Земносвързани термопомпени инсталацииефективно решение за отоплителни и охлаждащи системи Възобновяемите енергийни източници напоследък са обсъждана тема номер едно. И има защо! Изчерпването на световните запаси от въглища, нефт, дървесина, а и непрекъснато растящите цени на електро- и топлоенергията, карат обществото да търси нови и ефективни начини за усвояване на различни природни ресурси.
Стремежът на човечеството да запази малкото неизразходвани природни ресурси по-дълго време, е основният фактор за интензивното развитие и използване на възобновяеми енергийни източници. Вече никой не се учудва на термини като слънчева и вятърна енергия, хидроенергетика, двигатели, задвижвани с водородни горивни клетки и природен газ или използване на биогаз за производство на топлинна и електрическа енергия. Не на последно място в този списък стоят и земносвързаните термопомпени инсталации - ЗТИ.
Исторически погледнато, идеята да се използва натрупаната в земята топлина съвсем не е нова. Проучванията в тази област датират още от края на 18 век, но първите големи проекти за отопление на битови и промишлени сгради се реализират едва в началото на 20 век. Малко противоречиви са източниците за първата внедрена земносвързана термопомпена инсталация, като се посочват Италия, Швейцария и САЩ, но тук е по-важен стремежът за развитие в тази област и оценяването на безспорните качества на този тип инсталации.
А с какво се характеризират земносвързаните термопомпени инсталации и защо се считат за ефективни енергийни източници - ето това ще ви представим в този материал.
Земната кора представлява огромен топлинен акумулатор, който абсорбира около 46% от слънчевата енергия. В морето и водните басейни също се натрупва топлина през лятото и се отдава през зимата. Не случайно пещерите са били първите убежища на човека. При определена дълбочина температурата в тях е постоянна и не се влияе от външните атмосферни условия. Също така постоянна е и температурата на земните пластове при определена дълбочина. Разбира се, тя е различна за отделните климатични области, но специално за подпочвения слой температурата не зависи толкова от денонощните колебания, а от средните температури за сезона. При дълбочина над 10 метра земната температура е практически постоянна в границите между 10-15°С и то през цялата година. А количеството акумулирана топлина в подпочвените слоеве, сравнена с нашите собствени нужди, е огромно!
Елементи
Всяка земносвързана термопомпена инсталация има три основни елемента:
- Топлообменник, разположен в земята.
- Термопомпа.
- Топлообменници в сградата.
Топлообменникът представлява вкопани в земята полиетиленови или медни тръби. Разположението и формата му зависи от типа на избраната термопомпена инсталация - хоризонтално, в специално изкопани траншеи, или във вертикален сондаж, чиято дълбочина варира от 50 до 200-300 метра. През тръбата преминава антифризен разтвор, който поема или отдава топлината от земята към помещенията или обратно.
Термопомпата може да се разглежда като котел за отопление и като климатик за охлаждане. Като цяло работата й е базирана на компресионно-кондензаторен цикъл. При него топлината се “измъква” от обема, който я доставя (тип на енергоизточника - земя, подпочвени води или външен въздух) под формата на топлина за изпаряване на някакъв течен хладилен агент. След сгъстяване на парите в компресор до значително по-високо налягане и по-висока температура, те кондензират, като отдават своята топлина на кондензация на околното пространство, което може да бъде въздух или вода.
Съществуват най-общо три вида термопомпи, класифицирани според вида на използвания енергоизточник:
Въздух/въздух - Сред потребителите тази система е известна повече под наименованието “климатик”. Тук използваният енергоизточник е външен въздух, който да отоплява или най-често да охлажда въздуха само в едно помещение. При по-новите модификации “мулти-сплит” е възможно един климатик (термопомпа) да служи в две или повече помещения. За съжаление, способността на тези машини да отопляват е единствено при условие, че външната температура е над 0°С.
