Razumijevanje geotermalnih sustava grijanja i hlađenja

S povećanim naglaskom na smanjenju energetskih emisija i ugljičnog otiska koji zauzimaju središnje mjesto, geotermalni sustavi grijanja i hlađenja postali su popularni među vlasnicima kuća diljem SAD-a. Geotermalni sustavi postoje od 1940-ih, počevši od pružanja osnovnog grijanja vode. S vremenom je uključivanje novih tehnologija i napretka u sustavima za obradu zraka učinilo geotermalne sustave prikladnima kao komercijalno održiva alternativa konvencionalnijim HVAC sustavima.

Geotermalni sustavi grijanja i hlađenja, koji se nazivaju i toplinske pumpe s izvorom topline (GSHP), osiguravaju grijanje i hlađenje izmjenom topline s tlom. Ovi sustavi iskorištavaju činjenicu da temperatura tla ostaje relativno konstantna tijekom cijele godine, u rasponu od 45 do 75 F. Ovisno o godišnjem dobu, tlo može poslužiti kao izvor topline ili hladnjak.

Glavna prednost geotermalnih dizalica topline je ta što troše 25% do 50% manje električne energije od ostalih sustava grijanja ili hlađenja. Također, iako početni troškovi instalacije mogu biti visoki, relativno kratko razdoblje povrata od 6-7 godina nadoknađuje početno ulaganje. Nakon tog razdoblja, to je energetski učinkovit HVAC sustav za vaš dom koji ne zahtijeva mnogo održavanja.

Svi geotermalni sustavi hlađenja i grijanja imaju nekoliko zajedničkih komponenti. To uključuje mehanizam za prijenos tekućine za izmjenu topline u tlo i natrag, toplinsku pumpu za pomicanje tekućine i distribucijski sustav.

Bacimo pogled na svaki od ovih podsustava i njihove uloge.

Geotermalni sustavi petlje

Sve vrste geotermalnih sustava koriste mrežu međusobno povezanih cijevi koje se koriste kao izmjenjivači topline smještene pod zemljom. Zimi, kada je u zraku hladno, a u zemlji toplo, rashladno sredstvo unutar ovih zavojnica apsorbira toplinu iz tla i prenosi je u zgradu. Isti proces je obrnut za ljeta kada se toplina apsorbira iz zgrade i odbacuje u tlo.

Ovaj sustav petlje povezuje se s geotermalnom dizalicom topline. Uključuje kompresor, pumpu i dodatnu jedinicu za obradu zraka ako sustav grije zrak. Ovaj zrak zatim cirkulira kroz kuću pomoću sustava kanala i ventilacijskih otvora.

Geotermalni sustavi kategorizirani su prema dizajnu izmjenjivača topline. Mogu biti zatvorene petlje, otvorene petlje, okomite, vodoravne, petlje u jezercu ili uske petlje. Sustavi zatvorene petlje recirkuliraju već prisutnu rashladnu tvar unutar sustava. S druge strane, sustavi otvorene petlje stalno osvježavaju rashladno sredstvo, koristeći slatkovodno jezero ili podzemni vodonosnik budući da je rashladno sredstvo u ovom slučaju uglavnom voda.

Geotermalni sustavi zatvorene petlje

Sustavi zatvorene petlje uobičajeni su tip koji se koristi za geotermalne sustave. Voda, pomiješana s antifrizom ili drugim prikladnim rashladnim sredstvom, koristi se unutar zavojnica izmjenjivača topline da služi kao medij za izmjenu topline. Nema potrebe kontinuirano nadopunjavati tekućinu u sustavu. Ovaj se sustav može dalje podijeliti prema orijentaciji petlji izmjenjivača topline unutar tla.

Okomite petlje

Kao što je vidljivo, izmjenjivači topline u ovom tipu su okomito orijentirani. Rupe se buše do 400 stopa dubine, au njih se postavljaju U-cijevi. Višestruke U-cijevi u različitim rupama zatim se povezuju u zatvorenu mrežu, koja je zatim povezana s pumpom i kompresorom (ako postoji).

Bušotina se tada puni žbukom kako bi se osigurala bolja toplinska vodljivost između U-cijevi i zemlje. Broj bušotina, njihov razmak, dubina i volumen tekućine u U-cijevima ovisi o karakteristikama tla, potrebama za grijanjem i hlađenjem doma, temperaturnim varijacijama.

