Razumevanje sistemov geotermalnega ogrevanja in hlajenja

Z večjim poudarkom na zmanjševanju energetskih emisij in ogljičnega odtisa v središču pozornosti so geotermalni sistemi ogrevanja in hlajenja postali priljubljeni pri lastnikih stanovanj po vsej ZDA. Geotermalni sistemi so v veljavi že od štiridesetih let prejšnjega stoletja, začeli pa so z zagotavljanjem osnovnega ogrevanja vode. Sčasoma so geotermalni sistemi zaradi vključevanja novih tehnologij in napredka v sistemih za obdelavo zraka postali primerni kot komercialno sprejemljiva alternativa bolj običajnim sistemom HVAC.

Geotermalni sistemi ogrevanja in hlajenja, imenovani tudi Ground Source Heat Pumps (GSHP), zagotavljajo ogrevanje in hlajenje z izmenjavo toplote z zemljo. Ti sistemi izkoriščajo dejstvo, da temperatura tal skozi vse leto ostaja razmeroma konstantna in se giblje od 45 do 75 F. Odvisno od letnega časa lahko tla služijo kot vir toplote ali odvod toplote.

Glavna prednost geotermalnih toplotnih črpalk je, da porabijo od 25 % do 50 % manj električne energije kot drugi sistemi ogrevanja ali hlajenja. Poleg tega, čeprav so lahko začetni stroški namestitve visoki, razmeroma kratka doba vračila 6-7 let nadomesti vnaprejšnjo naložbo. Po tem obdobju je to energetsko učinkovit sistem HVAC za vaš dom, ki ne potrebuje vzdrževanja.

Vsi geotermalni hladilni in ogrevalni sistemi imajo nekaj skupnih komponent. Ti vključujejo mehanizem za prenos tekočine za izmenjavo toplote v tla in nazaj, toplotno črpalko za premikanje tekočine in distribucijski sistem.

Oglejmo si vsakega od teh podsistemov in njihove vloge.

Sistemi geotermalne zanke

Vse vrste geotermalnih sistemov uporabljajo mrežo medsebojno povezanih cevi, ki se uporabljajo kot toplotni izmenjevalniki, nameščeni pod zemljo. Pozimi, ko je v zraku hladno, v tleh pa toplo, hladilno sredstvo v teh tuljavah absorbira toploto iz tal in jo prenaša v zgradbo. Isti proces je obraten za poletja, ko se toplota absorbira iz zgradbe in jo zavrže v tla.

Ta zanka se povezuje z geotermalno toplotno črpalko. Vključuje kompresor, črpalko in dodatno enoto za obdelavo zraka, če sistem ogreva zrak. Ta zrak nato kroži po hiši s pomočjo sistema kanalov in zračnikov.

Geotermalni sistemi so kategorizirani glede na zasnovo toplotnih izmenjevalnikov. Lahko so zaprte zanke, odprte zanke, navpične, vodoravne, zanke v obliki ribnika ali oprijete zanke. Sistemi z zaprto zanko vračajo že prisotno hladilno sredstvo v sistem. Po drugi strani sistemi z odprto zanko nenehno osvežujejo hladilno sredstvo z uporabo sladkovodnega jezera ali podzemnega vodonosnika, saj je hladilno sredstvo v tem primeru večinoma voda.

Geotermalni sistemi z zaprto zanko

Sistemi z zaprto zanko so običajna vrsta, ki se uporablja za geotermalne sisteme. Voda, pomešana s sredstvom proti zmrzovanju ali drugim primernim hladilnim sredstvom, se uporablja v tuljavah izmenjevalnika toplote, ki služi kot medij za izmenjavo toplote. Tekočine v sistemu ni treba nenehno dopolnjevati. Ta sistem je mogoče nadalje razdeliti glede na orientacijo zank izmenjevalnika toplote v tleh.

Navpične zanke

Kot je razvidno, so toplotni izmenjevalniki v tem tipu navpično usmerjeni. Luknje so izvrtane do 400 čevljev globoko in vanje so nameščene U-cevi. Več U-cevi v različnih luknjah je nato povezanih v zaprto omrežje, ki je nato povezano s črpalko in kompresorjem (če obstaja).

