Systemy ogrzewania geotermalnego domu wiejskiego: cechy samodzielnej instalacji

Wiemy, że geotermia to ciepło Ziemi, a pojęcie «geotermalny» często kojarzy się nam z wulkanami i gejzerami. W Rosji energia geotermalna jest wykorzystywana głównie na skalę przemysłową, na przykład istnieją dalekowschodnie elektrownie działające w oparciu o ciepło naszej planety.

Wielu jest przekonanych, że wykonanie geotermalnego ogrzewania domu własnymi rękami to coś z dziedziny fantastyki. Czyż nie? Ale to zupełnie nieprawda! Wraz z rozwojem nowoczesnych technologii domowe wykorzystanie “zielonej energii” stało się całkiem realne.

Opowiemy o zasadach działania alternatywnego ogrzewania, jego zaletach i wadach, porównamy z tradycyjnymi systemami grzewczymi. Dowiedzą się Państwo również o sposobach rozmieszczania wymiennika ciepła oraz o tym, jak samodzielnie zamontować ogrzewanie geotermalne.

Kilka faktów historycznych

Kiedy w latach 70. ubiegłego wieku wybuchł kryzys naftowy, na Zachodzie pojawiła się paląca potrzeba alternatywnych źródeł energii. Właśnie w tym czasie zaczęto tworzyć pierwsze geotermalne systemy grzewcze.

Obecnie są szeroko rozpowszechnione w Stanach Zjednoczonych, w Kanadzie i w krajach Europy Zachodniej.

Na przykład w Szwecji aktywnie wykorzystuje się wodę z Morza Bałtyckiego o temperaturze +4°C. W Niemczech wdrażanie geotermalnych systemów grzewczych jest nawet sponsorowane na poziomie państwowym.

W Rosji działają elektrownie geotermalne: Paużecka, Wierchnie-Mutnowska, Okeańska i inne. Jednak faktów wykorzystania energii Ziemi w naszym sektorze prywatnym jest bardzo mało.

Rzeczywiste zalety i wady

Jeśli w Rosji geotermalne ogrzewanie sektora prywatnego zyskało stosunkowo niewielkie rozpowszechnienie, czy to oznacza, że pomysł nie jest wart kosztów jego realizacji? Może nie warto się tym zajmować? Okazało się, że tak nie jest.

Korzystanie z systemu geotermalnego ogrzewania mieszkania to korzystne rozwiązanie. Jest ku temu kilka powodów. Należy do nich szybki montaż urządzeń, które są w stanie pracować przez długi czas bez żadnych przerw.

Jeśli w systemie grzewczym zamiast wody użyje się wysokiej jakości płynu niezamarzającego, nie ulegnie on zamarzaniu, a jego zużycie będzie minimalne.

Wymieńmy również inne zalety tego rodzaju ogrzewania.

• Procedura spalania paliwa jest wyeliminowana. Tworzymy całkowicie bezpieczny przeciwpożarowo system, który w trakcie eksploatacji nie jest w stanie wyrządzić żadnych szkód mieszkaniu. Ponadto eliminuje się szereg innych kwestii związanych z obecnością paliwa: nie trzeba już szukać miejsca do jego przechowywania, zajmować się jego przygotowaniem czy dostawą.
• Znaczna korzyść ekonomiczna. W trakcie eksploatacji systemu nie będą wymagane żadne dodatkowe inwestycje. Coroczne ogrzewanie zapewniają siły natury, których nie kupujemy. Oczywiście podczas pracy pompy ciepła zużywana jest energia elektryczna, jednak ilość wytworzonej energii znacznie przewyższa wielkość zużycia.
• Czynnik ekologiczny. Geotermalne ogrzewanie prywatnego domu wiejskiego to ekologicznie bezpieczne rozwiązanie. Brak procesu spalania eliminuje przedostawanie się produktów spalania do atmosfery. Jeśli wielu to uświadomi i taki system zaopatrzenia w ciepło upowszechni się należycie, negatywny wpływ ludzi na przyrodę wielokrotnie się zmniejszy.
• Kompaktowość systemu. Nie będzie Pan/Pani musiał(a) organizować w swoim domu oddzielnego pomieszczenia kotłowni. Wszystko, co będzie potrzebne, to pompa ciepła, którą można umieścić np. w piwnicy. Najbardziej obszerny obieg systemu będzie znajdował się pod ziemią lub pod wodą, na powierzchni Pana/Pani działki nie zobaczy go Pan/Pani.
• Wielofunkcyjność. System może pracować zarówno do ogrzewania w zimne pory roku, jak i do chłodzenia w okresie letnich upałów. To znaczy, w zasadzie, zastąpi Panu/Pani nie tylko grzejnik, ale i klimatyzator.
• Komfort akustyczny. Pompa ciepła działa praktycznie bezgłośnie.

