сегодняшний день существует много разных систем отопления, но наиболее широкое применение приобрела система отопления с применением жидкого теплоносителя. В сравнении с другими системами она обладает самой высокой эффективностью, практичностью и безопасностью. Принцип её работы заключается в том, что теплогенератор (котел) нагревает воду или незамерзающую жидкость (антифриз), которая по трубам поступает в отопительные приборы (радиаторы, конвекторы), нагревая их, которые в свою очередь греют воздух помещения, и возвращается к месту своего нагрева.

Способы реализации геотермальной установки

Такое отопление отличается между собой по способам установки теплообменника. На сегодня используются три разновидности:

1. Вертикальный теплообменник: отличается компактностью и более высокой себестоимостью установки в сравнении с другими видами. Для установки вертикального теплообменника не нужно использовать большую площадь, но понадобится использование специализированных бурильных установок. В зависимости от выбранной технологии глубина готовой скважины может достигать показателя до 200 метров, минимальный показатель — 50 метров. Срок службы системы составляет до одной сотни лет. Выгодно устанавливать такой вид геотермального отопления в случае монтажа на уже обустроенном участке. Ландшафт местности останется практически не тронутым.
2. Горизонтальный теплообменник: такой тип используется довольно часто. При монтаже горизонтального теплообменника трубы укладываются на большую достаточно глубину, которая обязательно превышает уровень промерзания грунта. Основной минус использования именно такой разводки заключается в том, что под монтаж коллектора необходимо использовать большую площадь. Трудно проложить такую систему на уже обустроенном участке.
3. Водоразмещенный теплообменник: такая установка является наиболее экономной по затратам среди всего разнообразия геотермального отопления, так как работает за счет энергии водных массивов. Такая система актуальна для тех домовладельцев, у которых на расстоянии сотни метров есть какой-либо водоем. Такой теплообменник наиболее выгодный, что делает его монтаж наиболее целесообразным среди всех разновидностей подобного отопления.

Оборудование для геотермального отопления

Внедрение системы такого типа возможно только при наличии специального оборудования. Оно аккумулирует тепло из почвы или воды и передает теплоносителю отопительной системы здания.

В нее входят:

• тепловой насос;
• компрессор;
• буферный бак;
• теплообменник.

Компрессор помогает довести антифриз до необходимой температуры. Буферный бак накапливает его после нагревания и осуществляет передачу его тепла теплоносителю. В состав входят внутренний бак, вода-теплоноситель и змеевик, по которому циркулирует антифриз. Этот элемент необходим также по той причине, что температура антифриза может меняться от -5 до +20 градусов. При этом происходит его расширение и необходима емкость для размещения выросшего объема.

Затраты

При изготовлении теплового насоса мощностью 9 кВт по теплу придется потратить:

• на изделия и материалы для конденсатора: 163 доллара;
• для испарителя: 206 долларов;
• на б/у компрессор и фреон: около 50 долларов.

При наличии автоматики общая стоимость самодельного теплового насоса составит примерно 500 долларов.

Полипропиленовая труба марки PN10 диаметром 50 мм для наружного контура будет стоить по 193 руб. за погонный метр.

Знаете ли вы, что отопить дом совершенно бесплатно можно, используя тепло земли? Геотермальное отопление: принцип работы, достоинства и недостатки технологии.

Принцип действия теплового насоса для отопления дома разберем в этой статье.

Тепловые насосы

Основное оборудование геотермального отопления — тепловой насос. Он обеспечивает циркуляцию антифриза в геотермальной системе. Теплонасос выполняет контроль над работой всей установки.

Затрачивая 1 Квт электроэнергии, он производит от 2,5 до 5 Квт тепловой энергии.

При отоплении жилых зданий, коттеджей, муниципальных бань, промышленных объектов используются насосы разных мощностей.

В случае использования подобных систем для коттеджей такое устройство целиком решает задачи горячего водоснабжения и отопления. На промышленных объектах применяют модульные конструкции тепловых насосов. В этом случае стандартные модули теплопроизводительностью 100 КВт объединяют до 25 единиц между собой.

Вывод

Применение тепловых насосов позволяет избавиться от дорожающих каждый год традиционных видов топлива, хотя первоначальные затраты будут довольно большими. Монтаж геотермального отопления вполне можно проводить самостоятельно, только при установке труб в шахтный ствол желательно пригасить помощника.

Окупаемость проекта зависит от утепленности жилья, а также метода обогрева – радиаторный или теплые полы. Видео в статье даст возможность найти дополнительную информацию по вышеуказанной теме.

Понравилась статья? Подписывайтесь на наш канал Яндекс.Дзен

Сравнение стоимости геотермального и газового отопления

Анализируя окупаемость перехода с газового на геотермальное отопление, сравнивают уже установленные расходы на газ без капитальных вложений со стоимостью совершенно новой системы. Высокие расходы на монтаж теплонасоса связаны с необходимостью укладки горизонтального грунтового коллектора или бурения вертикальной скважины.