Vrtina se nato napolni z injekcijsko maso, da se zagotovi boljša toplotna prevodnost med U-cevmi in zemljo. Število vrtin, njihov razmik, globina in prostornina tekočine v U-cevkah so odvisni od značilnosti tal, potreb po ogrevanju in hlajenju doma, temperaturnih nihanj.

Prednost te ureditve je, da jo je mogoče postaviti na majhno površino v primerjavi z vodoravnimi zankami. Zaradi tega je idealen za lastnike majhnih hiš ali šol v pozidanih območjih, kjer so nepremičnine pogosto vrhunske vrednosti. Vendar je treba sprejeti preventivne ukrepe, da bodo vrtine dovolj močne, da se ne porušijo. Poleg tega bi moralo izvrtano podtalje še vedno vzdrževati zgradbe v bližini.

Vodoravne zanke

Sistem vodoravnih zank je sestavljen iz cevi, ki so postavljene vodoravno vzdolž tal. Izkoplje se plitev in dolg jarek, globlji od meje zmrzali, vanj pa se namestijo U-cevi. Na splošno je globina od 1 do 3 metre. Dolžina je lahko do 400 čevljev, odvisno od posebnih zahtev.

Globina lahko močno vpliva na značilnosti ogrevanja in hlajenja sistema vodoravne zanke. Če so preplitke, lahko zanke absorbirajo toploto sonca med prehodom iz zime v poletje, ko so tla še razmeroma hladna. To poveča zmogljivost ogrevanja sistema. Toda škodljiv učinek je ta, da se bodo zanke v zimskih mesecih hitreje ohladile zaradi svoje bližine površini.

To težavo je mogoče odpraviti s povečanjem globine zank, pri čemer se povečani stroški namestitve izravnajo s prihrankom energije. Druga rešitev je uporaba toplotno neprevodne zgornje plasti nad zankami. To preprečuje, da bi vrhnja plast zemlje ali atmosferske spremembe temperature vplivale na zanke.

Sistemi z vodoravno zanko so bolj primerni za območja z veliko zemlje, ki jo je na voljo za prekopavanje, kot so velike kmečke hiše, podeželska posestva itd.

Slinky Loops

Podobno kot vodoravne zanke se tudi oprijete zanke uporabljajo tam, kjer je treba uporabiti vodoravne zanke, vendar ni na voljo dovolj prostora. Cevi v obliki zvitkov so nameščene v plitve jarke, podobne vodoravnim zankam. Te zanke se med seboj prekrivajo, ko jih položite na dno jarka. To zagotavlja enako razdaljo, skozi katero prehaja tekočina v ceveh, vendar s skrajšano dolžino pokritosti celotnega sistema.

Pond Loops

Ti sistemi se uporabljajo tam, kjer je v bližini primerno vodno telo. Zanke je mogoče potopiti pod vodo ali postaviti na dno vodnega telesa. Takšen sistem nima stroškov kopanja ali vrtanja, v primeru okvare ali puščanja pa omogoča enostavno izvleko sistema zanke. Vodno telo mora biti dovolj globoko, da se površinski učinki temperature ne prenašajo znotraj zank.

Geotermalni sistemi odprte zanke

Odprtozančni sistemi so najpreprostejši od vseh oblik geotermalnih ogrevalnih sistemov. Odprta cev se uporablja za črpanje vode iz podzemnega vodonosnika, vročega izvira ali drugega primernega vodnega vira. Ta voda se nato pretaka skozi izmenjevalnike toplote v toplotni črpalki. Porabljena voda se nato odvaja znotraj istega vodnega vira, na primerni razdalji od zajetja vode. Sistemi z odprto zanko pa imajo nekaj izzivov.

Zelo je treba paziti, da je vhodna voda dovolj čista in ustrezne mineralne sestave, da ne poškodujemo toplotne črpalke ali toplotnih izmenjevalnikov. Raztopljene kemikalije ali trdne snovi v vodi lahko reagirajo z materialom izmenjevalnikov toplote in služijo kot pospeševalnik korozije. Vodni kamen se lahko tvori v notranjosti cevi in ​​tako zmanjša pretok vode.

Poleg tega okoljski predpisi ponekod zahtevajo obdelavo izhodne vode pred izpustom. Tudi strožji predpisi lahko popolnoma prepovejo izpust vode, zato so potrebni zaprtozančni sistemi.

