Geotermalna toplotna črpalkaje inovativno sredstvo za organiziranje avtonomnega ogrevanja v zasebnih domovih. Bistvo opreme je uporaba kot vir ogrevanja ali hlajenja hladilne tekočine naravne temperature Zemlje.
Vroča vročina ali huda zmrzal buči le na površini našega planeta. Nekaj metrov globoko in temperatura postane skoraj konstantna. Pozimi je v globinah Zemlje toplejše kot na tleh, poleti pa hladneje.
Tako se lahko sistemi z geotermičnimi črpalkami uporabljajo ne samo za ogrevanje, ampak tudi za hlajenje zgradb. Za učinkovitejše delovanje geotermalnih črpalk se ogrevalni sistem s svojo udeležbo pogosto kombinira s sončnimi kolektorji.
Tipični diagram črpalk
- Splošna načela delovanja geotermalnih črpalk
- Kako je zgrajena geotermalna toplotna črpalka
- Možnosti za izdelavo sistemov, ki uporabljajo razlike v temperaturah tal
- 1. Sistemi z neposredno izmenjavo
- 2. Sistemi z zaprto zanko
- 7. Odprti geotermalni toplotni sistemi
- Glavne enote geotermalnega ogrevalnega sistema
- Samo-namestitev geotermalnega ogrevalnega sistema
- Video - Geotermalna toplotna črpalka z lastnimi rokami
Splošna načela delovanja geotermalnih črpalk
Pojem "geotermalna energija" za določitev te vrste podpore za določeno temperaturo v hiši ni povsem pravilen. Najpogosteje pod geotermalno energijoenergija se nanaša na segrevanje določenih delov zemeljske skorje pod vplivom magme, ki se dviguje iz globin Zemlje. Najbolj presenetljiv primer so vroči geotermalni viri.
Lastna oprema
\ tRazliko med temperaturo površinske plasti zemlje in temperaturo na njeni globini se lahko uporablja skoraj povsod. Številne študije so pokazale, da je na globini 6 metrov pod zemljo njena temperatura konstantno enaka povprečni letni temperaturi zraka v tej točki.
Glede na lokacijo bo temperatura na globini 6 m od +10 do + 16 ° S. Stalno temperaturno območje je običajno med markerji globine od 7 do 12 metrov. Razlog za ta pojav je toplotna vztrajnost.
Kako je zgrajena geotermalna toplotna črpalka
Načelo delovanja toplotne črpalke, ki uporablja temperaturno razliko, je praktično analogno delovanju običajnega hladilnika ali klimatske naprave. Takšne črpalke prenašajo toploto iz hladnega prostora v toploto, v nasprotni smeri od naravnega širjenja toplote, ali v naravni smeri in pospešujejo prenos. V prvem primeru sistem deluje kot hladilnik, v drugem pa kot grelec.
Vendar pa takšne črpalke niso vse močne. Strokovnjaki menijo, da se njihova učinkovitost močno zmanjša, če je temperatura zunanjega zraka nižja od 5 ° C. Učinkovitost (učinkovitost takih sistemov) se giblje med 3-6% v najhladnejšem obdobju.
Stroški namestitve takšnih sistemov ogrevanja in hlajenja so na splošno višji od stroškov drugihavtonomni viri ogrevanja. Po izračunih zahodnih strokovnjakov se razlika v ceni oblikovanja in gradnje običajno izplača v obdobju od 3 do 10 let, kar je posledica splošnih prihrankov energije. Višje obdobje vračila lahko povzroči le ciljno financiranje ali davčne spodbude.
Življenjska doba dobro zasnovanega in zgrajenega ogrevalnega sistema, ki uporablja geotermalne toplotne črpalke, je ocenjena na 25 let za notranje komponente sistema in več kot pol stoletja za zunanji tokokrog.
Tranzitni kanal
Zunanji obris direktnega sistema izmenjave toplote
Možnosti za gradbene sisteme, ki uporabljajo temperaturno razliko tal
Glavni del ogrevalnega sistema, zgrajenega na tem principu, je vezje neposrednega prenosa toplote. Ta komponenta stane od 1/5 do 1/2 celotnih stroškov sistema in je najbolj zapleten del.
