Как работи геотермалната термопомпа със земен контур и сондажи?

Геотермалната термопомпа не „произвежда“ топлина от електричество като нагревател. Тя премества топлина между сградата и земята или подземната вода чрез хладилен цикъл. Електроенергията задвижва компресора, помпите и управлението; правилното оразмеряване определя дали системата ще бъде ефективна и надеждна.

Четирите основни части на системата

1. Земен източник/поглътител: вертикални сондажи, хоризонтален контур или водовземна система.
2. Термопомпа: изпарител, компресор, кондензатор и разширително устройство.
3. Сградна инсталация: подово отопление, вентилаторни конвектори, въздуховоди, буфер и битова гореща вода според проекта.
4. Управление и циркулация: помпи, датчици, вентили, защити и автоматика.

Как протича отоплителният цикъл?

1. Топлоносителят в земния контур приема нископотенциална топлина от земята.
2. В изпарителя тази енергия изпарява хладилния агент при ниско налягане.
3. Компресорът повишава налягането и температурата на хладилния агент.
4. В кондензатора топлината се предава към отоплителната система на сградата.
5. Разширителното устройство намалява налягането и цикълът се повтаря.

В режим на охлаждане посоката се обръща или, при подходящ проект, се използва пасивно охлаждане чрез циркулация между сградата и земния контур с минимална работа на компресора.

Затворен и отворен контур

Отвореният контур не трябва да се избира само защото има съществуващ воден сондаж. Нужни са устойчив дебит, лабораторен анализ, хидрогеоложка оценка и правно допустим начин за водовземане и връщане/отвеждане.

Какво означават COP и сезонна ефективност?

COP е отношението между отдадената топлинна мощност и електрическата мощност при конкретни изпитвателни условия. COP 4 означава четири единици топлинна мощност за една единица електрическа мощност в тази работна точка — не гарантирана годишна сметка.

За реалната експлоатация е по-полезна сезонната ефективност на цялата система. Тя се влияе от:

• температурата на земния контур през сезона;
• температурата на подаване към сградата;
• работата на циркулационните помпи и допълнителните нагреватели;
• частичните товари, настройките и размразяването, ако е приложимо;
• баланса между отоплителни и охладителни товари;
• границата на измерване — само компресор или цялата инсталация.

Нискотемпературното подово отопление обичайно е благоприятно, защото термопомпата повишава температурата по-малко. Съществуващи радиатори могат да работят, ако проектът докаже нужната мощност при реални температури, а не по предположение.

Как се оразмерява сондажното поле?

Броят и дължината на геотермалните сондажи не се определят само по квадратурата на сградата. Проектът използва:

• изчислени отоплителни и охладителни товари;
• годишната енергия и часовия профил;
• геоложки пластове и подземни води;
• топлинни свойства на земята и запълващия материал;
• разположение и взаимно топлинно влияние на сондажите;
• допустими температури на топлоносителя за целия проектен срок.

За по-големи и чувствителни проекти може да се извърши тест за топлинна реакция (TRT). Той дава данни за ефективната топлопроводност и термичното съпротивление на конкретен изпитвателен сондаж. Това не заменя енергийния модел, а го подобрява.

Температурата на земята и подземната вода е важен вход, но не е единствен. Вижте какво определя температурата на водата от сондаж.

Какво се прави в геотермалния сондаж?

При затворен вертикален контур в отвора се спускат тръби, изпитват се за херметичност и пространството се запълва с проектен материал. Запълването трябва да осигури топлинна връзка със земята и да ограничи нежелано движение на вода между пластовете. Следват свързване към колектори, промиване, обезвъздушаване, изпитване и хидравлично балансиране.

Изпълнението се координира със строителството, достъпа и бъдещото използване на терена. Над полето не се планират дейности, които могат да повредят тръбите или да блокират необходимия достъп без инженерна оценка.

Чести проектни грешки

• оразмеряване по площ без топлотехническо изчисление;
• смесване на воден сондаж и затворен геотермален контур;
• твърде висока температура на отоплителната инсталация;
• пропускане на енергията за помпи и допълнителен нагревател;
• небалансирани кръгове и въздух в системата;
• липса на дългосрочна симулация на сондажното поле;
• неясна отговорност между сондажна, ОВК и строителна част.

Пуск и мониторинг

Добре изпълнената система се предава с проектни данни, изпитвания, настройки и базови показатели за сравнение. Полезният мониторинг включва входящи/изходящи температури, дебити, налягания, електропотребление, отдадена енергия при налично измерване, часове и аларми.

Ниският комфорт не доказва недостиг на сондажи. Причината може да е в дебита, въздуха, управлението, сградната инсталация или настройките. Диагностиката следва енергийния път от земята до помещенията.

Често задавани въпроси

Геотермалната термопомпа работи ли през зимата?

Да, когато източникът и системата са оразмерени за зимния товар. Земният контур има по-стабилни условия от външния въздух, но температурата му също се променя при експлоатация.

Необходимо ли е разрешително?

Зависи от вида на системата, сондирането, водовземането и местните условия. Отворен контур с подземна вода и затворен геотермален сондаж не се третират като една и съща дейност. Режимът се проверява за конкретния проект.

Може ли системата да охлажда?

Да, чрез реверсивна работа или пасивно охлаждане при подходяща конфигурация. Трябва да се контролират кондензът, влажността и температурите на сградната инсталация.

Заключение

Ефективната геотермална система е общ проект на геология, сондажно поле, термопомпа и сграда. Високият каталогов COP не компенсира недостатъчен контур, високи температури на подаване или лошо управление.

За интеграция в ново строителство вижте ръководството за геотермални сондажи в сгради.

Технически източници

• U.S. Department of Energy — Geothermal Heat Pumps
• U.S. Department of Energy — open-loop и closed-loop системи и ефективност