Геотермальні колектори, зонди та підземні води в порівнянні
У нових та старих будівлях геотермальні системи опалення користуються попитом як заміни звичайному спалюванню нафти та газу. В останні роки поверхневі колектори, геотермальні зонди та системи свердловин зарекомендували себе як практичні рішення для виробництва геотермальної енергії. Потім тепло, витягнуте з землі, відкачується до необхідної температури контуру опалення за допомогою розсолу або водяно-водяного теплового насоса. Тоді ефективні теплові насоси використовують три чверті геотермальної енергії та чверть електроенергії для виробництва однієї кіловат-години тепла.
Що означає термін "геотермальна енергія" сьогодні?
Термін «геотермальна енергія» описує енергію, що зберігається у вигляді тепла під твердою земною поверхнею. Використання геотермальної енергії стає все більш важливим. Первинна енергія отримується за рахунок використання практично невичерпного і, отже, квазірегенеративного джерела енергії.
Використання геотермальної енергії має позитивні наслідки для навколишнього середовища (наприклад, збереження викопних джерел енергії, зменшення викидів CO2) і, отже, є екологічно бажаним скрізь, де можна виключити погіршення стану підземних вод. Залежно від глибини використання геотермальної енергії розрізняють два типи геотермальної енергії:
- Приземна геотермальна енергія (глибина до 400 метрів/для виробництва тепла та холоду)
- Глибока геотермальна енергія (з глибини 400 метрів/для опалення або для виробництва електроенергії)
«Приповерхнева геотермальна енергія» зазвичай ототожнюється з терміном геотермальна енергія, тоді як геотермальна енергія використовується, коли говорять про технічно більш складні розвідки на глибині 400 метрів.
Геотермальне використання геотермальної енергії з першого погляду (графік: energie-experten.org)
Запитуйте до 5 пропозицій теплових насосів від компаній HVAC у вашому районі!
Методи отримання геотермальної енергії
На геотермальну температуру шарів, що знаходяться поблизу поверхні, значною мірою впливає сонце, а отже і пори року в перші кілька метрів. Лише з глибини близько 15 метрів температура стабільна приблизно до 10 ° C. (Графіка: energie-experten.org)
У так званій «приповерхневій» геотермальній енергії встановлено три методи вилучення тепла з землі за допомогою теплового насоса:
Економні місця спеціальні розробки, такі як траншейні колектори, спіральні труби, спеціальні поліпропіленові мати і системи прямого випаровування із землепоглиначами, застосовуються рідше.
Хоча на температуру перших метрів грунту завжди впливає відповідна зовнішня температура, у найвищих шарах ґрунту з глибини близько 10 м протягом усього року температура становить близько 10 ° C. З цієї глибини температура геотермальної енергії поступово зростає. З глибини приблизно 100 м спостерігається відносно постійне підвищення температури близько 3 ° C на 100 м (так звана геотермальна глибина або геотермальний градієнт).
Якщо використання геотермальної енергії неможливе через правила щодо захисту води, геологічні обмеження або обмеження, пов’язані з територією суші, рекомендується використовувати повітряний тепловий насос як одно- або двовалентну систему опалення як альтернативу геотермальній енергії.
Знання експертів: Важливим набором правил у технічному розвитку геотермальної енергії є Рекомендації серії VDI 4640, особливо це сторінка 2, який займається спеціально заземленими системами теплових насосів. Сфера застосування VDI 4640 Частина 2 поширюється на Проектування та монтаж різні системи теплових насосів: системи, що використовують Підземні води через колодязі, Системи, що використовують підповерхню Геотермальні колектори та геотермальні зонди а також системи з Пряме розширення. Настанова також включає системи джерел тепла, такі як геотермальні кошики, енергетичні палі, бетонні компоненти, що контактують із землею та тунелями. Зонди для зберігання та компактні геотермальні колектори також потрапляють у сферу дії VDI 4640, частина 2.
Використання геотермальних колекторів
Плоскі колектори - це горизонтально прокладені поліетиленові шланги, в яких циркулює водно-гліколева суміш. Потужність холодного відбору внаслідок геології та потреби тепла в об’єкті («кількість геотермального тепла») визначає розмір поверхневого колектора і може варіюватися в 1,5–2,5 рази корисної площі для нагрівання залежно від ізоляції. Розміри слід проводити за будь-яких обставин згідно з VDI 4640 [1].
Поверхневий колектор використовує землю на глибині приблизно 1,20-1,50 м як сонячне накопичувач ("геотермальна енергія"). Це означає, що ця територія повинна бути доступною для сонця та теплоносіїв, особливо дощу та підземних вод. Тому використання власності обмежене з точки зору насадження та розвитку в довгостроковій перспективі. Тому рекомендується використовувати на великих властивостях.
Прокладка поверхневого колектора для видобутку приповерхневої геотермальної енергії (Фото: energie-experten.org)
Встановлення поверхневого колектора на вільних ділянках та оновлення системи опалення також утруднені, оскільки існуючі сади руйнуються, а транспортування землі, яку потрібно викопати до та з будівлі, забирає багато часу, якщо місця недостатньо. Таким чином, встановлення в новому будинку з достатньою площею землі є наперед визначеним застосуванням поверхневого колектора, оскільки кладка також може бути економічно ефективно інтегрована в процесі будівництва будинку.