Pri izgradnji takega sistema so zelo pomembne primarne geološke študije: njegova energetska učinkovitost se izboljša za približno 4% za vsakega 1 ° C, ki izhaja iz pravilne lokacije tokokroga izmenjave toplote.
Pri horizontalni razporeditvi toplotno izmenjevalnih vezij na globinah od 1 do 2,4 m bo ta del naprave doživel sezonske cikle temperaturnih nihanj zaradi naravnega sončnega ogrevanja in toplotnih izgub v zraku na tleh. Ti cikli temperaturnih nihanj zaostajajo za spremembo letnih časov zaradi toplotne inercije.
GlobokoVertikalni sistemi z nagibom izmenjevalnikov toplote na oznakah od 30 do 160 metrov so odvisni samo od geološke migracije toplote.
1. Sistemi z neposredno izmenjavo
Neposredni toplotni izmenjevalniki s tlemi (v nasprotju s kombinacijo hladilnih zank in vodnih zank) se uporabljajo v toplotnih črpalkah z direktno toplotno črpalko. Hladivo izstopi iz ohišja toplotne črpalke, kroži skozi zanko bakrene cevi, ki se nahaja pod zemljo, in pred povratkom v črpalko izmenjuje toploto z zemljo.
Ime "neposredna izmenjava" se nanaša na prenos toplote med zanko in hladilno tekočino in zemljo brez uporabe vmesne tekočine. V takem sistemu ni neposredne interakcije med tekočino in zemljo, ampak le prenos toplote skozi steno cevi. Toplotne črpalke z enosmernim tokom se redko uporabljajo, zato jih ne smemo zamenjevati z opremo, ki deluje na osnovi izmenjave toplote skozi vmesne konture.
Vendar pa so sistemi neposredne izmenjave učinkovitejši in imajo potencialno nižje stroške namestitve kot sistemi z zaprtim krogom z vodnimi krogi. Visoka toplotna prevodnost bakra prispeva k izboljšanju učinkovitosti sistema, vendar je toplotni tok večinoma omejen s toplotno prevodnostjo zemlje in ne s cevmi.
Glavni razlogi za visoko učinkovitost take opreme so pomanjkanje vodne črpalke (ki uporablja elektriko), odsotnost izmenjevalnika toplote med vodo in hladilnim sredstvom, ki je vir toplotnih izgub.
Hkrati zahtevajo več hladilnega sredstva in so njihovi cevni sistemidražje.
2. Sistemi z zaprto zanko
Večina trenutno nameščenih sistemov ima dve zanki:
- primarno konturo s hladilnim sredstvom;
- sekundarna kontura, napolnjena z vodo, ki se nahaja pod zemljo.
Sekundarna kontura je običajno izdelana iz polietilenskih cevi visoke trdnosti in vsebuje mešanico vode in antifriza (propilen glikol, denaturirani alkohol ali metanol).
Po izstopu iz notranjega toplotnega izmenjevalnika voda teče skozi sekundarno vodo iz stavbe za izmenjavo toplote z zemljo pred vrnitvijo. Sekundarna kontura se nahaja pod zmrzovalno linijo, kjer je temperatura bolj stabilna ali potopljena v najbližji razpoložljivi rezervoar.
Sistemi, ki se nahajajo v zemlji, nasičeni z vlago ali vodo, so na splošno učinkovitejši od suhih talnih zank. Če je površina na vašem območju suha, potem skupaj z obrisom, priporočamo, da postavite drenažno cev, vlažilno zemljo okoli talne zanke.
Zaprti sistemi imajo nižjo učinkovitost kot sistemi neposredne izmenjave, ker zahtevajo daljši cevovodni sistem in veliko količino zemeljskih ali vrtalnih operacij.
Podzemni krog geotermalnega sistema se lahko namesti vodoravno v obliki zanke v jarkih ali navpično v obliki več dolgih U-oblikovanih struktur. Velikost tečaja je odvisna od vrste tal in vsebnosti vlage, povprečne temperature in možnih toplotnih izgub ter drugih značilnosti.
