Geotermal istilik nasos sistemlərinin dizaynı və səmərəliliyi
Geotermal istilik nasosu (GSHP), yerin sabit temperaturundan istilik mənbəyi və ya lavabo kimi istifadə edən bir bina isitmə və soyutma texnologiyasıdır. Bir çox bölgədə müəyyən bir dərinlikdə yerin temperaturu xarici hava ilə müqayisədə il ərzində nisbətən sabit qalır. Bu, geotermal istilik nasoslarının, xüsusən də kəskin mövsümi fərqləri olan iqlim şəraitində ənənəvi HVAC sistemlərindən daha səmərəli işləməsinə imkan verir. Bu məqalədə həqiqətən enerjiyə qənaət edən və etibarlı bir sistemi təmin etmək üçün iş prinsipləri, dizayn variantları, səmərəlilik amilləri və praktik mülahizələr müzakirə olunur.
Geotermal istilik nasosunun iş prinsipi
Əslində, istilik nasosu "yaradıcı" deyil, istilik "ötürücüsüdür". Sistem, kompressor və soyuducu maddə istifadə edərək istiliyi aşağı temperaturlu mənbədən daha yüksək temperaturlu mənbəyə ötürür. İstilik rejimində istilik yerdən (torpaq dövrəsində dövran edən maye vasitəsilə) çəkilir, sonra onun temperaturu artırılır və bina boyunca paylanır. Soyutma rejimində istilik ötürülməsi tərsinə çevrilir: içəridən istilik çıxarılır və yerə yayılır.
GSHP səmərəliliyinin əsası daha sabit torpaq temperaturundadır. Xarici hava temperaturu çox soyuq olduqda, hava-hava sistemi (hava mənbəyi) soyuq havadan istilik çıxarmalı və bu da kompressoru daha çox işləməyə məcbur etməlidir. Əksinə, bir neçə metr dərinlikdə torpaq nisbətən isti qalır və bu da daha az işləmə temperaturu qaldırmasına səbəb olur və bu da kompressorun elektrik istehlakını azaldır.
Sistem dizayn konfiqurasiyası: torpaqlama dövrəsi
GSHP-də ən vacib dizayn elementi, adətən qapalı dövrə və ya açıq sistem təşkil edən yüksək sıxlıqlı polietilen (HDPE) boru olan yerüstü istilik dəyişdiricisidir. Konfiqurasiya seçimi torpaq sahəsi, geoloji şərait, yeraltı suların mövcudluğu və tələb olunan istilik və soyutma gücündən təsirlənir.
1) Qapalı dövrəli sistem
a. Üfüqi döngə
Borular təxminən 1-2 metr dərinliyə qədər üfüqi şəkildə basdırılır (iqlim və qaydalardan asılı olaraq). Üstünlüklərə daha aşağı qazma xərcləri, böyük ərazilər üçün uyğunluq və nisbi istismar rahatlığı daxildir. Dezavantajlara geniş ərazilərə ehtiyac və səth torpağının temperaturundakı mövsümi dalğalanmalar səbəbindən performansa daha çox təsir daxildir. Quru və ya qayalı torpaqlar istilik yayma/udma qabiliyyətini azalda bilər.
b. Şaquli döngə
Boru, adətən U-əyilmə konfiqurasiyasında şaquli quyuya (məsələn, on-yüz metr) daxil edilir. Bu, şəhər ərazilərində məhdud torpaqlar üçün yaygındır və daha sabit torpaq temperaturu təmin edir. Mənfi cəhəti qazma və sementləmə (torpaq/süxur əmələ gəlməsi ilə yaxşı istilik təmasını təmin etmək üçün keçirici materialla doldurma) ehtiyacı səbəbindən daha yüksək ilkin xərclərdir. Bununla belə, performans sabit olmağa meyllidir və torpaq izi minimaldır.
c. Gölməçə/göl döngəsi
Əgər kifayət qədər dərinlikdə bir gölməçə və ya göl varsa, boru spiralını suya batırmaq olar. Xərclər qazma işlərindən daha aşağı ola bilər və suyun əla istilik ötürməsi performansı artırır. Məhdudiyyətlərə uyğun su hövzəsinə ehtiyac, ətraf mühit icazələri və mexaniki zədələnmədən və ya suyun keyfiyyətindəki dəyişikliklərdən qorunma daxildir.