Prednost ovog rasporeda je što se može smjestiti unutar male površine u usporedbi s horizontalnim petljama. To ga čini idealnim za vlasnike malih kuća ili škola unutar izgrađenih područja, gdje nekretnine često mogu biti prvoklasne. No potrebno je poduzeti preventivne mjere kako bi bušotine bile dovoljno čvrste da se ne uruše. Štoviše, izbušeno podzemlje još uvijek bi trebalo moći držati zgrade u blizini.

Horizontalne petlje

Sustav horizontalnih petlji sastoji se od cijevi koje su vodoravno postavljene duž tla. Iskopa se plitak i dugačak jarak, dublji od granice smrzavanja, u koji se postave U-cijevi. Općenito, dubina je od 1 do 3 metra. Duljina može biti do 400 stopa, ovisno o specifičnim zahtjevima.

Dubina može imati dubok učinak na karakteristike grijanja i hlađenja sustava horizontalne petlje. Ako su previše plitke, petlje mogu apsorbirati toplinu od sunca tijekom promjene zime u ljeto, kada je tlo još relativno hladno. Time se povećava kapacitet grijanja sustava. Ali negativan je učinak taj što će se tijekom zimskih mjeseci petlje hladiti većom brzinom zbog svoje blizine površini.

Ovaj se problem može ukloniti povećanjem dubine petlji, pri čemu se povećani trošak instalacije kompenzira uštedom energije. Drugo rješenje je korištenje toplinski nevodljivog gornjeg sloja iznad petlji. Time se sprječava da gornji sloj tla ili atmosferske promjene temperature utječu na petlje.

Sustavi vodoravne petlje prikladniji su za područja s velikom količinom zemlje koja se može iskopati, kao što su velike farme, seoska imanja itd.

Slinky Loops

Slično kao vodoravne petlje, uske petlje se koriste tamo gdje se moraju koristiti vodoravne petlje, ali nema dovoljno slobodnog prostora. Cijevi u obliku kotura postavljaju se u plitke rovove slične vodoravnim petljama. Ove se petlje preklapaju jedna s drugom kada se postave na dno rova. To osigurava istu udaljenost kroz koju tekućina prolazi unutar cijevi, ali uz skraćenu duljinu pokrivanja cijelog sustava.

Pond Loops

Ovi se sustavi koriste tamo gdje se u blizini nalazi odgovarajuće vodeno tijelo. Petlje se mogu uroniti pod vodu ili postaviti na dno vodenog tijela. Takav sustav nema troškove kopanja ili bušenja, au slučaju kvara ili curenja omogućuje jednostavno izvlačenje sustava petlje. Vodeno tijelo mora biti dovoljno duboko da se površinski učinci temperature ne prenose unutar petlji.

Geotermalni sustavi otvorene petlje

Otvoreni sustavi su najjednostavniji od svih oblika geotermalnih sustava grijanja. Cijev s otvorenim krajem koristi se za izvlačenje vode iz podzemnog vodonosnika, vrelog izvora ili drugog prikladnog izvora vode. Ova voda zatim prolazi kroz izmjenjivače topline unutar dizalice topline. Potrošena voda se zatim ispušta unutar istog izvora vode, na odgovarajućoj udaljenosti od vodozahvata. Međutim, sustavi otvorene petlje imaju nekoliko izazova.

Treba voditi računa da ulazna voda bude dovoljno čista i odgovarajućeg mineralnog sastava kako se ne bi oštetila dizalica topline ili izmjenjivači topline. Otopljene kemikalije ili krute tvari u vodi mogu reagirati s materijalom izmjenjivača topline i poslužiti kao ubrzivač korozije. Na unutarnjem dijelu cijevi može se stvoriti kamenac, čime se smanjuje protok vode.

Štoviše, ekološki propisi na nekim mjestima zahtijevaju pročišćavanje izlazne vode prije ispuštanja. Čak i stroži propisi mogu potpuno zabraniti ispuštanje vode, zbog čega su potrebni sustavi zatvorene petlje.