Geotermalne toplotne črpalke

Skoraj vsak tip geotermalnega sistema ima priloženo toplotno črpalko. Običajno je nameščen v omari, nekje izven vidnega polja. Geotermalna toplotna črpalka je sestavljena iz kompresorja, izmenjevalnika toplote in drugih sorodnih krmilnih sistemov. Če sistem za ogrevanje in hlajenje uporablja zrak za klimatizacijo notranjih prostorov, je del paketa tudi klimatska naprava.

Toplotne črpalke delujejo tako, da izmenjujejo toploto med hladilnim sredstvom (običajno vodo) v zemeljskih zankah in medijem v kanalu. V zimskih mesecih voda absorbira toploto iz zemlje in potuje do izmenjevalnika toplote v toplotni črpalki. Hladilno sredstvo se nato stisne, dvigne svojo temperaturo in ga spremeni v plin. Toplota v hladilnem sredstvu se nato odvzame z izmenjevalniki toplote in se prenese skozi sistem kanalov ali cevi po celotnem domu. Zadnji korak se običajno izvede s klimatskimi napravami, če se za distribucijo toplote uporablja zrak.

Ta proces je v poletnih mesecih obraten. Pri geotermalnem hlajenju hladilno sredstvo absorbira toploto iz notranjih prostorov in jo skozi podzemne zanke odvaja v tla.

Geotermalni distribucijski sistem

Kot pri kanalskih klimatskih sistemih tudi geotermalni sistemi uporabljajo sistem kanalov. Zaradi tega so geotermalni sistemi še posebej primerni za projekte prenove v domovih z že nameščenimi kanali. Obstoječe kanale lahko nato uporabite za ta namen.

To velja za sisteme, ki prenašajo toploto po zgradbi z uporabo zraka, imenovane sistemi tekočina-zrak. Enote za obdelavo zraka, ki so veliki ventilatorji, premikajo velike količine zraka po kanalih. Toda v nekaterih sistemih se voda neposredno črpa po domovih s pomočjo cevi, ki so vgrajene v osnovno strukturo doma, ali prek radiatorskih grelnikov prostorov – taka ureditev se imenuje voda-voda.

Sistemi voda-voda se lahko uporabljajo tudi kot grelniki vode za domačo uporabo. Geotermalna toplotna črpalka lahko ohranja tekočo vodo pri prijetnih 120 F, kar je manj od zahtevanih 150–200 F, ki jih dosežemo s kotli. Toda predhodno ogrevanje vode prek geotermalnega sistema povzroči prihranek energije s kotlom.

Razporeditve voda-voda so priljubljena možnost za sisteme distribucije vode za ogrevanje in hlajenje. Zanke so vgrajene pod tla ali v stene. Te zanke ostanejo izven vidnega polja in ne povzročajo hrupa, hkrati pa zagotavljajo ogrevanje in hlajenje. Druga možnost je uporaba ogrevalnih sistemov na ploščah v povezavi z geotermalnimi sistemi. Vendar bodite previdni pri tej možnosti in se posvetujte s strokovnjakom glede pravilne velikosti vašega doma in zahtev glede ogrevanja.

Stroški namestitve za geotermalno ogrevanje in hlajenje

Geotermalni sistemi predstavljajo višjo začetno naložbo kot sodobni sistemi za ogrevanje in hlajenje doma, čeprav se ti stroški postopoma zmanjšujejo. S stopnjo rasti okoli 12 % letno na trgu geotermalnih sistemov vedno več proizvajalcev krepi konkurenco in znižuje cene.

V povprečju lahko domači geotermalni sistemi stanejo od 10.000 do 30.000 USD. Natančna količina je odvisna od značilnosti tal, površine, ki jo je treba izkopati, ne glede na to, ali gre za sistem navpične zanke ali vodoravne zanke, območja za kondicioniranje znotraj doma, predhodnega cevovoda in kakovosti namestitve. Višje različice lahko stanejo celo več kot to.

Poleg tega lahko izbira med voda-zrak in voda-voda prav tako vpliva na stroške. Toplotne črpalke voda-zrak so bolj ekonomična izbira med obema.

Vrtanje in kopanje lahko znašata več kot polovico skupnih stroškov namestitve geotermalnega sistema. Namestitev geotermalne toplotne črpalke za celoten sistem je lahko tudi draga. Stroški geotermalnega ogrevanja in hlajenja v povprečju znašajo 2500 USD na tono, po podatkih Ministrstva za energijo ZDA.

