17.5 Геотермальні теплові насоси
На сьогоднішній день геотермальний тепловий насос є найбільш ефективною енергозберігаючою системою опалювання й кондиціюван- ня. Геотермальні теплові насоси одержали широке поширення у США, Канаді та країнах Европейского Співтовариства [43]. Геотермальні системи встановлюються в суспільних будинках, приватних будинках та на промислових об’єктах. Поштовх для розвитку цих систем з’явився після енергетичних криз 1973 та 1978 років. На початку свого розвитку вони застосовувались в будинках високої цінової категорії, але за рахунок застосування сучасних технологій геотермальні теплові насоси стали доступні багатьом споживачам. Вони встановлюються в нових будинках або заміняють застаріле обладнання з збереженням або незначною модифікацією колишньої опалювальної системи. До теперішнього часу впровадження геотермальних теплових насосів у світі приголомшують:
у США щорічно виробляється близько 1 млн. геотермальних теплових насосів. При будівництваі нових суспільних будинків викори- стаються винятково геотермальні теплові насоси. Ця норма була закріплена Федеральним законодавством США;
у Швеції 70% тепла забезпечується тепловими насосами. У Стокгольмі 12% усього опалення міста забезпечується геотермальними тепловими насосами загальною потужністю 320 мВт, що використовують як джерело низькопотенційне тепло води Балтійського моря з температурою +8 0С;
у Німеччині передбачена дотація держави на установку теплових насосів у розмірі 400 марок за кожний кВт установленої потужності;
загальний об’єм продажів теплових насосів за рубежом становить 125 млрд. доларів США, що перевищує світовий об’єм продажі озброєнь у 3 рази;
у світі за пргнозами Світового Енергетичного Комітету до 2020 року частка геотермальних теплових насосів у теплопостачанні складе 75%.
У чомуж переваги теплових насосів?
1. Економічність та ефективність. По перше, низьке енергоспо- живання, яке досягається за рахунок високого коефіцієнта перетворення теплоти (від 3 до 7), що дозволяє одержати на 1 кВт витраченої енергії 3-7 кВт теплової енергії на виході.
2. Гнучкість. Одна установка може контролювати опалення, холод- ження й нагрівання води.
3. Комфорт. Протягом усього року створюється бажаний клімат у приміщенні, система працює стійко, коливання температури й волого- сті мінімальні. Відсутній шум. Застосовується мультизональный кліматичний контроль.
4. Дизайн. Установка займає мінімум простору й не порушує ціліс- ність інтер’єра й концепцію фасаду будинку, тому що немає внут- рішнього й зовнішнього блоку.
5. Екологія. Екологічно чистий метод опалення й кондиціювання, тому що використається поновлювана теплова енергія землі. У навко- лишнє середовище не виділяється шкідливих речовин.
6. Надійність. Надійне й довговічне встаткування, має термін слу- жби до капітального ремонту більше 15 років. Працює повністю в автоматичному режимі. Обслуговування установок полягає в сезонному технічному огляді й періодичному контролі режиму роботи.
7. Безпека. Установки навіть високої потужності мають високий ступінь безпеки, тому що не пов’язані з горючими або вибухонебез- печними матеріалами, процесами горіння, високими температурами.
З погляду фахівця по опаленню, ґрунт є невичерпним джерелом теплової енергії. Відібрати геотермальне тепло (теплота ґрунту) можна лише за допомогою теплових насосів. Теплові насоси, які використають для відбору тепла ґрунту, іноді називають ґрунтовими. Це поняття досить умовне, тому що той самий тепловий насос може бути використаний, як для відбору теплоти ґрунту, так для відбору теплоти від води, та й з повітря. При відборі теплоти Землі використовують її верхні шари, що перебувають на глибині до 100 метрів від поверхні. З погляду теплообміну цей шар ґрунту є під впливом променистої енергії Сонця, радіогенного тепла із глибинних шарів Землі, конвективного теплообміну з атмосферним повітрям і теплопереноса за рахунок різних масообміних процесів (дощ, танення снігу, гунтова вода й т.і.).
Відзначимо, що теплопровідність ґрунту не є величиною постійної протягом року. Вона залежить від вологості, агрегатного стану вологи в ґрунті й температури. Причому особливо сильно вологість міняється при замерзанні ґрунту. На глибині більше 8 метрів температура практично постійна протягом року. За кордоном існує таке поняття, як температура ґрунту. Довідник АSHRAE [3] пропонує визначати температуру ґрунту по температурі ґрунтових вод у даній місцевості. Якщо виходити з температури ґрунтових вод. то вона коливається в межах 8-10 0С для умов України.
Існує два основних способи відбору геотермального тепла – за допо- могою відкритих і закритих контурів Під відкритим контуром розуміють використання теплоти ґрунтових вод, передбачаючи доставку цих вод на поверхню, використання їхньої теплоти й повернення в грунт. Під закритим контуром розуміють використання теплоти ґрунту за допомогою проміжних теплообмінників і теплоносіїв У свою чергу системи із закритими контурами розрізняють по типі теплообмінників – горизонтальні (рис. 17.3а) і вертикальні (рис 17.3б). Пристрій закритих контурів з вертикальними теплообмінниками дорожче, ніж з горизонтальними теплообмінниками, але контури з горизонтальними теплообмінниками займають більші площі, що може бути обмеженням при використанні теплових насосів.
Труби горизонтальних теплообмінників розміщають у траншеях. Розміщення труб у траншеї звичайно виконується двома основними способами: прямі й звиті в спіраль труби
Теплові насоси з горизонтальним теплообмінником розглядаються лише при наявності поверхні необхідної площі. Замкнутий контур теплообмінника укладається горизонтально у глибокі (1,5 метра) траншеї, довжина яких варіюється від 100 до 300 метрів.
а б
Рис. 17.3 Розведення труб горизонтального (а) та вертикального ( б) ґрунтових теплообмінників.
Замкнутий контур теплообмінника у вигляді U-образної трубки встановлюється вертикально в підготовлені отвори-шпари малого діаметра глибиною 25-100 метрів. Застосовується у важкому ґрунті або при обмеженості ділянки.
Теплові насоси можуть використовуватися разом з сонячними колек- торами. Сонячні колектори й штучні соляні водойми використаються як додаткові джерела тепла й прекрасно доповнюють теплові насоси 6 місяців у році (із квітня по вересень).
Схема застосування геотермального теплового насоса для опалення й гарячого водопостачання індивідуального будинку прдставлена на рис.17.4. Дана схема містить резервні пікові електричні підігрівники для контуру опалення й готування гарячої води, а також сонячний колектор.