Геотермалните термопомпи

Как се появява технологията на геотермалните термопомпи и защо става толкова важна?

Геотермалните термопомпи са една от най-старите, но едновременно с това и най-модерните технологии за отопление. Още през 40-те години инженери в Европа започват да експериментират с използване на топлината, съхранявана в земните пластове. Те откриват, че независимо от сезона температурата на земята под 10–15 метра остава постоянна — около 10–14°C. Това качество прави земята идеален естествен топлообменник.

Развитието на термопомпената технология напредва бавно до 80-те години, когато високите цени на горивата и необходимостта от енергийна ефективност ускоряват внедряването на геотермални системи в жилищни и промишлени обекти. След 2000 година, със засилените екологични изисквания и стремежа към нисковъглеродни решения, геотермалните термопомпи се превръщат в предпочитани системи за отопление в Европа.

Основното предимство на технологията е, че тя използва практически неизчерпаем енергиен източник – топлината на земята. Това позволява на системата да работи целогодишно с висока ефективност и минимален разход на електроенергия.

2. Какво представлява една геотермална термопомпа?

Геотермалната термопомпа е отоплителна и охлаждаща система, която използва топлообмен с почвата или подземни води. Тя пренася топлината от земята към сградата през зимата и извежда топлината обратно към земята през лятото. За разлика от въздушните термопомпи, които зависят от външните атмосферни условия, геотермалната система черпи енергия от стабилен източник, независим от климатичните промени.

Системата се състои от няколко основни елемента. Най-важен е геотермалният колектор. Той представлява тръбна система, поставена хоризонтално в плитки изкопи или вертикално в сондажи. В тръбите циркулира вода, която обменя топлина с околната земна маса. Термопомпата използва тази енергия, за да отоплява или охлажда жилището и да загрява битово гореща вода.

Геотермалните термопомпи са изключително тихи, надеждни и изискват минимална поддръжка. Те са проектирани да работят повече от 20–25 години, а колекторите в земята – над 50 години.

3. Видове геотермални системи

Съществуват два основни типа геотермални термопомпени системи – такива, които използват затворен цикъл, и такива с отворен цикъл.

Затворените системи са най-разпространени. Те включват хоризонтални колектори, които се поставят в земята на дълбочина 1.2–1.5 метра, и вертикални сондажи, които достигат дълбочини от 60 до 150 метра. Хоризонталните системи са по-изгодни, но изискват голям двор, докато вертикалните системи са подходящи за имоти с ограничена площ.
Правят се сондажи на 30–150 m дълбочина, на разстояние 6 m един от друг. Подходящо за жилища и търговски сгради.
Система „Слинки“ – използва навити на спирала тръби, което позволява по-малка площ, но изисква повече тръба на линеен метър.

Има и специални версии за водоеми, при които колекторите се поставят на дъното на езера или реки. При отворения цикъл се използва подпочвена вода, която директно участва в топлообмена. Така познатите термопомпи вода-вода. Тези системи са изключително ефективни, но изискват наличие на сондаж с постоянен воден дебит. Минусът при тях е, че нямате контрол над качеството или количеството на подпочвената вода.

4. В какви сфери се използват геотермалните термопомпи?

Геотермалните термопомпи намират приложение както в жилищни домове, така и в големи индустриални и обществени сгради. В домовете те служат за отопление, охлаждане и производство на битова гореща вода. В бизнес сградите, офисите, хотели, болници и училища геотермалните системи осигуряват изключително ниски експлоатационни разходи и стабилна климатизация през цялата година.

В индустрията геотермалните термопомпи се използват за поддържане на контролирана температура в производствени зали, складове, лаборатории и помещения с високи изисквания за постоянни климатични параметри. Технологията е ценена в селското стопанство – за отопление на оранжерии, рибарници и ферми.

Благодарение на високата си ефективност геотермалните системи се използват и в райони с екстремни климатични условия, където други отоплителни системи имат трудности.