Монтаж систем геотермального отопления в частных и загородных домах является дорогостоящим удовольствием. Они отличаются изначально высокими капитальными вложениями по сравнению с традиционными газовыми системами. Но срок их окупаемости относительно невелик. Она наступает к 18-20 году эксплуатации.

Если провести сравнение стоимости газового и геотермального отопления, то эксплуатация последнего обходится дешевле. Такие системы потребляют электроэнергии в 3-5 раз меньше. Автоматика тепловых насосов дает возможность максимально пользоваться льготным ночным тарифом на электроэнергию. Оборудование позволяет отапливать здания до комфортной температуры в 22-24 градуса.

Поэтому, установка системы с тепловым насосом представляет собой инвестицию в собственный комфорт, безопасность, независимость и престижность.

Плюсы

Функционирование подобных отопительных систем осуществляется на качественно новом и необычном топливе – энергия недр земли используется для кондиционирования, а также обогрева частного дома. Эта энергия создает оптимальные и уютные условия для жизни, а также не загрязняет окружающую среду вредными веществами и отходами. Отопление дома осуществляется с помощью бесплатной энергии, на 1 кВт электроэнергии система возвращает 4-5 кВт тепла

Геотермальное отопление загородного дома эффективно и безопасно работает без каких-либо процессов сгорания, поэтому нет предпосылок к тому, что система может загореться или взорваться.

Не менее важное достоинство – нет необходимости в приобретении дополнительных вытяжек и дымоходов, которые могут потребоваться для обеспечения бесперебойного функционирования прочих видов отопительных систем. Во время работы отопления от земли не выделяются вредные испарения и запахи, такая система не издает лишнего шума, к тому же не занимает много места.

Геотермальные агрегаты, в отличие от твердотопливных и жидкотопливных систем, практически не заметны для людей, они не разрушают целостность фасада и интерьера дома. Не потребуется тратить время на обдумывание таких вопросов, как хранение, доставка и приобретение топлива, поскольку энергия планеты неисчерпаема.

Еще один весьма примечательный факт – с помощью геотермальных насосов можно отапливать помещения зимой или охлаждать коттедж во время жары.

Если вам требуется отопление дома теплом земли, то также стоит учесть его финансовую сторону. Сразу же отметим, что процесс монтажа подобной системы потребует больших затрат по сравнению с дизельным и газовым оборудованием.

В противовес этому можно отметить, что уровень потребления электроэнергии значительно меньше, так что в долгосрочной перспективе экономическая целесообразность приобретения именно геотермального оборудования видна невооруженным глазом. По словам разработчиков, с каждого потраченного киловатта электрической энергии будет возвращено до пяти киловатт тепловой энергии.

Геотермальное отопление загородного дома: берем тепло из недр земли

Сжигание природных запасов углеводородов – нефти и газа – достигло таких масштабов, что призрак экологической и энергетической катастрофы стал принимать вполне реальные очертания.

Осознав, наконец-то, серьезность ситуации, человечество все активнее осваивает возобновляемые (или альтернативные) источники энергии.

Никола Тесла утверждал, что наш мир наполнен бесплатной энергией, надо только научиться ее добывать. Ученые всего мира прилагают немало сил для того, чтобы воплотить этот тезис в жизнь.

Их труды не пропали даром: к традиционным ветрогенераторам и солнечным батареям добавился еще один источник бесплатной энергии — геотермальное отопление. Его суть понятна из названия: для отопления используется тепло Земли.

Мифы о геотермальном отоплении

Миф первый: необходимы горячие источники.

Действительно, при упоминании термина «тепло Земли» воображение среднестатистического гражданина сразу рисует свистящие гейзеры и озера кипящей воды на фоне просыпающегося вулкана.

Согласимся: горячие источники также могут применяться в геотермальном отоплении, но это редкость, поскольку расположены они только в некоторых регионах.

В остальных случаях под термином «тепло Земли» подразумевают температуру в 5-7 градусов, которая стабильно поддерживается в грунте или воде ниже глубины промерзания.

Да, да, вот эту-то холодину дерзкие ученые называют «теплом» и даже умудряются нагреть от нее воду в системе отопления.

Миф второй: геотермальное отопление – нечто вроде вечного двигателя, а потому существовать не может.

Поводом к возникновению данного заблуждения послужила удивительная эффективность систем геотермального отопления: при затратах энергии в 1 кВт удается получить от 3 до 5 кВт.

И это, как уже было сказано, при полном отсутствии видимых источников тепла: бурлящих гейзеров, огнедышащих вулканов или хотя бы печки с горящими дровами или углем.

Но, как известно энергия не может взяться ниоткуда и исчезнуть в никуда. К сожалению, существование вечного двигателя действительно невозможно.

Но система геотермального отопления не имеет с ним ничего общего. А причины ее эффективности кроются в умелом применении всем известных законов физики.

Устройство и принцип действия

Система геотермального отопления состоит из трех контуров и теплового насоса, который поддерживает циркуляцию среды в контурах и теплообмен между ними. По размерам тепловой насос похож на современную стиральную машинку. Рассмотрим каждый из контуров подробнее.