3. Zaprti sistemi zvertikalna razporeditev cevi
Oblika takega zaprtega sistema je sestavljena iz cevi, ki gredo navpično na tla. Globina prodora je od 15 do 120 metrov. Pari cevi v vsaki vrtini so povezani z U-oblikovanim prečnim priključkom na dnu rudnika. Vdolbinice pod cevi so običajno napolnjene s posebno raztopino, ki zagotavlja toplotno lepljenje z okoliško zemljo ali skalo, da se izboljša prenos toplote. Posebna rešitev tudi ščiti podtalnico pred kontaminacijo.
Vertikalna lokacija geotermalnih cevi
4. Zaprti sistemi s horizontalno razporeditvijo cevi
\ tOblika takšnega zaprtega sistema je sestavljena iz cevi, ki vodoravno prehajajo v zemljo, U-oblike ali obročasti obrati cevovoda, zakopani v zemljo pod zmrzovalno linijo.
Kovčki s fiksno konturo
\ tZemeljska dela pri namestitvi takšnega sistema stanejo dvakrat ceneje kot vertikalno vrtanje. Takšna tehnologija se uporablja povsod, kjer je na mestu dovolj prostora.
Možnost gradnje geotermalne energije
Za ponazoritev grelni sistem tega tipa v ločeni stavbi, ki porabi 10 kW toplotne moči, zahteva tri zanke dolžine od 120 do 180 metrov.
5. Sistem usmerjenega vrtanja
Alternativno se lahko jarki zanke tokokroga geotermalne toplotne črpalke polagajo s tehnologijo vodoravnega vrtanja. Ta tehnologija omogoča polaganje cevi pod dvorišče,ceste, vrtove in druge infrastrukturne elemente, ne da bi jih uničili.
Stroški takšnega sistema se razlikujejo med ceno konstrukcij z uporabo jarkov in stroški konstrukcije z vertikalnim vrtanjem. Ta sistem se lahko razlikuje tudi od konstrukcij jarkov ali vertikalnega vrtanja, saj so zanke lahko priključene na eno centralno kamero, kar še dodatno zmanjša potreben prostor. Sistemi, ki uporabljajo usmerjeno vrtanje, so pogosto nameščeni naknadno, to je po izgradnji stavbe.
6. Namestitev tokokroga v rezervoar
Ogrevalni krog pred potopitvijo na dno rezervoarja
\ tZaprti sistem s potopljeno konturo na dnu rezervoarja je sestavljen iz cevovodov, ki so zaprti v obliki zank in se nahajajo na dnu ribnika ustrezne velikosti ali drugega vodnega vira.
Sistem razporeditve cevi v rezervoarju
7. Odprti geotermalni toplotni sistemi
V odprtih geotermalnih sistemih (imenovanih tudi toplotne črpalke) se v sekundarnem obrisu črpalk iz črpališča ali rezervoarja črpa naravna voda. Nato voda vstopi v toplotni izmenjevalnik znotraj toplotne črpalke. Po odstranitvi toplote in njenem prenosu v primarni hladilni krogotok se voda vrne v vdolbino, v namakalne jarke ali v rezervoar. Krmila in povratni vodi morajo biti nameščeni dovolj daleč, da zagotovijo dobavo toplote viru, saj kemijska sestava vode netoplotna črpalka in cevovodi morajo biti zaščiteni pred korozijo zaradi različnih kovin v izmenjevalniku toplote in črpalki. Tudi sistem lahko onesnaži peno in jo boste morali občasno očistiti.
V primeru, da uporabljena voda vsebuje visoko vsebnost soli, mineralov, železa, bakterij ali vodikovega sulfida, je bolje uporabiti zaprte sisteme.
Odprti geotermalni ogrevalni sistemi, ki uporabljajo podzemne vode, so na splošno učinkovitejši od zaprtih sistemov, ker bolje uporabljajo temperaturno razliko. Sistemi z zaprto zanko morajo še vedno oddajati toploto skozi dodatne plasti stene cevi in tal.