2) Açıq dövrəli sistem
Bu sistem yeraltı və ya səth sularını pompalayır, istilik dəyişdiricisi vasitəsilə istilik çıxarır/əlavə edir və sonra suyu yenidən doldurma quyusuna və ya su hövzəsinə axıdır. Su ilə birbaşa istilik mübadiləsi səbəbindən səmərəlilik yüksək ola bilər, lakin icazə tələbləri, potensial miqyaslanma/korroziya, çirklənmə riskləri və sabit su axınının mövcudluğu səbəbindən dizayn daha mürəkkəbdir. Bütün yerlər bu seçim üçün uyğun deyil.
Əsas komponentlər və dizayn qərarları
Torpaqlama dövrəsinə əlavə olaraq, GSHP istilik nasosu qurğusundan (kompressor, buxarlandırıcı-kondensator, genişləndirici klapan), torpaqlama dövrə mayesi sirkulyasiya nasosundan, binadaxili paylama sistemindən və idarəetmə elementlərindən ibarətdir.
1. Torpaqlama dövrəsi mayesi
Su və antifriz (propilen glikol və ya etanol) ümumiyyətlə donma riski olan ərazilərdə qarışdırılır. Antifriz konsentrasiyasının seçimi özlülüyə, nasos gücünə və istilik ötürmə qabiliyyətinə təsir göstərir.
2. Sirkülasyon nasosu və hidravlik dizayn
Boru kəmərinin və kollektorun dizaynı təzyiq itkisini müəyyən edir. Boru kəməri çox kiçikdirsə və ya marşrutlaşdırma dolaşıqdırsa, nasosun gücü yüksək olacaq və bu da ümumi sistemin səmərəliliyini azaldacaq. Buna görə də, dizaynerlər boru kəmərinin dəyərini nasosun ömrü boyu enerji istehlakı ilə balanslaşdırmalıdırlar.
3. Binada istilik/soyuq paylama sistemi
GSHP-lər aşağı su temperaturlu sistemlərdə, məsələn, radiasiyalı döşəmələrdə və ya orta təchizat temperaturuna malik fan rulonlarında ən yaxşı işləyir. Yüksək temperaturlu su isitmə sistemləri (məsələn, köhnə radiatorlar) üçün istilik nasosları yüksək qaldırma temperaturunda işləyə bilər və bu da COP-u aşağı salır. Paylama dizaynının tənzimlənməsi çox vaxt enerji qənaəti üçün əsasdır.
4. Əməliyyat nəzarəti və strategiyası
Yaxşı idarəetmə qısa dövrələmənin (tez-tez açma-sönmə) qarşısını alır və təyin olunmuş nöqtə əyrisini optimallaşdırır. Çoxmərhələli termostatlar, bufer çənləri (hidronik sistemlər üçün) və kompressorlarda və ya nasoslarda dəyişkən sürət parametrləri səmərəliliyi və rahatlığı artıra bilər.
Səmərəliliyin başa düşülməsi: COP, EER və SPF
İstilik nasosunun səmərəliliyi çox vaxt aşağıdakı kimi ifadə olunur:
– İstilik rejimi üçün COP (Performans Əmsalı): istehsal olunan istilik enerjisinin istifadə olunan elektrik enerjisinə nisbəti. COP-un 4 olması o deməkdir ki, hər 1 kVt/saat elektrik enerjisi 4 kVt/saat istilik istehsal edir.
– Soyutma rejimi üçün EER (Enerji Səmərəliliyi Nisbəti).
– SPF/SCOP (Mövsümi Performans Faktoru): yük, temperatur və faktiki əməliyyatdakı dəyişiklikləri nəzərə alan mövsümi səmərəlilik. Bu göstərici çox vaxt laboratoriya COP-dan daha aktualdır.
QTQ-larda, mənbə (torpaq) temperaturu sabit olduğundan, COP adətən yüksək olur. Lakin, son istifadəçi təcrübəsi döngənin dizaynından, quraşdırma keyfiyyətindən və bina yükləri ilə uyğunluqdan çox asılıdır.
Səmərəliliyi ən çox müəyyən edən amil
1. Torpağın istilik şəraiti və geologiyası
Torpağın/süxurun istilik keçiriciliyi, rütubət və yeraltı suların mövcudluğu istilik ötürülməsinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Nəm torpaq ümumiyyətlə quru torpaqdan daha yaxşıdır. Müəyyən süxur formasiyaları yüksək keçiriciliyə malik ola bilər və bu da şaquli konstruksiyalara fayda verir.
2. Düzgün torpaqlama döngəsinin ölçüsü (ölçü)
Çox kiçik bir dövrə maye temperaturunun kəskin dəyişməsinə, COP-un azalmasına və sistemin pik tutuma çatmaması riskinə səbəb ola bilər. Çox böyük bir dövrə ilkin xərcləri artırır. Ölçülər təxmini qiymətləndirmələrə deyil, illik pik yük və enerji hesablamalarına əsaslanmalıdır.