Внешний контур

Посредством внешнего контура вся система воспринимает тепловую энергию грунта или водоема, в котором данный контур размещается.

Обязательное условие – контур должен находиться ниже глубины промерзания, характерной для данного региона.

Внутри контура циркулирует теплоноситель – рассол или другая незамерзающая жидкость. Накопленная тепловая энергия через теплообменник, установленный в тепловом насосе, передается фреону, содержащемуся во втором контуре.

Контур фреона

Этот контур полностью размещен в корпусе теплового насоса и наполнен фреоном. Характерной особенностью фреона является низкая температура кипения, в процессе которого фреон испаряется, превращаясь в газ.

Внутренний контур

Это, собственно, контур отопления, состоящий из труб и отопительных радиаторов. В более сложном варианте внутренний контур может подразделяться на контуры отопления, горячего водоснабжения, подогрева крыльца (антиобледенитель) и т.п.

Традиционно внутренний контур заполняется водой, но могут применяться и другие виды теплоносителей.

Как это работает

Принцип действия системы геотермального отопления выглядит следующим образом:

1. Находящемуся во внешнем контуре рассолу сообщается тепловая энергия грунта или воды, отчего его температура увеличивается примерно на 5 градусов и становится равной, к примеру, +3 градуса.
2. Внутри теплового насоса рассол прокачивается через теплообменник, в котором часть его тепловой энергии передается фреону. Остывший после этого рассол снова поступает во внешний контур.
3. Получив некоторое тепло от рассола, фреон, находящийся во втором контуре, испаряется. Получившийся таким образом газ поступает в компрессор, где происходит его сжатие. В результате температура фреона поднимается до 100 градусов. Горячий газ подается в теплообменник, в котором отдает часть своей тепловой энергии теплоносителю третьего – внутреннего – контура.
4. Подогретый до температуры в 50-70 градусов теплоноситель внутреннего контура подается в радиаторы отопления, благодаря чему в доме поддерживается комфортная температура. Фреон, температура которого в результате теплообмена понижается до 70 градусов, поступает в расширительный экран, где его давление и температура падают до первоначальных значений.
5. Весь цикл повторяется снова.

Среди других нераспространенных систем отопления заслуживает внимание отопление ПЛЭН.

Другой тип — это паровое отопление, сейчас его встретить крайне сложно, хотя система обладает рядом неоспоримых плюсов.

Также существуют, так называемые «безрадиаторные» системы, например, отопление с помощью водяных конвекторов отопления.

Схемы построения системы отопления

Несмотря на всю простоту системы, устройство геотермального отопления для загородного дома – довольно дорогостоящий и трудоемкий процесс.

Связано это не столько с дороговизной теплового насоса, сколько с масштабами внешнего контура: в среднем его площадь должна превышать отапливаемую площадь в 2,5 раза. Располагают внешний контур одним из трех способов:

• Горизонтально в грунте

Трубы контура располагают под поверхностью земли ниже глубины промерзания.

При отоплении дома площадью в 200 кв. м для горизонтального размещения внешнего контура понадобится участок земли площадью 500 кв. м.

Недостатки такого способа очевидны: придется изрыть солидный участок земли, полностью уничтожив расположенный на нем ландшафт.

Если на участке растут деревья, задача усложняется: трубы контура в плане должны находиться не ближе 1,5 м от дерева.

Все работы по горизонтальному размещению внешнего контура в грунте можно выполнить самостоятельно, и это главное преимущества данного способа. Процесс относительно прост, хотя и трудоемок: рытье траншей, сваривание и укладка труб.

• Горизонтальная укладка на дне водоема

Если поблизости от вашего дома имеется водоем, можно обойтись без земляных работ, сохранив существующее благоустройство участка возле дома. Требования к водоему таковы: он должен располагаться не далее, чем на 100 м от дома, и иметь площадь не меньше, чем 200 кв. м.

Если вы не являетесь его владельцем, то, скорее всего, понадобится разрешение местных властей на размещение в водоеме внешнего контура вашей геотермальной системы.

Оптимальная глубина, на которой следует располагать трубы, составляет 2,2-2,5 м.

Разместить внешний контур в водоеме также можно самостоятельно, такая работа не требует особого опыта или высокой квалификации. Если есть возможность на время монтажа спустить из водоема воду, задача потребует еще меньше усилий.

• Вертикальное размещение в грунте

В этом случае для размещения внешнего контура строится скважина. И само строительство, и монтаж в скважине труб контура потребует привлечения специалистов и бурильного оборудования. Зато все существующие насаждения и элементы благоустройства остаются нетронутыми.

Вдобавок, размещение контура в скважине делает отопительную систему более эффективной, ведь грунт на больших глубинах (глубина скважины составляет от 50 до 200 м) круглогодично сохраняет постоянную температуру в 10-12 градусов.

Дополнительное преимущество – длительный срок службы скважины, который может составлять 100 лет.

