Геотермални термопомпени инсталции
Геотермалната топлина може да допринесе значително за рационалното потребление на енергия, редуцирането на емисии и за целите на възобновяемата енергия. Геотермалните термопомпи вече са добре известни като доказан, надежден и икономичен вариант за отопление на пространства, охлаждане и отопление на вода в сгради и помещения.
текст инж. Вера Ангелова
Термопомпите се радват на нарастваща популярност при приложения, свързани с отопление на жилищни и обществени сгради. Използването им е в съответствие с принципите на устойчивото строителство, тъй като значително се намаляват емисиите на въглеродни оксиди. Доказано е, че най-добър ефект от отоплението с термопомпи има в добре изолирани сгради, където енергийните нужди за отопление са ниски.
Геотермалните термопомпи постигат голяма енергийна ефективност чрез използване на геотермален ресурс (почва, подпочвени води или повърхностни води) вместо околния въздух като източник на топлина. Температурата на този ресурс по принцип е по-ниска от температурата на околния въздух през лятото и по-висока от температурата на околния въздух през студените месеци и затова геотермалните термопомпи работят при по-ниски температурни граници – и следователно по-ефективно, през годината.
Основните компоненти на една термопомпена инсталация със земен източник на енергия са тръбна система (топлообменник) в почвата, термопомпа и отоплителна система за разпространение на генерираната топлина в сградата. Когато е в режим на отопление, помпата поема въздух с относително ниска температура от тръбната система в земята, концентрира топлината и подава затопления въздух на отоплителната системата в помещенията.
Преди проектирането и инсталирането на термопомпена инсталация със земен източник е препоръчително да се направи геотехническо проучване, за да се добие ясна представа за геоложките условия. Самото проектиране трябва да се извърши в съответствие със стандарта БСД EN 15450:2008 „Отоплителни системи в сгради. Проектиране на термопомпи за отоплителни системи”.
Тръбната система обикновено се изпълнява от полиетилен с висока или средна плътност (HDPE или MDPE). За циркулиращ флуид най-често се избира вода или антифризна смес, за чието непрекъснато движение се избира циркулационна помпа, която трябва да е способна да работи с течности с ниска температура.
Подземната тръбна система обикновено се изпълнява като затворена верига, като най-добрия вариант е да няма връзки, за да се минимизира риска от поява на течове. Разходите по инсталацията зависят главно от количеството на неоходимите тръби и дълбочината на полагане.
Интересен вариант, приложим основно в обществени и търговски сгради, е тръбите да се разположат във фундаментите. Това решение спестява средства при изкопните работи и позволява използване на термичната маса на бетона.
Самата термопомпа се състои от компресор, кондензатор, разширителна клапа и изпарител. Тези компоненти осигуряват циркулацията на хладилен агент и промяната на агрегатното му състояние от течност в газ и обратно в течност. Термопомпата трябва да отговаря на изискванията на БДС EN 14511 и БДС EN 378.
Предимства на геотермалните термопомпи
Доказана ефективност и пестене на енергия. Подмяната на конвенционалните система за отопление и климатизация с геотермални термопомпи обикновено спестява 15-25 процента от общата консумация на енергия в една нежилищна сграда; в жилищните сгради икономията на енергия може да достигне до 40 процента. Термопомпите намаляват и върховото натоварване.
По-ниски разходи за поддръжка. Ниските разходи за поддръжка на геотермалните термопомпи допринасят значително за тяхната икономичност. Технологията е проста и съответно по-малко предразположена към повреди, изисква по-малко поддръжка и има по-дълъг живот от термопомпите, работещи с въздух. Геотермалните термопомпи нямат външно оборудване, което е изложено на атмосферните влияния и особеностите на средата. Те обикновено са заредени с охлаждащо вещество и са запечатани във фабриката – характеристика, която редуцира необходимия труд за монтаж и поддръжка и не вреди на околната среда.
Възможността за разливане на охлаждащото вещество е елиминирана и общите разходи са по-ниски тъй като монтьорите не трябва да се занимават с охлаждащото вещество по време на монтажа; течовете също са много редки. Геотермалните термопомпи обикновено използват 25 процента по-малко охлаждащо вещество в сравнение с друго климатично оборудване.