Vendar se pri nameščanju takšnih sistemov lahko pojavijo pravne težave, saj lahko povzročijo ohlapne vodonosnike ali onesnažijo vrtine. To prisili graditelje, da uporabljajo okolju prijaznejše zaprte sisteme.
8. Klipni sistem
Geotermalno hlajenje ali ogrevalni sistem je posebna vrsta zaprtih sistemov. Voda v tej zasnovi prihaja iz dna globokega vodnjaka pasme, ki prehaja skozi toplotno črpalko in se vrne na vrh vodnjaka, kjer potuje navzdol in izmenjuje toploto z okoliško skalo.
Sistemi s tekočim stebrom se običajno uporabljajo na omejenih območjih območja. Ta oblika ni priporočljiva za uporabo na peščenih in glinenih tleh. Oblika lahko vključuje tudi več stebrov tekočine.Priljubljena je v stanovanjskih in majhnih poslovnih stavbah.
Glavne enote geotermalnega ogrevalnega sistema
Toplotna toplotna črpalka
Toplotna črpalkaje osrednja enota geotermalnega hladilnega ali ogrevalnega sistema. Navzven in funkcionalno je podoben hladilniku.
Nekateri modeli takšnih toplotnih črpalk lahko ne samo ogrevajo prostore, temveč jih tudi hladijo, ogrevajo vodo in zagotavljajo potrebo po dobavi tople vode.
Ogrevani ali hlajeni zrak se lahko dovede v končno napravo ogrevalnega ali klimatskega sistema s kroženjem vode ali s prisilnim dovodom zraka. Skoraj vse vrste toplotnih črpalk so izdelane za komercialne in gospodinjske namene.
Toplotne črpalke s tekočim zrakom(imenovane tudi "voda-zrak") se pogosto uporabljajo za nadomestitev zastarelih centralnih klimatskih naprav.
Toplotna črpalka s tekočo vodo
Toplotne črpalke s tekočo vodo(imenovane tudi "voda-voda") so hidravlični sistemi, ki uporabljajo dve konturi, napolnjeni s tekočino za izmenjavo toplote med njimi. Taki sistemi običajno dobavljajo opremo za prenos toplote, kot so tla z vodnim hlajenjem, grelniki radiatorjev s tekočim hladilom. Takšne naprave lahko ogrevajo vodo na temperaturo okoli 50 ° C, medtem ko temperatura hladilne tekočine na izstopu iz konvencionalnega kotla doseže 65-95 ° C. Tako v sistemih z geotermalnimi črpalkami.ni mogoče uporabiti radiatorjev za višje temperature.
Geotermalne toplotne črpalke so še posebej primerne za talno ogrevanje, ki zahteva relativno nizke temperature do 40 ° C. Uporaba velikih površin, kot so tla, je v nasprotju z radiatorji enakomernejša razporeditev toplote in omogoča učinkovito uporabo nižje temperature vode. Talne obloge iz lesa ali talne obloge oslabijo ta učinek, ker je toplotna učinkovitost prenosa teh materialov nižja kot pri kamnitih tleh (ploščice, beton).
Obstajajo tudi kombinirane toplotne črpalke, ki lahko istočasno prisili kroženje zraka in vode. Ti sistemi se uporabljajo predvsem za stavbe s kombinacijo klimatske naprave in tekočega ogrevanja.
Samo-namestitev geotermalnega ogrevalnega sistema
Neodvisna namestitev geotermalnega ogrevalnega in klimatskega sistema zahteva resne denarne vbrizgavanje in nekatere tehnološke spretnosti.
Zaradi velikega obsega in kompleksnosti gradbenih del, ki se izvajajo, je načrtovanje in izgradnja geotermalnih sistemov za ogrevanje in hlajenje bolje pripisati specializirani organizaciji s potrebnimi izkušnjami. Prav gotovo ne boste mogli samostojno izdelati izmenjevalne toplotne črpalke - njihova proizvodnja doma ni tako razširjena.
Za podrobnejši pregled postopka izgradnje geotermalnih toplotnih črpalk si oglejte študijski video.