Существует еще одна разновидность геотермальной системы отопления загородного дома, которая называется открытой. Внешний контур в ней отсутствует, а роль теплоносителя играет вода, которая закачивается в тепловой насос из артезианской скважины.

Для сброса воды на ту же глубину строится вторая скважина. Часть артезианской воды может использоваться для водоснабжения дома, поэтому данная разновидность геотермального отопления более распространена в тех регионах, где отсутствует централизованная подача воды.

Иногда одного геотермального отопления может не хватить, и приходиться подогревать теплоноситель.

Для таких случаев подойдет, например, комбинированный котел отопления, или дизельный котёл отопления. Выбирайте исходя из доступности топлива.

Преимущества и недостатки

Положительная сторона

Данная система обладает широким перечнем достоинств:

• КПД системы составляет от 300% до 500%.
• Энергия, используемая для отопления, является неисчерпаемой и возобновляемой.
• Отсутствует опасность возгорания.
• Отпадает необходимость в доставке и складировании топливных материалов.
• Абсолютная экологическая безопасность: работа системы геотермального отопления не сопровождается выбросами вредных веществ или образованием отходов.
• Полностью автономный режим работы.
• Минимальные затраты на эксплуатацию.

Отрицательная сторона

Главным недостатком системы геотермального отопления загородного дома является ее стоимость. Так, цена теплового насоса может варьироваться от 3 до 10 тыс. евро.

Стоимость монтажных работ в среднем составляет половину стоимости насоса, но при неудачном стечении обстоятельств может и превысить ее.

Тепловой баланс Земли

Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию и нагреваясь, сама становится источником излучения тепла в атмосферу и через нее в мировое пространство. Чем выше температура поверхности, тем выше излучение. Собственное длинноволновое излучение Земли большей частью задерживается в тропосфере, которая при этом нагревается и излучает радиацию — противоизлучение атмосферы. Разность между излучением земной поверхности и противоизлучением атмосферы называется эффективным излучением.

Оно показывает фактическую потерю тепла поверхностью Земли и составляет около 20%.

Рис. 7.2. Схема среднегодового радиационного и теплового баланса, (по К.Я.Кондратьеву, 1992)

Атмосфера в отличие от земной поверхности больше излучает, чем поглощает. Дефицит энергии компенсируется приходом тепла от земной поверхности вместе с водяным паром, а также за счет турбулентности (в процессе подъема нагретого у земной поверхности воздуха). Возникающие между низкими и высокими широтами температурные контрасты сглаживаются за счет адвекции —

переноса тепла морскими и главным образом воздушными течениями от низких широт к высоким (рис. 7.2, правая часть). Для общегеографических выводов важны также ритмические колебания радиации из-за смены времен года, так как от этого зависит тепловой режим конкретной местности. Отражательные свойства земных покровов, теплоемкость и теплопроводность сред еще больше усложняют перенос тепловой энергии и распределение теплоэнергетических характеристик.

Уравнение теплового баланса.Количество тепла описывается уравнением теплового баланса, которое у каждого географического района свое. Его важнейшим компонентом является радиационный баланс земной поверхности. Солнечная радиация расходуется на нагревание почвы и воздуха (и воды), испарение, таяние снега и льда, фотосинтез, почвообразовательные процессы и выветривание горных пород. Поскольку для природы всегда характерно равновесие, равенство наблюдается между приходом энергии и ее расходом, что выражается уравнением теплового баланса

земной поверхности:

где R

— радиационный баланс;
LE
— тепло, затрачиваемое на испарение воды и таяние снега или льда
(L
— скрытое тепло испарения или парообразования;
Е
— скорость испарения или конденсации);
А —
горизонтальный перенос тепла воздушными и океаническими течениями или турбулентным потоком;
Р —
теплообмен земной поверхности с воздухом;
В —
теплообмен земной поверхности с почвой и горными породами;
F
— расход энергии на фотосинтез;
С
— расход энергии на почвообразование и выветривание;
Q+q
— суммарная радиация;
а
— альбедо;
I
— эффективное излучение атмосферы.

На долю энергии, расходуемой на фотосинтез и почвообразование, приходится менее 1% радиационного бюджета, поэтому в уравнении эти составляющие часто опускаются. Однако в реальности они могут иметь значение, поскольку эта энергия обладает способностью аккумулироваться и преобразовываться в другие виды (превратимая энергия). Маломощный, но продолжительный (сотни миллионов лет) процесс накопления превратимой энергии оказал существенное влияние на географическую оболочку. В ней скопилось около 11×1014 Дж/м2 энергии в рассеянном органическом веществе в осадочных породах, а также в виде каменного угля, нефти, сланцев.

Уравнение теплового баланса можно вывести для любого географического района и отрезка времени, учитывая специфичность климатических условий и вклад компонентов (для суши, океана, районов с льдообразованием, незамерзающих и др.).