5. Как се определя мощността на една геотермална термопомпа?

Оразмеряването на геотермална термопомпа е сложен процес, тъй като включва топлотехнически изчисления, оценка на почвата и анализ на потреблението. Първо се изчисляват топлинните загуби на сградата. Това определя необходимата топлинна мощност, която трябва да предостави термопомпата.

След това се анализира възможността за монтаж на колектор. Ако има достатъчно външна площ, може да се използва хоризонтален колектор. За една къща от 120–150 кв.м обикновено е необходима система от 8 до 12 kW, което означава около 300 до 500 метра тръби, положени в земята. Ако теренът е ограничен, се използват вертикални сондажи. За една 10 kW система обикновено са необходими два сондажа по 70–80 метра.

Термопомпата трябва да бъде избрана така, че да покрива основните загуби на сградата, но да не бъде претоварена. Оразмеряването отчита и подгряването на битова гореща вода, тъй като това е допълнителен топлинен товар.

6. Как се монтира геотермална термопомпа?

Монтажът започва с подготовка на терена. При хоризонталните системи се изкопават траншеи на необходимата дълбочина. Поставят се тръбните серпентини, които след това се покриват с пясък или ситна почва, за да се осигури добър топлообмен. При вертикалните системи се извършва сондиране, поставя се геотермална сонда и се запълва с термичен разтвор за стабилен топлинен контакт.

В сградата се монтира термопомпеният модул, който се свързва към отоплителната система – най-често подово отопление, вентилаторни конвектори или радиатори с ниска температура. След това се добавя и бойлер за битова гореща вода, ако системата е комбинирана.

Едно от най-големите предимства на геотермалните термопомпи е, че те не се влияят от климатичните условия, така че след монтажа системата работи стабилно през цялата година без колебания в ефективността.

7. Какви хладилни агенти използват геотермалните термопомпи и има ли водни варианти?

Геотермалните термопомпи използват хладилни агенти като R410A и R32, като тази технология позволява да се постигнат високи коефициенти на ефективност. Съществуват и водни термопомпи, които работят не с фреон, а чрез топлообмен между водата в колектора и отоплителната система. Тези системи са изключително надеждни, но изискват подходяща геоложка среда и наличие на подпочвена вода.

Каква е ефективността на геотермална термопомпа?

Геотермалните системи работят с:

COP ≈ 4 – 5 през зимата

(Т.е. за 1 kWh ток получаваш 4–5 kWh отопление)

Това е почти 5–6 пъти по-евтино от радиатори или печки на ток.

3. Реална примерна сметка за дом 100 кв.м

ЗИМА – отопление

Една добре изолирана къща 100 кв.м харчи:

• Средно 2000–3000 kWh топлинна енергия / месец
  (зависи от региона – в планински райони повече)

При COP 5:

• Електричество = 400–600 kWh / месец

При цена на тока ~0.28 лв/kWh (дневна + нощна смесена):

• Сметка: 110 – 160 лв/месец

ЛЯТО – охлаждане (ако се ползва)

Геотермалната система позволява и пасивно охлаждане, което е почти безплатно.
Разходът е 7–10 пъти по-нисък от климатици.

Типично:

• 20–40 лв/месец разход за ток през лятото

Гореща вода (БГВ)

За семейство от 3 души:

• 80–120 kWh електричество
• 20–30 лв/месец

4. ОБОБЩЕН РЕАЛЕН РАЗХОД

Зима:

110 – 210 лв/месец за отопление + БГВ

Лято:

20 – 40 лв/месец за охлаждане + БГВ

Годишно:

Около 500 – 800 лв / година

С тези опростени сметки искам да покажа, че геотермалните системи са най-ефективното и евтино за експлоатация решение, но разбира се - няма безплатен обяд. Те са най-скъпата инвестиция, която съществува на пазара. Тоест плащаш повече сега, за да плащаш много малко за бъдеще от 20-30 години.