3. Blok tutumunun bina yükünə uyğunlaşdırılması
Böyük ölçülü qurğular qısa dövrəyə meyllidir, bu da səmərəliliyi azaldır və aşınmanı sürətləndirir. Kiçik ölçülü qurğular çox vaxt yüksək yüklərdə işləyir və ya əlavə istilik tələb edir ki, bu da əməliyyat xərclərini artırır.
4. Sirkülasyon nasosunun gücü (parazitar güc)
Maye nasoslarının və üfləyicilərin elektrik istehlakı çox vaxt nəzərə alınmadığı halda, ümumi sistemin səmərəliliyini azalda bilər. Yaxşı hidravlik dizayn, düzgün boru kəmərləri və yüksək səmərəlilikli nasoslar SPF-ni qorumaq üçün vacibdir.
5. Quraşdırma və grouting keyfiyyəti (şaquli üçün)
Boru ilə torpaq arasında yaxşı istilik təması vacibdir. Keçirici məhlul istilik müqavimətini azaldır. Yanlış quraşdırma, sızmalar və ya zəif birləşmələr performansa mənfi təsir göstərəcək və nasazlıq riskini artıracaq.
6. Məişət isti su (DHW) sistemləri ilə inteqrasiya
Bəzi GSHP-lər məişət suyunu desuperqızdırıcı və ya xüsusi rejim vasitəsilə qızdıra bilər. Bu, enerji istifadəsini yaxşılaşdırır, xüsusən də soyutma sistemi isti su üçün "yığıla" bilən istiliyi israf etdikdə.
İqtisadi və davamlılıq mülahizələri
Torpaq işləri/qazma işləri səbəbindən GSHP-nin ilkin dəyəri ümumiyyətlə adi kondisioner və ya qazandan daha yüksəkdir. Bununla belə, istismar xərcləri daha aşağı və daha sabit ola bilər. Yaxşı bir texniki-iqtisadi təhlil aşağıdakıları nəzərə alır:
– elektrik enerjisi və alternativ yanacaqların qiymətləri,
– illik iş saatları (yük profili),
– vergi güzəştləri və ya güzəştləri (əgər varsa),
– avadanlıqların istismar xərcləri və istismar müddəti;
– rahatlıq dəyəri və emissiyanın azaldılması.
Ətraf mühit baxımından, GSHP-lər, xüsusən də elektrik enerjisi aşağı karbonlu mənbələrdən əldə edilirsə, tullantıları əhəmiyyətli dərəcədə azalda bilər. Bundan əlavə, yerində yanma yoxdur ki, bu da yerli hava çirkliliyini və qazla əlaqəli təhlükəsizlik risklərini azaldır.
Ən yaxşı dizayn təcrübələri
Sistemin effektiv olması üçün bəzi tövsiyə olunan təcrübələr bunlardır:
1. tutumu müəyyən etməzdən əvvəl binanın enerji auditini aparmaq və binanın örtüyünü (izolyasiya, hava sızması) yaxşılaşdırmaq,
2. Yalnız bina sahəsini deyil, düzgün istilik-soyutma yükü hesablamalarından istifadə edin,
3. Torpaq və geologiyaya uyğun olaraq dövrə konfiqurasiyasını seçin və (böyük layihələr üçün) istilik reaksiyası testlərini aparın,
4. aşağı temperatur paylanmasına üstünlük verin (uyğun şüalanma/spiral döşəmə),
5. nasos gücünü minimuma endirmək üçün hidravlikanı optimallaşdırın,
6. Qısa dövrənin qarşısını alan və dəyişkən əməliyyatı dəstəkləyən idarəetmə vasitələrindən istifadə edin.
Bağlanır
Geotermal istilik nasos sisteminin dizaynı və səmərəliliyi əsasən üç amilin uyğunluğu ilə müəyyən edilir: torpaq xüsusiyyətləri, bina yükü tələbləri və bina daxilində dövrə və paylama mühəndisliyinin keyfiyyəti. Düzgün dizayn edildikdə, GSHP-lər yüksək səmərəlilik, sabit rahatlıq və uzunmüddətli enerji xərclərinə qənaət potensialı təklif edir. Emissiyaların azaldılmasına və isitmənin elektrikləşdirilməsinə ehtiyac duyulduğu bir vaxtda, geotermal istilik nasosları, dizaynları dəqiq və məlumatlara əsaslandığı müddətcə, müasir binalar - istər yaşayış, istər kommersiya, istərsə də institusional - üçün ən cəlbedici variantlardan birinə çevrilir.