Перенос и распределение тепла.Перенос тепла от поверхности в атмосферу происходит тремя путями: тепловое излучение, нагревание или охлаждение воздуха при контакте с сушей, испарение воды. Водяные пары, поднимаясь в атмосферу, конденсируются и образуют облака или выпадают в виде осадков, а выделяемое при этом тепло поступает в атмосферу. Поглощенная атмосферой радиация и тепло конденсации водяных паров задерживают потерю тепла земной поверхностью. Над засушливыми районами это влияние уменьшается, и мы наблюдаем самые большие суточные и годовые амплитуды температуры. Наименьшие амплитуды температуры присущи океаническим районам. Являясь огромным резервуаром, океан хранит больше тепла, что ослабляет годовые колебания температуры вследствие высокой удельной теплоемкости воды. Таким образом, на Земле вода играет важную роль как аккумулятор тепла.

Структура теплового баланса зависит от географической широты и типа ландшафта, который, в свою очередь, сам зависит от нее. Она существенно изменяется не только при движении от экватора к полюсам, но и при переходе с суши на море. Суша и океан различаются как по величине поглощенной радиации, так и по характеру распределения тепла. В океане летом тепло распространяется на глубину до нескольких сотен метров. За теплый сезон в океане накапливается от 1,3×109 до 2,5×109 Дж/м2. На суше тепло распространяется на глубину всего нескольких метров, и за теплый сезон здесь накапливается около 0,1×109 Дж/м2, что в 10—25 раз меньше, чем в океане. Благодаря большому запасу тепла, океан зимой охлаждается меньше, чем суша. Расчеты показывают, что разовое содержание тепла в океане в 21 раз превышает ее поступление к земной поверхности в целом. Даже в 4-метровом слое океанической воды тепла в 4 раза больше, чем во всей атмосфере.

До 80% энергии, поглощаемой океаном, расходуется на испарение воды. Это составляет 12×1023 Дж/м2 в год, что в 7 раз больше аналогичной статьи теплового баланса суши. 20% энергии расходуется на турбулентный теплообмен с атмосферой (что также больше, чем на суше). Вертикальный теплообмен океана с атмосферой стимулирует и горизонтальный перенос тепла, благодаря чему оно частично оказывается на суше. В теплообмене океана и атмосферы участвует 50-метровый слой воды.

Изменение радиационного и теплового баланса.Годовая сумма радиационного баланса почти всюду на Земле положительна, за исключением ледниковых районов Гренландии и Антарктиды. Его среднегодовые значения уменьшаются в направлении от экватора к полюсам, следуя закономерности распределения солнечной радиации по земному шару (рис. 7.3). Радиационный баланс над океаном больше, чем над сушей. Это связано с меньшим альбедо водной поверхности, повышенным влагосодержанием в экваториальных и тропических широтах. Сезонные изменения радиационного баланса происходят на всех широтах, но с разной степенью выраженности. В низких широтах сезонность определяется режимом осадков, так как термические условия здесь мало изменяются. В умеренных и высоких широтах сезонность определяется термическим режимом: радиационный баланс меняется от положительного летом до отрицательного зимой. Отрицательный баланс холодного периода года в умеренных и полярных широтах частично компенсируется за счет адвекции теплоты воздушными и морскими течениями из низких широт.

Для сохранения энергетического баланса Земли должен существовать перенос тепла в направлении полюсов. Несколько менее из этого тепла переносится океаническими течениями, остальное атмосферой. Различия в нагревании Земли обусловливают ее действия как географической тепловой машины, в которой происходит передача тепла от нагревателя к холодильнику. В природе этот процесс реализуется в двух формах: во-первых, термодинамические пространственные неоднородности формируют планетарные системы ветров и морских течений; во-вторых, данные планетарные системы сами участвуют в перераспределении тепла и влаги на земном шаре. Таким образом, от экватора в направлении к полюсам потоками воздуха или океаническими течениями переносится тепло, а к экватору переносятся холодные воздушные или водные массы. На рис. 7.4 показан перенос теплой поверхностной воды в Атлантическом океане к полюсу. Перенос тепла по направлению к полюсам достигает максимума около широты 40° и становится равным нулю у полюсов.

Приток солнечной радиации зависит не только от географической широты, но и от времени года (табл. 7.4). Примечательно, что в летний период в Арктику поступает тепла даже больше, чем на экватор, однако вследствие высокого альбедо арктических морей льды здесь не тают.

Распределение температуры.На горизонтальное распределение

температуры влияют географическое положение, рельеф, свойства и вещественный состав подстилающей поверхности, системы океанических течений и характер атмосферной циркуляции в приземном и приводном слоях.