Wybór geotermalnego systemu ogrzewania jest ekonomicznie opłacalny, mimo że trzeba będzie ponieść wydatki na zakup i instalację sprzętu.

Nawiasem mówiąc, jako wadę systemu wymienia się właśnie koszty, które trzeba ponieść, aby zainstalować system i przygotować go do pracy. Konieczny będzie zakup samej pompy i niektórych materiałów, wykonanie prac związanych z montażem kolektora zewnętrznego i obiegu wewnętrznego.

Zresztą te wydatki zwracają się już po kilku pierwszych latach eksploatacji. Późniejsze wykorzystanie kolektora umieszczonego w gruncie lub zanurzonego w wodzie pozwala zaoszczędzić znaczne środki.

Ponadto sam proces montażu nie jest na tyle skomplikowany, aby zapraszać do jego wykonania zewnętrznych specjalistów. Jeśli nie zajmować się wierceniem, to wszystko inne można zrobić samodzielnie.

Należy zaznaczyć, że niektórzy majsterkowicze, w dążeniu do oszczędności, nauczyli się samodzielnie montować geotermalną pompę ciepła.

O źródłach ogrzewania geotermalnego

Do geotermalnego ogrzewania można wykorzystać następujące źródła ziemskiej energii cieplnej:

• wysokotemperaturowe;
• niskotemperaturowe.

Do wysokotemperaturowych należą na przykład źródła termalne. Można je wprawdzie wykorzystać, ale zakres ich zastosowania ogranicza się do faktycznego miejsca występowania takich źródeł.

Jeśli w Islandii ten rodzaj energii jest aktywnie wykorzystywany, to w Rosji wody termalne znajdują się daleko od osiedli. Maksymalnie są skoncentrowane na Kamczatce, gdzie wodę podziemną stosuje się jako nośnik ciepła i dostarcza do systemów ciepłej wody użytkowej.

Natomiast do zastosowania źródeł niskotemperaturowych mamy wszystkie niezbędne przesłanki. Do tego celu nadadzą się otaczające masy powietrza, ziemia lub woda.

Do pozyskania potrzebnej energii wykorzystuje się pompę ciepła. Za jej pomocą następuje przekształcenie temperatury otoczenia w energię cieplną nie tylko do ogrzewania, ale także do ciepłej wody użytkowej w prywatnym gospodarstwie domowym.

Zasada działania takiego ogrzewania

Jeśli Pan/Pani zna sposób działania klimatyzatora lub lodówki, to podobieństwo tych procesów do zasady funkcjonowania ogrzewania geotermalnego jest oczywiste. Podstawę systemu stanowi pompa ciepła, która jest włączona w dwa obiegi – zewnętrzny i wewnętrzny.

Aby zorganizować tradycyjny system ogrzewania w dowolnym domu, należy zamontować w nim rury do transportu nośnika ciepła oraz grzejniki, których nagrzewanie powoduje dostarczanie ciepła do pomieszczeń. W naszym przypadku również potrzebne są rury i grzejniki. Tworzą one wewnętrzny obieg systemu. Do schematu mogą zostać dodane ogrzewanie podłogowe.