Въздух/вода - Тук като енергоизточник също се използва външен въздух, който обаче загрява или охлажда вода, която циркулира в изградена вътрешна инсталация. За разлика от посочената по-горе конфигурация, тази система може да отоплява или охлажда всички помещения в сградата, както и допълнително да загрява вода в резервоар за битови нужди. Обаче и тук при температури под 0°С е необходимо ползването на допълнителни отоплителни мощности.
Вода/вода - Като енергоизточник тук се използва директно подпочвена вода или работен флуид, циркулиращ във вкопани в земята топлообменници. Водата или работният флуид служат за загряване или охлаждане на вода, движеща се във вътрешната инсталация на сградата. Безспорно, това е най-скъпият възможен вариант, но затова пък представлява ефективно решение за отопление и охлаждане през цялата година, без значение колко е стойността на външната температура.
На пазара се предлагат и комбинирани варианти въздух или вода/вода. Както подсказва името им, те са с автоматичен избор на енергоизточника - въздух или подпочвена вода. Представляват мултифункционални устройства, които работят ефективно през цялата година - на въздух в границите между 30 до 0°С, а при температури под 0°С преминават на автоматично захранване с вода.
Топлообменниците в сградата са наличните отоплителни уреди - водно подово отопление, радиатори, конвектори и т.н. Обаче, специално при ЗТИ, специалистите препоръчват използването на конвектори, за да е възможно отоплението и охлаждането на сградата да се извършва с едно и също тяло.
Принцип на работа на ЗТИ
Земносвързаните термопомпени инсталации са средство за отнемане на натрупаната в различни природни източници (вода, въздух, земя) топлина и ефективното й използване за задоволяване на конкретни потребителски нужди (отопление или охлаждане). При това не се използват традиционно познатите горива и следователно не се замърсява околната среда. Съществува и ясно очертан икономически ефект - от 1kW изразходвана електроенергия се отдават от 4-6kW обща полезна топлина!
За да се използва такъв процес за отопляване на сгради, температурата на изпарение трябва да е достатъчно ниска, за да може да се “измъкне” топлина от околната среда, чиято температура през зимата може да бъде и под нулата. В същото време температурата на кондензация (и оттам налягането на парите на хладилния агент след компресора) трябва да бъде доста по-висока от температурите, които е необходимо да се постигнат в сградата - обикновено 20-25°С. Очевидно е, че колкото по-голяма е разликата между температурата на изпарение и температурата на кондензация, толкова по-голяма ще бъде и разликата в наляганията на парите и оттам по-голяма механичната работа, която трябва да достави компресора. Еквивалентната на тази работа топлинна енергия се отдава при кондензацията заедно с топлината, измъкната от околната атмосфера. В научната литература този процес е известен като “цикъл на Карно”.
Отношението на получената полезна обща топлинна енергия към вложената механична за сгъстяване на парите на хладилния агент, се нарича коефициент на трансформация и представлява мярка за икономическата изгода на едно или друго конкретно техническо решение. Този коефициент нараства с повишаване на температурата на изпаряване и понижаване на температурата на кондензация, т.е. с намаляване на разликата в налягането на парите.
Видове земносвързани термопомпени инсталации
Най-общо има два типа ЗТИ - отворена и затворена. Всъщност наименованието идва от вида и начина на разполагане на топлообменника в земята. Самата термопомпа се разполага в приземния етаж и не нарушава естетическия вид на обекта. Към кой тип инсталация ще се насочите, обаче, зависи както от големината и разположението на сградата, така и от наличието на подпочвени или геотермални води в близост до нея.