Ефективността на геотермалните термопомпи спестява енергия и пари. Геотермалните термопомпи спестяват енергия и пари, тъй като работят по-ефективно от конвенционалното оборудване. Един компресор работи много по-ефективно с водна помпа, отколкото с въздушна помпа. Освен това е необходимо въздухът да циркулира само от едната страна на помпата и е нужна по-малко енергия за задвижване на водата (или антифриза) от другата страна в сравнение с енергията необходима за задвижване на въздуха. Температурата на геотермалния източник е много по-стабилна от тази на външния въздух, с много по-незначителни колебания между високи и ниски стойности. За разлика от оборудването, което работи с въздух, геотермалните системите не използват допълнителна енергия за захранване на циклите на размразяване.
Геотермалните термопомпи с обикновена верига възстановяват топлината като част от дизайна си. При по-студено време, топлинните помпи, които обслужват периметъра на сградата, извличат топлина от веригата, за да осигурят затопляне на пространството, а елементите, които обслужват вътрешните части, охлаждат пространството и връщат топлината към обикновената електрическа верига. В много от случаите, обикновената верига е балансирана, не е необходим топлинен обмен със земята и компенсирането между елементите за затопляне и охлаждане понижава топлинното натоварване на земния топлообменник.
Регенерираната топлина в геотрмалните системи може да се използва и за затопляне на вода. Във военните общежития, например, често заедно с геотермалните термопомпи се инсталират паронагреватели с цел подаване на топлина от топлинната помпа към водните нагреватели. В много от по-големите термопомпени системи се използват специални модули вода към вода.
Употреба и приложимост на технологията
Геотермалните термопомпи могат да бъдат адаптирани към всяка сграда и конфигурирани така, че да са приложими в различни обекти и обстоятелства. Проектирането на такива системи с цел оптимизиране на ефективността и икономичността зависи от избора на най-ефективната и икономична конфигурация за съответното приложение. Геотермалните термопомпи не са приложими във всеки един случай, но присъщата им ефективност и разнообразни възможности за проектиране ги превръщат в най-икономичния вариант в голяма част от случаите.
Общото при всички геотермални термопомпени системи е, че те провеждат топлината между геотермалния източник и сградата посредством водни термо помпи и осигуряват затопляне и охлаждане на пространството, затопляне на водата или замразяване. Една система може да работи с една или няколко водни термо помпи, в зависимост от приложението.
Например при еднофамилните сгради всяко жилище може да бъде обслужвано с една термо помпа със собствен вертикален топлообменник. По-големите нежилищни сгради могат да имат много термо помпи на обща електрическа верига с централна помпена станция с променлива скорост и един голям геотермален източник.
Хибридните системи използват като източник на топлина комбинация от геотермални ресурси и околен въздух и често са най-икономичното решение, когато нуждите от охлаждане са значително по-големи от нуждите от отопление.
Важни фактори при определяне на приложимостта
За да се определи приложимостта на всеки конкретен проект са нужни детайлни изчисления на разходите и икономическите ползи. Съществуват, обаче, няколко основни правила, които могат да бъдат използвани за обследване на потенциалните проекти, преди да се вземе решение дали да се продължи с проучването на приложимостта.
Функция на сградата. По принцип, най-обещаващите приложения при модернизиране с геотермални термопомпени инсталации са сгради, в които се поддържа сравнително комфортна температура (20–26°C) поне 40 часа седмично.
Оборудване подлежащо на подмяна. Обикновено не е много икономично да се подменя високоефективно наскоро закупено оборудване. Потенциалът за пестене е много по-голям, когато геотермалната система подменя стара, по-малко ефективна инсталация, която е над десетгодишна.
Енергийни разходи. Обикновено по-високите разходи за енергия са причина за модернизирането с геотермални термопомпи, но не винаги е така. Например при климат със сериозна нужда от отопление и високи цени на електроенергията може да е по-икономично отоплението с природен газ, независимо от високата ефективност на геотермалните термопомпи.
Икономическите показатели на всеки проект могат да бъдат подобрени чрез повторно използване на отпадъчната топлина, генерирана по време на цикъла на охлаждане. За сгради с голямо натоварване за затопляне на водата (напр., жилищни комплекси, хотели, перални), геотермалните термопомпи могат да осигурят топла вода при незначителни разходи през сезона за охлаждане. Очакваните икономии се повишават, ако в инсталацията бъдат включени други мерки за консервация на енергия с относително кратки срокове за изплащане.