Obwód zewnętrzny wygląda znacznie większy od wewnętrznego, choć jego rozmiary można ocenić tylko w trakcie planowania i montażu. Podczas eksploatacji jest niewidoczny, ponieważ znajduje się pod ziemią lub pod wodą. Wewnątrz tego obwodu krąży zwykła woda lub płyn niezamarzający na bazie glikolu etylenowego, co jest znacznie korzystniejsze.

Czynnik grzewczy W obwodzie zewnętrznym nagrzewa się do stanu środowiska, w którym jest zanurzony, i wysyłany jest w stanie „podgrzanym” do pompy ciepła. Poprzez nią skoncentrowane ciepło przekazywane jest do obwodu wewnętrznego, w wyniku czego woda w rurach, grzejnikach i ogrzewaniu podłogowym nagrzewa się.

Tak więc kluczowym elementem ożywiającym cały system jest pompa ciepła. Jeśli w Twoim domu jest zwykła pralka, to wiedz: ta pompa zajmie mniej więcej podobną powierzchnię.

Do pracy potrzebuje energii elektrycznej, ale zużywając zaledwie 1 kW, zapewnia wytworzenie 4-5 kW ciepła. I to nie cud, ponieważ źródło „dodatkowej” energii jest znane – to środowisko naturalne.

Dwa rodzaje rozmieszczenia wymiennika ciepła

Istnieją dwa warianty ogrzewania domu prywatnego z wykorzystaniem niskotemperaturowej energii elementów środowiska naturalnego. Podstawą systemu we wszystkich trzech przypadkach jest pompa geotermalna.

Obwód wewnętrzny pozostaje bez zmian dla każdego sposobu ogrzewania, a główna różnica polega na umiejscowieniu obwodu zewnętrznego.

Ogrzewanie geotermalne może być z wymiennikiem ciepła umieszczonym:

• pionowo – umieszczane w odwiertach, które otwierają lub nie otwierają warstwy wodonośnej;
• poziomo – wymienniki ciepła systemów układa się w wykopie lub otwartym zbiorniku wodnym w formie swoistej wężownicy.

Każdy z przedstawionych tutaj rodzajów ogrzewania charakteryzuje się swoimi cechami, wadami i zaletami.

Jeśli zamierzasz stworzyć taki system ogrzewania własnymi rękami, będzie cię interesować poznanie każdego z rodzajów bardziej szczegółowo.

Wariant nr 1. Pionowe umieszczenie kolektora zewnętrznego

Ten rodzaj ogrzewania opiera się na interesującym zjawisku naturalnym: na głębokości 50-100 m i więcej od powierzchni ziemia przez cały rok ma jednakową i stałą temperaturę 10-12°C.

Aby móc korzystać z tej energii ziemi, konieczne jest wiercenie pionowych odwiertów. Technologia jest praktycznie analogiczna do przygotowania źródła ujęcia wody.

W celu maksymalnego zachowania krajobrazu można wywiercić kilka rur z jednego punktu początkowego, ale pod różnymi kątami.

Zewnętrzny obieg systemu zostanie zamontowany bezpośrednio w tych odwiertach. Pozwoli to efektywnie odebrać ziemi jej ciepło. Oczywiście, ten sposób trudno nazwać prostym i niskobudżetowym.

Jest on aktualny w przypadku, gdy teren przylegający do domu jest już zagospodarowany, a naruszenie jego krajobrazu jest niecelowe. Głębokość wiercenia odwiertu może sięgać od 50 do 200 metrów.

Konkretne parametry odwiertu zależą od sytuacji geologicznej na działce i parametrów przyszłej konstrukcji. Okres eksploatacji takiej konstrukcji wynosi około 100 lat.

Do urządzenia pionowego wariantu systemu z wymiennikiem ciepła pobierającym energię z wody podziemnej, konieczne będzie wywiercenie dwóch studni wodonośnych.

Z jednej z nich, zwanej studnią produkcyjną, za pomocą pompy pobierana jest woda, która po przekazaniu ciepła jest odprowadzana do drugiej, odbiorczej studni.