Рис. 7.3. Распределение среднегодового радиационного баланса на земной поверхности, МДж/(м2×год) (по С.П.Хромову и М.А.Петросянцу, 1994)

Рис. 7.4. Перенос тепла в северной части Атлантического океана, °С

(по С. Нешиба, 1991). Заштрихованы районы, где поверхностные воды теплее, чем в среднем по океану. Цифры обозначают объемные переносы воды (млн м3/с), стрелки — направление течений, жирная линия — Гольфстрим

Таблица 7.4. Суммарная радиация, поступающая на земную поверхность (Н.И.Егоров, 1966)

Средняя температура земной поверхности составляет около 15°С. Самые высокие температуры (рис. 7.5) наблюдаются на термическом экваторе

— линии, соединяющей точки с наиболее высокой среднегодовой температурой (выше 28°С), который примерно соответствует параллели 5° с.ш. на океанах и 10° с.ш. на суше. Смещение термического экватора в Северное полушарие обусловлено охлаждающим воздействием ледяного панциря Антарктиды, с высоким до 60% альбедо и отрицательным радиационным балансом. Кроме того, большая часть Южного полушария занята водой, прогреваемость которой ниже, чем у суши.

Вертикальное распределение

температуры зависит от термических свойств вещества, слагающего геосферы, и высотного (глубинного) уровня стратификации. Вверх от земной поверхности, в
тропосфере,
температура воздуха (за исключением присущих этому слою инверсий) понижается в среднем на 0,6°С на каждые 100 м высоты. В
литосфере
температура повышается с глубиной в среднем на 1—3°С на каждые 100 м (хотя и здесь возможны отклонения от нормального градиента). Для
океаносферы,
средняя температура которой составляет 4°С, характерна двухслойная стратификация вод: верхний однородный слой, ограниченный снизу
термоклином
(слоем скачка температуры), в которым происходят сильные перепады температур, и основная масса вод Мирового океана, расположенная глубже, с характерной температурой от 1 до 2,5°С.

Рис. 7.5. Распределение среднегодовой температуры воздуха на земной поверхности, °С (С.Г.Любушкина, К.В.Пашканг, 2002)

Нарушение плотностной стратификации, особенно в таких подвижных геосферах, как атмосфера и гидросфера, обусловливает движение воздуха и воды в вертикальном и горизонтальном направлениях. Усиление или ослабление этого процесса приводят к перераспределению тепла (выравниванию, понижению или повышению температуры), появлению или размыванию слоистости воздушных и водных масс.

Рис. 7.6. Схема возникновения элементарной конвективной ячейки (по К. И. Геренчуку и др.). Объяснение в тексте

Земля как тепловая машина.Основа атмосферной циркуляции — неравномерное распределение теплоты в атмосфере. Давление в любой точке атмосферы равно весу вышележащего столба воздуха. При равномерном нагревании земной поверхности и атмосферы давление с высотой изменяется одинаково во всех точках, находящихся на одной высоте, что можно изобразить с помощью изобар, которые в таком случае будут горизонтальными (рис. 7.6, а).

Поступление дополнительного тепла в точку
В
приведет к локальному расширению воздуха и наклону изобар вверх (рис. 7.6, б). Это не вызовет изменения давления у земной поверхности, однако в атмосфере возникнет разность давления по горизонтали, причем горизонтальный барический градиент будет направлен в сторону точки
А.
Перенос воздуха в этом направлении на высоте приведет к увеличению массы воздуха над точкой
А
и, следовательно, к повышению давления в точке
А.
В результате градиент давления возникнет и у земной поверхности, но его направление будет противоположным к точке
В
(рис. 7.6,
в).
Соответственно этому будет происходить перенос приземного воздуха. Над теплым участком местности у земной поверхности возникает минимум давления, а над холодным — максимум. На некоторой высоте положение минимума и максимума обратное. Поскольку в области минимума воздух движется вверх (восходящий поток), а в области максимума поток воздуха нисходящий, то образуется замкнутая вертикальная конвективная ячейка циркуляции — элементарная тепловая машина. Возникающее движение изменяет свое направление под влиянием силы Кориолиса. В районах преобладания высокого давления формируются нисходящие движения воздуха —
антициклоны,
а в районах преимущественно пониженного давления умеренных широт —
циклоны.
Атмосфера — наиболее подвижная часть географической оболочки. В механическую энергию атмосферных движений переходит 1—2% удерживаемой земной поверхностью солнечной энергии. Этот переход осуществляется в процессе функционирования географических тепловых машин,

учение о которых принадлежит В.В. Шулейкину.

Самой большой географической тепловой машиной является система «экватор—полюсы», которую следует называть тепловой машиной первого рода.

С ней связаны особенно крупномасштабные движения в атмосфере. В такой машине разность температур постоянно поддерживается неравномерным поступлением солнечной радиации на сферическую поверхность Земли. Поток тепла более выражен в направлении зимнего полушария, вследствие чего происходит некоторое сглаживание температурных контрастов, как по широте, так и между зимним и летним полушариями.

Различия в нагревании материков и океанов приводят к возникновению тепловых машин второго рода.