Prednosti geotermalnih ogrevalnih in hladilnih sistemov

Prednosti geotermalnih sistemov so številne. Oglejmo si nekaj od teh:

• Energijska učinkovitost

Kar zadeva učinkovitost, sistemi geotermalnega ogrevanja in hlajenja daleč prekašajo konvencionalne klimatske naprave. Glavni razlog za to je, da sistem geotermalne toplotne črpalke ne odvaja toplote v vroče zunanje okolje, temveč jo prenaša v hladno okolje.

Kot smo že omenili, lahko geotermalni sistem zagotovi prihranek energije do osupljivih 50 %. V vročih poletnih mesecih se to lahko zdi božji dar. To je deloma posledica visokih razmerij energetske učinkovitosti geotermalnih sistemov, ki dosegajo celo 25 v primerjavi s 15 pri običajnih sistemih. Geotermalno hlajenje lahko zato močno vpliva na vaše poletne račune.

• Priročnost

Geotermalni sistem nima veliko delov, za katere je treba skrbeti, kot običajni sistem HVAC. Ni kanalov; ni loput ali loput; goriva ni treba nadzorovati. Pozimi vam ni treba vzdrževati peči, poleti pa toplotne črpalke. Dve glavni komponenti geotermalnih sistemov sta zemeljska zanka in toplotna črpalka. Ozemljitvene zanke so nameščene takoj na začetku in le redko jih je treba znova poskrbeti.

• Zmanjšano vzdrževanje

Povprečna življenjska doba klasične klimatske naprave je nekje 10-15 let. Toda to je šele po ustrezni negi in vzdrževanju. Če zanemarite ustrezno nego HVAC, se lahko življenjska doba skrajša.

Geotermalni ogrevalni ali hladilni sistem pa lahko traja od 20 do 50 let. Zahteva minimalno vzdrževanje. Ozemljitvenih zank ni treba redno preverjati in sistem lahko deluje dolgo časa. To je zato, ker geotermalni sistem ni izpostavljen težkim vremenskim vplivom vse leto. Običajni sistem HVAC je izpostavljen vetru in temperaturnim nihanjem, skupaj s škodljivimi onesnaževalci, ki so prisotni v zraku.

Prihranki z geotermalnim sistemom ogrevanja in hlajenja

Dovolj o stroških, govorimo o prihrankih! Trenutno so domovi z nameščenimi geotermalnimi sistemi upravičeni do 30-odstotnega zveznega davčnega dobropisa. Poleg tega večina zveznih držav ali električnih podjetij nudi rabate ali nepovratna sredstva domovom, ki uporabljajo sisteme geotermalne energije. To lahko tudi znatno zniža stroške geotermalne toplotne črpalke. Če želite izvedeti, ali ste upravičeni do popusta, pojdite na podatkovno zbirko za državne spodbude za obnovljive vire energije in učinkovitost.

Padli bodo tudi vaši računi za elektriko. Ocenjuje se, da je 42 % porabe energije doma za potrebe ogrevanja. Uporaba geotermalnih sistemov lahko to uporabo zmanjša za 50 %, odvisno od posebnosti lokacije. Enako velja za emisije toplogrednih plinov.

S povprečno življenjsko dobo 20–25 let lahko sistemi geotermalnega ogrevanja in hlajenja med svojo življenjsko dobo prihranijo do 75.000 USD energije. Obdobje izplačila je veliko krajše od tega in se v povprečju giblje od 5 do 8 let. Kot lahko vidite, čeprav so lahko stroški geotermalnega ogrevanja in hlajenja na začetku visoki, se bodo dolgoročno izplačali.

Ali bi morali razmisliti o geotermalnih sistemih?

Vsekakor ja. Zaradi prihrankov energije in zmanjšanja emisij, doseženih z geotermalnimi sistemi, so privlačna ponudba. Tudi če geotermalni sistemi ne zagotavljajo celotnega paketa, se lahko uporabljajo kot dodatni sistemi.

Končna izbira je odvisna od vaše specifične situacije:če gre za novo hišo ali staro, potrebne zmogljivosti ogrevanja in hlajenja in še veliko več. Upoštevati je treba tudi finance. Stroški geotermalne toplotne črpalke so lahko previsoki. Toda kot vedno se pri sistemih HVAC posvetujte z izkušenim strokovnjakom, preden zapravite svoj denar!