Wariant nr 2. Poziome umieszczenie kolektora gruntowego

Aby ułożyć obieg zewnętrzny w poziomym typie ogrzewania, należy wiedzieć, na jaką głębokość zamarza grunt w Państwa okolicy.

Rury układa się poniżej poziomu zamarzania w uprzednio przygotowanych rowach, zajmując przy tym dość dużą przestrzeń: aby ogrzać dom o powierzchni 200–250 m², należy użyć około 600 m² wymiennika ciepła. Czyli sześć arów.

Jasne, że w takich warunkach zakres robót ziemnych będzie znaczny. Ponadto należy uwzględnić w planie rozmieszczenie drzew i innej roślinności na działce, aby ich nie zamrozić. Na przykład nie można układać rur kolektora bliżej niż półtora metra od drzew.

Ten sposób montażu stosuje się z reguły w przypadkach, gdy działka jest dopiero przystosowywana pod zabudowę. Wszelkie obliczenia i plany dotyczące budowy domu, organizacji jego ogrzewania oraz planowania działki najlepiej wykonać jednocześnie.

Zanurzenie poziomego wymiennika ciepła w zbiorniku wodnym

Ten sposób wymaga szczególnego położenia posesji – w odległości około 100 m od zbiornika wodnego o wystarczającej głębokości. Ponadto wspomniany zbiornik wodny nie może zamarzać do samego dna, gdzie będzie umieszczony obieg zewnętrzny systemu. W tym celu powierzchnia zbiornika wodnego nie może być mniejsza niż 200 m².

Oczywistą zaletą tej metody jest brak konieczności wykonywania żmudnych robót ziemnych, choć z podwodnym umieszczeniem kolektorów jednak trzeba się trochę pomęczyć. I wymagane będzie również specjalne zezwolenie na prowadzenie takich prac.

Geotermalna instalacja wykorzystująca energię wody jest jednak najbardziej ekonomiczna.

Własnymi rękami: co i jak

Jeśli już montować geotermalne ogrzewanie własnoręcznie, to zewnętrzny obwód lepiej jednak kupić w gotowej postaci. Oczywiście rozpatrujemy tylko sposoby poziomego ułożenia zewnętrznego wymiennika ciepła: pod powierzchnią gruntu lub pod wodą.

Samodzielne zamontowanie pionowego kolektora studziennego jest znacznie trudniejsze, jeśli nie posiada się sprzętu i umiejętności wiercenia.

Pompa ciepła nie jest zbyt dużym urządzeniem. W Państwa domu nie zajmie wiele miejsca. Pod względem rozmiaru jest porównywalna na przykład z konwencjonalnym kotłem na paliwo stałe. Podłączenie do niej wewnętrznego obwodu Państwa domu to proste zadanie.

W zasadzie robi się wszystko dokładnie tak samo, jak przy organizacji i rozwodzie ogrzewania z wykorzystaniem tradycyjnych źródeł ciepła. Główną trudnością jest wykonanie zewnętrznego obwodu.

Najlepszym rozwiązaniem będzie wykorzystanie zbiornika wodnego, jeśli taki znajdzie się w odległości nie większej niż 100 m. Konieczne jest, aby jego powierzchnia przekraczała 200 m², a głębokość – 3 m (średnia głębokość przemarzania). Jeśli ten zbiornik nie należy do Państwa, problemem może być uzyskanie pozwolenia na jego użytkowanie.

Jeśli natomiast zbiornik jest stawem, który jest Państwa własnością, sprawa się upraszcza. Wodę ze stawu można tymczasowo wypompować. Wtedy prace na jego dnie można wykonywać łatwo: trzeba ułożyć rury spiralnie, mocując je w tej pozycji.

Roboty ziemne będą potrzebne tylko do wykopania rowu, który będzie potrzebny do podłączenia zewnętrznego obwodu do pompy ciepła.

Po wykonaniu wszystkich prac staw może być ponownie napełniony wodą. Przez najbliższe sto lat zewnętrzny wymiennik ciepła powinien działać bezawaryjnie i nie przysparzać kłopotów jego właścicielowi.