Данная модель меняет свой знак в зависимости от сезона года: зимой роль нагревателя исполняет океан, летом — суша. Ей соответствует зарождение
муссонов.
Географическую тепловую машину третьего рода

образуют горизонтальные круговороты воды — циклонические и антициклонические кольца океанической циркуляции. Одним из таких круговоротов является система течений в Северной Атлантике, включающая Канарское, Северное Пассатное, Гольфстрим и Северо-Атлантическое течения. Общий центр этой системы располагается в Саргассовом море. Нагревателями этой машины являются Канарское течение и часть Северного Пассатного течения до тех пор, пока температура воды, переносимая течениями, ниже, чем в окружающих водах Атлантического океана, поэтому тепло устремляется от окружающих вод к течению.

Географическая тепловая машина четвертого рода

— это система, в которой происходит вертикальный перенос тепла от земной поверхности в атмосферу. Атмосфера в целом холоднее, чем земная поверхность: средняя температура тропосферы равна -18°С, а в приземном двух-, трехметровом слое воздуха — 14,2°С. Таким образом, разность температур составляет около 30°С (если рассматривать ее как разность среднегодовых значений, что не совсем верно). При вертикальной компенсации разности температур воздух «всплывает» вверх, унося с собой тепло.

Географической машиной пятого рода

В.В.Шулейкин назвал систему тропического циклона (урагана или тайфуна). Условия его зарождения требуют, чтобы среди относительно прохладного (для тропических широт) океана встретился относительно теплый участок с более разогретой водной поверхностью (например, вблизи архипелага или атолла), над которым устанавливается восходящее движение теплого и влажного неустойчивого воздуха. Тропический циклон представляет собой замкнутый «энергетический насос», посредством которого энергия Мирового океана передается в атмосферу и пространственно перемещается. Каждое такое образование перекачивает до нескольких десятков кубических километров воды в форме водяного пара и соответствующее количество энергии фазового перехода, которая выделяется, когда водяной пар конденсируется, и тратится на механическую работу и нагревание атмосферного воздуха. Для саморазвития тропический циклон должен горизонтально смещаться. Покидая теплую подстилающую поверхность, он лишается достаточного количества внешней энергии и ослабевает.

Тепловую машину шестого рода

образуют синоптические вихри, развивающиеся в океанах на границах течений и являющиеся физическим аналогом циклонов и антициклонов атмосферы. Такие вихри (ринги) были обнаружены еще в 30-х годах XX в. вдоль восточной границы Гольфстрима, но основательно их стали изучать с помощью современных космических и океанографических средств. По характеру вращения синоптические вихри бывают циклоническими и антициклоническими. Условием для образования вихря является неустойчивость циркуляции на периферии основного течения, способствующая его меандрированию. По мере усиления пограничного течения, меандр отпочковывается в вихрь, существующий самостоятельно в течение нескольких дней, недель и даже месяцев (в истории известны вихри, наблюдавшиеся до полутора лет). Средний диаметр океанских вихрей синоптического масштаба составляет 100 км, время жизни — до трех месяцев. Влияние вихря прослеживается до глубины 1500 м. Существуют предположения, что вихри охватывают всю толщу вод Мирового океана. Синоптические вихри воздействуют на теплообмен океана с атмосферой (считается, что именно в этом диапазоне частот энергия атмосферы передается в океан), тепловое поле океанического дна, а также на термическую, физическую, химическую и биологическую структуры вод.

Циркуляция атмосферы в первом приближении складывается из горизонтальных

(зональных и меридиональных) и
вертикальных движений. Зональные переносы
(вдоль параллелей) преобладают. Они на порядок интенсивнее меридиональных и на два порядка — вертикальных движений. Хотя
меридиональные движения
слабее зональных, их значение велико, так как они осуществляют межширотный обмен воздуха и сглаживают межширотные контрасты. Поэтому реальная температура воздуха на экваторе оказывается на 13,6°С ниже солярной (рассчитанной по радиационному равновесию) температуры. Средняя температура в районе Северного полюса составляет -19,0°С, что выше солярной на 25,0°С. На Южном полюсе средняя температура равна -36,5°С, что выше солярной на 7,5°С. Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца. Воздух атмосферы и воды океанов также находятся в непрерывном движении. Для поддержания движений в географической оболочке необходима движущая сила, которая возбуждает географические процессы. Эта энергия приходит от Солнца. Лучистая энергия перехватывается атмосферой и поверхностью Земли. Значительная ее часть поглощается, другая рассеивается и отражается в межпланетное пространство. Неравенство в поступлении тепла обусловливает движения в атмосфере и океане — возникает перенос тепла от экватора к полюсам. Эти движения изменяются вследствие вращения Земли. Важную роль в перераспределении тепла играет взаимодействие между атмосферой и гидросферой. Определенный вклад в этот процесс вносят локальные факторы, которые существенно осложняют сложившиеся взаимодействия компонентов, вследствие чего в природе существует множество отклонений.

Как сделать своими руками?

Самостоятельно сделать геотермальное отопление, некоторое подобие электростанций (геоэс), довольно трудно, но вполне возможно. Рядок с домом нужно соорудить конструкцию из замкнутой обвязки труб и поместить ее на значительную глубину. Размер коллектора и конструкция змеевика зависит от степени теплопроводности и глубины залегания грунта. Если браться за монтаж геотермального обогрева дома своими руками, то внешний контур лучше приобрести уже готовым.