Отже, проста установка та недорогі витрати на встановлення обмежуються площею та використанням об’єкта, і їх можна порівняти з установкою геотермальних зондів. Ще однією характеристикою поверхневого колектора є сезонна мінливість холодовідвідної потужності. Оскільки приповерхневий температурний профіль землі не залежить лише від сезону з 15 м і далі, температура розсолу, що протікає через поверхневий колектор, безперервно знижується від початку до кінця опалювального сезону і вимагає в літні місяці заповнення сонячного резервуару та регенерації ґрунту, що оточує колектор. Якщо вони розроблені занадто мало, літніх місяців недостатньо для досягнення того самого рівня температури, що і попереднього року. Результатом є довгострокове зниження темпів видобутку, яке поступово з’являється і часто стає очевидним лише через кілька опалювальних сезонів, особливо в новобудовах через відсутність еталонних значень.
Розподільна шахта є важливим елементом в роботі геотермального опалення. Тут потік і віддача геотермальних колекторів та/або геотермальних зондів об'єднані. (Фото: energie-experten.org)
Запитуйте безкоштовні пропозиції порівняння геотермальних систем опалення
Використання геотермальних зондів
Якщо площа для горизонтального геотермального колектора недоступна або виключена через його використання, існує можливість вертикального або похилого розташування. Цей тип колектора відомий як геотермальний зонд. Геотермальні зонди сягають глибин від 10 до 100 м. Видобуток геотермальної енергії зондом менш сприйнятливий до сезонних коливань температури. Їх використання базується на тому ж принципі, що і поверхневі колектори. Тільки вертикальна установка в землі відрізняє їх.
Для вилучення геотермальної енергії з глибших шарів ґрунту зазвичай бурять геотермальні зонди. (Фото: energie-experten.org)
Передумовами для планування та встановлення геотермальних зондів є точне знання властивостей ґрунту, послідовності шарів, опору ґрунту, а також існування ґрунтових та шарових вод та визначення напрямку її потоку. Оскільки під час буріння зазвичай трапляються шари, що несуть підземні води, необхідно отримати дозвіл відповідно до водного законодавства на експлуатацію системи геотермальних зондів. Геотермальні зонди особливо підходять для існуючих будівель та для нових будівель у мегаполісах з обмеженим відкритим простором.
Для глибинних геотермальних свердловин бурові штанги прикручуються між собою і регулюються в процесі буріння. (Фото: energie-experten.org)
Використання геотермальної енергії через систему свердловин
Підземні води з цілорічною температурою від 8 до 12 ° C, як геотермальне джерело, пропонують найкращі умови для роботи теплового насоса. У цьому випадку ґрунтові води беруться з припливної свердловини за допомогою занурювального насоса, пропускаються через випарник теплового насоса або проміжний контур теплообмінника, охолоджуються в процесі і потім повертаються через нагнітальну свердловину. Навіть на глибині 20 м і більше він в основному не містить зважених частинок і тому, як правило, придатний для підведення його до теплообмінника теплового насоса.
Використання геотермальної енергії через підземні води характеризується тим, що це середовище можна безперервно перекачувати при приблизно 10 ° C, тоді як температура розсолу в контурі геотермальних зондів або поверхневого колектора становить лише 0 ° C до 4 ° C в зимові місяці суми. Тоді тепловому насосу залишається лише «підкачати» цей «високий» рівень температури до рівня потоку нагрівальної води, що означає менші витрати на електроенергію для цієї роботи.
Використання вимагає встановлення мінімум двох свердловин: постачальної свердловини та абсорбційної свердловини для подачі води назад у водоносний шар. Оскільки ця система не може працювати повністю за відсутності повітря, колодязь часто забивається через високий вміст заліза та марганцю в підземних водах. Відстань між подаючою свердловиною та всмоктувальною свердловиною повинна бути не менше 10 м, щоб уникнути теплових коротких замикань. Напрямок потоку, продуктивність та якість води повинні бути визначені заздалегідь шляхом випробувань накачування, щоб забезпечити довгостроковий видобуток геотермальної енергії.
Для отримання геотермальної енергії необхідна певна кількість підземних вод. В принципі, кількість необхідної води визначається з наступної базової термодинамічної формули:
E = m * cv * ΔT
Де E означає необхідну холодовіддачу, m - витрату холодної води в кг/с, cv - питому теплоємність в кДж/(кг x K), ΔT - різницю температур між потоком і зворотною водою свердловини.
З цієї формули випливає, що ефективність роботи системи свердловинної води в значній мірі залежить від теплообмінника, який повинен бути розрахований на об'єм та витрату калорій, які можна довго перекачувати в процесі застосування. Якщо геотермальний теплообмінник не відповідає термодинамічним вимогам, загальна ефективність системи падає і в гіршому випадку може призвести до обмерзання поверхонь теплообмінника. Тому визначення системної технології повинно бути в руках досвідченого бюро планування.
Через сезонні коливання якості підземних вод, аналіз води необхідний до планування системи. Якщо цього не зробити, існує ризик засмічення вхідної свердловини та корозії залізом та марганцем. Якщо кількість та якість води недостатні, використовувати колодязну воду не рекомендується. Будь-яке пробне буріння, яке можливо було зроблено, все ще може бути використано як геотермальний зонд.
Знання експертів: Представлення можливого використання геотермальної енергії можна розширити, включивши системи прямого випаровування, зонди CO2, "супер" поглиначі поверхні, кошики зондів, енергетичні огорожі, басейни інфільтрації, використання ставків та стічних вод, енергетичні палі, активацію бетонного ядра тощо. Однак впровадження цих геотермальних технологій вимагає найрізноманітніших умов проекту відповідно до ретельного розгляду.
Тут ви знайдете компанії-спеціалісти з геотермальної енергії поблизу вас