Отворена система
Тук се използва директно изпомпване на вода от наличен водоизточник - подпочвена вода от вертикален сондаж, кладенец, езеро или река, директно свързани с термопомпата. В режим на отопление чрез потопяема помпа се подава вода към термопомпата, където тя отдава своята топлинна енергия на работен флуид (хладилен агент - фреон, антифриз и т.н.). Вече охладената вода се връща обратно в подпочвената река или езеро, чрез втори сондаж. При обратния процес на охлаждане водата поема топлина от работния флуид и я извежда към водоизточника. При този цикъл се променя единствено температурата на изпомпваната вода, а за да не се наруши нивото на подземния водоизточник използваната вода се връща отново в сондажа. Ако нивото на водоизточника е достатъчно високо, използваната вода може да се отвежда към езеро или канализация.
Затворена система
Тя се използва там, където няма достатъчно подпочвени води. Затворената ЗТИ може да бъде вертикална или хоризонтална, като изборът ви ще се определя от големината на прилежащата площ около сградата.
Ако около обекта има достатъчно свободна разгърната площ - например градина или ливада - то може да използвате хоризонтално разположена затворена земносвързана термопомпена инсталация.
Тук топлообменникът, наричан още и “тръбен змиевидник”, се вкопава на неголяма дълбочина (около 1,5 метра) в земята или се разполага в езеро или друг открит водоизточник, но под нивото на замръзване на водата. Той може да бъде медна или полиетиленова тръба, като при първата има положена PVC-изолация за устойчивост на корозия или други агресивни въздействия, а формата му - спираловидна или успоредна .
При използването на полиетиленови тръби преминаващият през тях работен флуид (например антифризен разтвор) поема или отдава топлината от помещенията към земята и обратно. При ЗТИ, изградени с медни тръби, хладилният агент се изпарява директно от топлината на земята, като този тип инсталация е известна още и като “система с директен обмен”.
Ако системата с хоризонтално разположени топлообменници се използва единствено за отопление, то нейното нормално функциониране ще е възможно само при достатъчно постъпване на топлина в земята. Затова специалистите препоръчват подобни инсталации да се използват за отопление на по-малки сгради и топлообменниците да са разположени на площ, която директно се огрява от слънцето.
При недостатъчно пространство около сградата се прави вертикален сондаж между 50 до 200-300 метра дълбочина, в който се разполага U-образен топлообменник. В зависимост от големината на отопляваната сграда, вертикалните сондажи могат да бъдат повече на брой, като за промишлени приложения броят им може да надхвърли 10 .
Вертикалните ЗТИ не изискват голяма площ за инсталиране, а освен това не зависят от интензитета на слънчевото греене и количеството топлина, абсорбирано от земните пластове. Този вид системи ефективно работят практически при всички видове геоложки среди, с изключение на почви с ниска топлопроводност - например сух пясък или чакъл.
Икономически ефект
Трябва да се отбележи, че съществуват и някои икономически проблеми, свързани с използването на ЗТИ. Главният е, разбира се, срокът за възстановяване на повишените първоначални инвестиции, необходими за инсталирането на подобен вид системи. Но има и други.
Оказва се, че той се преплита твърде тясно и с целите на енергийната стратегия на дадена страна или регион, цената на електроенергията в близките години, политиката по отношение опазването на околната среда и замърсяването на атмосферния въздух с въглероден диоксид и дори с промените в настроенията и поведението на потребителите.
Защото е очевидно, че в перспектива повишаването на стандарта на живот ще доведе до намаляване на дела на използването на твърди горива в жилищните и промишлените сгради. А вероятно световният сремеж за борба с “парниковия ефект” ще принуди много държави да намаляват изобщо прякото използване на течните и газообразни горива единствено за добив на топлинна енергия.
Земносвързаните термопомпени инсталации могат да се окажат ефективна алтернатива за много селскостопански райони, където има по-голяма възможност за внедряването им в сравнение с плътно застроената градска инфраструктура. Затова, ако сте собственик на малък частен хотел (или верига такива), оранжерии за производство на плодове или зеленчуци или пък притежавате ферма, отдалечена от населено място, спокойно можете да се възползвате от предимствата при използване на ЗТИ.02/06/2007 |