Geotermalne toplinske pumpe

Gotovo svaki tip geotermalnog sustava ima uz sebe toplinsku pumpu. Obično se postavlja u ormarić, negdje izvan vidokruga. Geotermalna dizalica topline sastoji se od kompresora, izmjenjivača topline i drugih povezanih sustava upravljanja. Ako sustav grijanja i hlađenja koristi zrak za klimatizaciju unutarnjih prostora, jedinica za obradu zraka također je dio paketa.

Dizalice topline rade izmjenom topline između rashladnog sredstva (obično vode) u uzemljenim petljama i medija unutar cjevovoda. Tijekom zimskih mjeseci voda apsorbira toplinu iz tla i putuje do izmjenjivača topline u dizalici topline. Rashladno sredstvo se zatim komprimira, podiže temperaturu i pretvara ga u plin. Toplina unutar rashladnog sredstva zatim se izvlači pomoću izmjenjivača topline i prolazi kroz sustav kanala ili cijevi kroz cijeli dom. Posljednji korak se obično izvodi s klima komorama ako se zrak koristi za distribuciju topline.

Ovaj proces je obrnut u ljetnim mjesecima. Kod geotermalnog hlađenja, rashladno sredstvo apsorbira toplinu iz zatvorenog prostora i odbacuje je u tlo kroz podzemne petlje.

Geotermalni distribucijski sustav

Kao i kanalski sustavi klimatizacije, geotermalni sustavi također koriste sustav kanalskih kanala. Zbog toga su geotermalni sustavi posebno prikladni za projekte obnove u domovima s već instaliranim kanalima. Postojeći kanali tada se mogu koristiti u tu svrhu.

Ovo vrijedi za sustave koji prenose toplinu kroz zgradu pomoću zraka, koji se nazivaju sustavi tekućina-zrak. Jedinice za obradu zraka, koje su veliki ventilatori, pomiču velike količine zraka kroz kanale. Ali u nekim se sustavima voda izravno pumpa kroz domove pomoću cijevi ugrađenih u osnovnu strukturu kuće ili kroz radijatorske grijače prostora - takav raspored naziva se voda-voda.

Sustavi voda-voda također se mogu koristiti kao grijači vode za kućnu upotrebu. Geotermalna dizalica topline može održavati tekuću vodu na ugodnih 120 F, što je manje od potrebnih 150-200 F koji se postižu bojlerima. Ali prethodno zagrijavanje vode kroz geotermalni sustav rezultira uštedom energije s kotlom.

Voda-voda aranžmani popularna su opcija za sustave distribucije vode za grijanje i hlađenje. Petlje su ugrađene ispod poda ili unutar zidova. Ove petlje ostaju izvan vidokruga i ne stvaraju nikakvu buku, a istovremeno osiguravaju grijanje i hlađenje. Drugi izbor je korištenje sustava grijanja temeljnih ploča u kombinaciji s geotermalnim sustavima. Ali budite oprezni s ovom opcijom i posavjetujte se sa stručnjakom za pravilnu veličinu vašeg doma i zahtjeve za grijanje.

Troškovi instalacije za geotermalno grijanje i hlađenje

Geotermalni sustavi predstavljaju veću početnu investiciju nego suvremeni sustavi kućnog grijanja i hlađenja iako se ti troškovi postupno smanjuju. Uz stopu rasta od oko 12% godišnje na tržištu geotermalnih sustava, sve više proizvođača povećava konkurenciju i snižava cijene.

U prosjeku kućni geotermalni sustavi mogu koštati od 10.000 do 30.000 USD. Točna količina ovisi o karakteristikama tla, području koje treba iskopati, radi li se o sustavu s okomitom petljom ili vodoravnom petljom, prostoru za klimatizaciju unutar kuće, prethodnom kanalu i kvaliteti instalacije. Inačice višeg ranga mogu koštati čak i više od ovoga.

Osim toga, izbor između voda-zrak i voda-voda također može utjecati na cijenu. Dizalice topline voda-zrak su ekonomičniji izbor između ova dva.

Bušenje i kopanje mogu iznositi više od polovice ukupnih troškova instalacije geotermalnog sustava. Ugradnja geotermalne dizalice topline za cijeli sustav također može biti skupa. Troškovi geotermalnog grijanja i hlađenja u prosjeku iznose 2500 USD po toni, prema američkom Ministarstvu energetike.