Для создания минимальных условий функционирования геотермальной системы, нужно соблюсти следующие условия:

1. Температура слоя почвы, где будет находиться контур труб, не должна опускаться ниже +5°C.
2. На протяжении всей обвязки с антифризом должна быть сделана изоляция, которая защитит контур от промерзания.
3. Термальный обогрев здания выполняется после тщательных расчетов и создания проекта.

С учетом данных требований становится понятно, что геотермальное отопление может быть эффективным. Однако для северных регионов применение подобной установки оправдано для обогрева зданий небольшой площади – до 200 кв.м.

Рассмотрим только способы, как создать горизонтальное геотермальное отопление дома своими руками под грунтом или водой. Монтировать коллектор вертикально намного сложнее и очень затратно.

Тепловой насос – не займет много пространства, ведь это оборудование по размеру сопоставимо с обычным котлом. Подсоединить нанос к внутреннему контуру здания – тоже не трудно. Основная задача – обустроить внешний контур.

Лучше всего установить коллектор в водоеме на расстоянии не больше 100 метров. Нужно, чтобы площадь пруда была больше 200 кв.м., а глубина – не менее 3-3,5 метров. Если у вас нет прав на пользование данным водоемом, то вам придется сначала получить разрешение на установку необходимого оборудования.

Если же пруд находится в вашей собственности, то вам не составит труда на время осушить его, чтобы без проблем по спирали уложить и закрепить трубы на его дне. Земляные работы заключаются только в рытье траншеи, необходимой для подключения к геотермальному насосу внешнего контура. Завершив все монтажные работы, водоем снова можно заполнить.

Если на вашем участке еще нет зеленых насаждений и множества сооружений, то можно спроектировать горизонтальный способ размещения теплообменника под землей. Для этого нужно рассчитать, какую площадь займет будущий коллектор, учитывая параметры, указанные выше: 250-300 кв.м. контура на 100 кв.м. площади здания.

Если же на вашем участке есть деревья и временные постройки, но вы очень хотите сделать горизонтальное геотермальное отопление, то все сооружения и зеленые насаждения придется вырубить и снести. Процесс сложный, трудоемкий, но необходимый.

Вертикальные коллекторы для отопления дома от земли

Чаще всего используются именно такие коллекторы – их погружают в землю на глубину в несколько десятков метров. Для этого на незначительном расстоянии от дома бурят нужное количество скважин, в них затем помещают трубы (обычно из сшитого полиэтилена). На такой глубине температура грунта остается высокой и стабильной, соответственно, отопление частного дома теплом земли получается высокоэффективным. При таком варианте для коллекторов не требуется большая площадь. Однако следует учитывать существенный недостаток данной схемы: отопление из недр земли обходится дорого. Разумеется, первоначальные затраты впоследствии окупятся, но все же далеко не каждая семья может позволить себе такие расходы. Цена бурения высока, и на то, чтобы сделать несколько скважин глубиной в 50 метров, денег потребуется немало.

Горизонтальные коллекторы для обогрева дома теплом земли

Их используют в регионах с относительно теплым климатом, где глубина промерзания почвы не превышает 1-1,5 метров. Организовать отопление дома от земли в данном случае гораздо проще, ведь траншеи можно выкопать и самостоятельно, и стоимость работ значительно уменьшится.

Но и у такой схемы есть недостатки. Прежде всего, выполнить отопление из земли своими руками не так-то просто: например, для дома площадью 275 «квадратов» потребуется уложить в траншеи 1200 метров труб. Помимо того, что придется потратить много времени на копание траншей, трубы еще и займут большую площадь. Использовать этот участок, например, для сада или огорода, нельзя: корни растений будут перемерзать из-за особенностей работы коллектора.

Таким образом, отопление энергией земли является хорошей идеей, но весьма сложной в реализации. Аналогично обстоят дела и с солнечным обогревом. Именно по этой причине альтернативные источники энергии на сегодняшний день мало распространены.

Способы работы системы

Это эффективная и экологичная система – термальное отопление, принцип работы ее может протекать в трех основных способах:

1. Используется тепловая энергия глубоких грунтовых вод. Такая вода – высокой температуры, тепловой насос ее поднимает и нагревает. Далее вода идет через теплообменник, отдавая основную часть своей энергии.
2. Данный способ требует от владельцев дополнительных расходов. В глубину грунта от 75 м и ниже спускают резервуар, в котором находится антифриз. Он нагревается и при помощи теплового насоса поднимается к теплообменнику. После того, как тепло отдается теплообменнику, антифриз идет обратно в резервуар.
3. А для третьего способа работы системы вообще не требуется оборудовать грунтовую шахту. Такое отопление из земли подойдет для обогрева зданий, имеющих выход на водоем. Так, по дну водоема от теплообменника ставятся зонды горизонтального типа и преобразовывают тепло воды на дне.

Виды тепловых насосов