Jeśli dysponują Państwo działką, na której dopiero mają Państwo zamiar wznieść dom i założyć ogród, warto zaplanować poziomy wymiennik ciepła gruntowego typu.

W tym celu należy dokonać wstępnego obliczenia powierzchni przyszłego kolektora, w oparciu o parametry podane powyżej: 250-300 m² kolektora na 100 m² ogrzewanej powierzchni domu.

Rowy, w których mają być ułożone rury obwodu, należy wykopać poniżej poziomu przemarzania gruntu.

A jeszcze lepiej – po prostu zdjąć grunt na głębokość jego przemarzania, ułożyć rury, a następnie przywrócić grunt na miejsce. Praca jest pracochłonna i skomplikowana, ale mając duże pragnienie i determinację, będą Państwo w stanie ją wykonać.

Koszty i perspektywy zwrotu z inwestycji

Wydatki na sprzęt i jego montaż podczas budowy ogrzewania geotermalnego zależą od mocy urządzenia i producenta.

Producenta każdy wybiera, kierując się własnymi względami i informacjami o reputacji oraz niezawodności danej marki. Natomiast moc zależy od powierzchni pomieszczenia, które ma być obsługiwane.

Jeśli wziąć pod uwagę właśnie moc, to koszt pomp ciepła waha się w następujących zakresach:

• na 4-5 kW – 3000-7000 jednostek umownych;
• na 5-10 kW – 4000-8000 jednostek umownych;
• na 10-15 kW – 5000-10000 jednostek umownych.

Jeśli do tej kwoty dodamy koszty potrzebne na wykonanie prac montażowych (20-40%), otrzymamy kwotę, która dla wielu wyda się absolutnie nierealna.

Ale wszystkie te koszty zwrócą się w całkiem akceptowalnym okresie. W przyszłości będą Państwo musieli opłacać jedynie niewielkie wydatki na energię elektryczną niezbędną do pracy pompy. I to wszystko!

Jak pokazuje praktyka, ogrzewanie geotermalne jest szczególnie opłacalne dla domów, których całkowita ogrzewana powierzchnia wynosi 150 m². W ciągu pięciu do ośmiu lat wszystkie koszty związane z urządzeniem systemów grzewczych w tych domach w pełni się zwracają.

Jeśli ogrzewanie geotermalne nie jest szczególnie popularne wśród właścicieli domów jednorodzinnych, to skuteczność instalacji solarnych docenili już mieszkańcy południowych regionów. Technologia budowy ogrzewania słonecznego jest dość prosta, a jej ekonomiczność i praktyczność potwierdzono wieloletnim doświadczeniem użytkowania w krajach zachodnich i przez naszych rodaków.

Dodatkowe informacje o alternatywnych źródłach energii znajdują się w tym artykule.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Jeżeli łatwiej jest Państwu przyswajać informacje wizualne, to ten film pozwoli Państwu na własne oczy zobaczyć, jak dokładnie działa system geotermalny, a także dowiedzieć się więcej o tym, komu i dlaczego ten rodzaj ogrzewania jest opłacalny.

Proponujemy Państwu obejrzeć krótki film, w którym właściciel poziomego kolektora gruntowego opowie o swoich wrażeniach z jego eksploatacji. Ponadto, oglądając ten film, dowiedzą się Państwo o bieżących kosztach związanych z eksploatacją systemu ogrzewania geotermalnego.

Każdy właściciel domu jednorodzinnego sam decyduje, czy kupować usługi od organizacji dostarczających zasoby, czy polegać tylko na sobie. Przy tym kieruje się całym szeregiem rozważań.

Cel, który sobie postawiliśmy, nie polega na nakłanianiu Państwa do gotowych wniosków, ale na podzieleniu się informacjami o możliwych rozwiązaniach problemu, przed którym Państwo stoją.

Ma Państwo coś do dodania lub pojawiły się pytania na temat ogrzewania geotermalnego domu jednorodzinnego? Może Państwo zostawiać komentarze do publikacji. Formularz kontaktowy znajduje się w dolnym bloku.