Prednosti geotermalnih sustava grijanja i hlađenja

Prednosti geotermalnih sustava su brojne. Pogledajmo neke od njih:

• Energetska učinkovitost

Što se učinkovitosti tiče, geotermalni sustavi grijanja i hlađenja daleko nadmašuju konvencionalne klimatizacije. Glavni razlog za to je taj što sustav geotermalne dizalice topline ne izbacuje toplinu u vruće vanjsko okruženje, već je prenosi u hladno okruženje.

Kao što je već spomenuto, geotermalni sustav može osigurati uštedu energije do nevjerojatnih 50%. Ovo se može činiti kao Božji dar u vrućim ljetnim mjesecima. To je djelomično zbog visokih omjera energetske učinkovitosti geotermalnih sustava, koji dosežu čak 25, u usporedbi s 15 za konvencionalne sustave. Geotermalno hlađenje stoga može imati veliki utjecaj na vaše ljetne račune.

• Pogodnost

Geotermalni sustav nema puno dijelova o kojima se treba brinuti, poput konvencionalnog HVAC sustava. Nema kanala; nema zaklopki ili žaluzina; nije potrebno kontrolirati gorivo. Ne morate zimi održavati peć, a ljeti dizalicu topline. Dvije glavne komponente geotermalnih sustava su petlje uzemljenja i dizalica topline. Petlje za uzemljenje instalirane su odmah na početku i rijetko ih je potrebno ponovno održavati.

• Smanjeno održavanje

Prosječni životni vijek konvencionalnog klima uređaja je negdje oko 10-15 godina. Ali to je samo nakon dužne njege i održavanja. Ako zanemarite odgovarajuću HVAC njegu, životni vijek se može skratiti.

Geotermalni sustav grijanja ili hlađenja, s druge strane, može trajati od 20 do 50 godina. Potrebno je minimalno održavanje. Petlje uzemljenja ne treba povremeno provjeravati, a sustav može nastaviti raditi dugo vremena. To je zato što geotermalni sustav nije izložen teškim elementima tijekom cijele godine. Konvencionalni HVAC sustav izložen je vjetru i temperaturnim varijacijama, zajedno sa štetnim zagađivačima prisutnim u zraku.

Uštede sustavom geotermalnog grijanja i hlađenja

Dosta o troškovima, pričajmo o uštedama! Trenutačno su kuće s instaliranim geotermalnim sustavima kvalificirane za 30% saveznog poreznog kredita. Uz to, većina država ili elektroprivreda daje popuste ili potpore domovima koji koriste sustave geotermalne energije. Ovo također može značajno smanjiti troškove geotermalne dizalice topline. Kako biste saznali ispunjavate li uvjete za rabat, prijeđite na Bazu podataka za državne poticaje za obnovljive izvore energije i učinkovitost.

Vaši računi za struju također će pasti. Procjenjuje se da je 42% potrošnje energije u kućanstvu za potrebe grijanja. Korištenje geotermalnih sustava može smanjiti ovu upotrebu za 50%, ovisno o specifičnostima lokacije. Isti je slučaj s emisijama stakleničkih plinova.

S prosječnim životnim vijekom od 20-25 godina, geotermalni sustavi grijanja i hlađenja mogu dovesti do uštede energije do 75.000 USD tijekom svog životnog vijeka. Razdoblje otplate je mnogo kraće od toga, u prosjeku se kreće od 5-8 godina. Kao što vidite, iako troškovi geotermalnog grijanja i hlađenja u početku mogu biti visoki, dugoročno će se isplatiti.

Trebate li razmotriti geotermalne sustave?

Apsolutno da. Uštede energije i smanjenja emisija dobiveni kroz geotermalne sustave čine ih atraktivnim prijedlogom. Čak i ako geotermalni sustavi ne pružaju potpuni paket, mogu se koristiti kao dodatni sustavi.

Konačni izbor ovisi o vašoj specifičnoj situaciji:radi li se o novoj ili staroj kući, potrebnim kapacitetima grijanja i hlađenja i još mnogo toga. Treba voditi računa i o financijama. Troškovi geotermalne dizalice topline mogu izgledati previsoki. No, kao i uvijek, s HVAC sustavima svakako se posavjetujte s iskusnim stručnjakom prije nego što potrošite svoj novac!