Разходи за поддръжка. Поддръжката на геотермалните термопомпи обикновено е по-евтина от тази на конвенционалното оборудване за отопление и охлаждане и тези спестявания понякога могат да покажат разликата между приложим и неприложим проект.
Стратегия за модернизиране. Както при всяко модернизиране, капиталовият разход се редуцира, ако части от съществуващата система (например тръбопроводна мрежа) могат да бъдат използвани от геотермалната система.
Геотермални ресурси и термопомпени системи
Типът на геотермалния източник в наличност до сградата е основният фактор, определящ вида на термопомпената система, която ще бъде най-икономична за всеки конкретен обект.
Земни топлообменници (или земни затворени вериги). Топлообменът със земя, използващ вертикални или хоризонтални затворени вериги може да бъде икономична опция, ако има достатъчно земя близо до сградата, на която да бъдат поставени земните топлообменници. Хоризонталните вериги изискват значително по-голяма площ от вертикалните топлообменници, като монтирането може да бъде по-евтино в зависимост от вида на почвата и скалните формации, разкрити по време на изкопните работи.
Земните топлообменници са подходящи почти навсякъде и до момента са по-голямата част от работещите геотермални термопомпи. С развитието на индустрията и увеличаването на опита, системите, които използват повърхностни или подпочвени води за топлообмен стават все по-популярни. Тези други геотермални възможности могат да бъдат дори по-икономични от заземяваните системи и винаги е добре да бъдат преценявани.
Изпомпване на подпочвени води. Някои съществуващи обекти изпомпват подпочвени води към повърхността, пречистват я и я впръскват повторно като част от проектите за подобряване качествата на подпочвените води. Използването на подпочвена вода, изпомпена на повърхността за питейна може да бъде много икономично. За подаване на топлината от подпочвените води към топлинни водни помпи с обикновена верига обикновено се използва разглобяем пластинчат топлообменник. След завършването на рехабилитационния проект частта на топлообменника за изпомпване на подпочвени води може да бъде оптимизирана за приложенията на ОВиК и да продължи да функционира, използвайки същите захранващи и впръскващи кладенци.
Неподвижни повръхностни води. Ако близо до сградата има големи обеми постоянни повърхностни води, те могат да се превърнат в икономични ресурси за топлообмен. Обикновена верига за обслужване на помпите с воден източник близо до сградата може да бъде потопен директно във водата събрана в резервоар, басейн, отразяващ басейн, водоем или езеро.
Ако водата се използва за цели на почивка или други, които възпрепядстват този подход, може да се обмисли помпена станция на брега с топлообменник и защита за подаването и отвеждането към водното тяло.
Подвижни повърхностни води. Голяма река в близост до сградата, която има сигурен поток и умерено течение, може да бъде икономичен ресурс за топлообмен. Препоръчва се използването на помпена станция на брега с топлообменник и защита на подаването и отвеждането. При такова решение трябва сериозно да бъдат анализирани пълноводието и пресъхването на реката в минали периоди, наносните потоци, и трафика.
Потоци от отпадни води. Големи по обем, сигурни и течащи потоци отпадни води могат да бъдат използвани за климатизация на топлообменника. Трябва да се анализират поддръжката на топлообменника и стабилността на предназначението на съоръженията, които са източника на отпадните води.
Подпочвени води. Подпочвените води могат да бъдат икономичен източник на топлообмен, ако са на разумна дълбочина, заедно с приемливи и икономични средства за разпореждане. Лошото качество на водата може да наложи използването на скъпи материали за топлообменника, а в някои случаи оскъпяването може да се дължи на допълнителна поддръжка и повторното впръсвкане в подземния водосъдържащ район.
Кладенец със стояща колона. Системите с кладенец със стояща колона наподобяват стандартните геотермални термопомпени системи с подземни води, но тъй като водата циркулира постоянно между кладенеца и сградата, може да е необходим само един кладенец (по-големите проекти могат да бъдат с няколко паралелни кладенеца). Кладенците със стояща колона са приложими в райони със здрава основна маса близка до повърхността. Правят се дълбоки сондажни отвори, които създават дълготрайна водна колона от долното равнище на статичната вода към отвора. Водата циркулира постоянно от единия край на колоната до другия.
23/09/2009 |
