Hönnun og skilvirkni jarðvarmadælukerfa
Jarðvarmadæla (e. Jarðvarmadæla, GSHP) er tækni til að hita og kæla byggingar og nýta stöðugt hitastig jarðar sem hitagjafa eða -sog. Í mörgum héruðum helst hitastig jarðar á ákveðnu dýpi tiltölulega stöðugt allt árið samanborið við útiloftið. Þetta gerir jarðvarmadælum kleift að starfa skilvirkari en hefðbundin loftræstikerfi, sérstaklega í loftslagi með miklum árstíðabundnum mun. Þessi grein fjallar um rekstrarreglur, hönnunarmöguleika, skilvirkniþætti og hagnýt atriði til að tryggja sannarlega orkusparandi og áreiðanlegt kerfi.
Virkni jarðvarmadælu
Í meginatriðum er varmadæla varma „flytjandi“, ekki „skapari“. Kerfið flytur varma frá lægri hitagjafa til hærri hitagjafa með því að nota þjöppu og kælimiðil. Í hitunarham er hiti dreginn úr jörðinni (í gegnum vökva sem er í hringrás í jarðhringrásinni), síðan er hitastig hans hækkað og dreift um alla bygginguna. Í kælingarham er varmaflutningurinn öfugur: hiti að innan er fjarlægður og leystur út í jörðina.
Grunnurinn að skilvirkni GSHP liggur í stöðugri jarðhita. Þegar útihitastigið er mjög kalt verður loft-til-loft kerfið (loftgjafinn) að draga varma úr kalda loftinu, sem neyðir þjöppuna til að vinna meira. Aftur á móti helst jörðin á nokkurra metra dýpi tiltölulega hlý, sem leiðir til minni hækkunar á rekstrarhita og dregur úr rafmagnsnotkun þjöppunnar.
Uppsetning kerfishönnunar: jarðlykkju
Mikilvægasti hönnunarþátturinn í jarðhitaskipti er jarðhitaskiptirinn, oftast úr háþéttni pólýetýleni (HDPE) sem myndar lokaða hringrás eða opið kerfi. Val á uppsetningu er háð landsvæði, jarðfræðilegum aðstæðum, framboði grunnvatns og nauðsynlegri hitunar- og kæligetu.
1) Lokað hringrásarkerfi
a. Lárétt lykkja
Rör eru grafnar lárétt niður í um það bil 1–2 metra dýpi (fer eftir loftslagi og reglugerðum). Kostirnir eru meðal annars lægri borunarkostnaður, hentugleiki fyrir stór svæði og tiltölulega auðveld notkun. Ókostirnir eru meðal annars þörfin fyrir stór svæði og meiri áhrif á afköst vegna árstíðabundinna sveiflna í yfirborðshita jarðvegs. Þurr eða grýttur jarðvegur getur dregið úr getu til að dreifa/gleypa varma.
b. Lóðrétt lykkja
Rörið er sett í lóðrétta borholu (t.d. tugi til hundruða metra), venjulega í U-beygju. Þetta er algengt á takmörkuðu landi í þéttbýli og veitir stöðugri jarðhita. Ókosturinn er hærri upphafskostnaður vegna þess að þörf er á borun og fúguefni (fyllingu með leiðandi efni til að tryggja góða varmatengingu við jarðveginn/bergmyndunina). Hins vegar er afköstin yfirleitt stöðug og landfótsporið er í lágmarki.
c. Tjarnar-/vatnslykkja
Ef nægilega djúpt tjörn eða stöðuvatn er til staðar er hægt að sökkva rörspípunni niður. Kostnaðurinn getur verið lægri en borun og framúrskarandi varmaflutningur vatnsins bætir afköst. Takmarkanir eru meðal annars þörfin fyrir viðeigandi vatnsból, umhverfisleyfi og vörn gegn vélrænum skemmdum eða breytingum á vatnsgæðum.
2) Opið hringrásarkerfi
Þetta kerfi dælir grunnvatni eða yfirborðsvatni, dregur út/bætir við hita í gegnum varmaskipti og losar síðan vatnið aftur í endurhleðslubrunn eða vatnsból. Nýtni getur verið mikil vegna beinna varmaskipta við vatnið, en hönnunin er flóknari vegna leyfiskrafna, hugsanlegrar útfellingar/tæringar, mengunarhættu og stöðugs vatnsflæðis. Ekki eru allir staðir hentugir fyrir þennan valkost.
Lykilþættir og hönnunarákvarðanir
Auk jarðlykkjunnar samanstendur GSHP-hitaveitan af varmadælueiningu (þjöppu, uppgufunar-þétti, þensluloka), jarðlykkju vökvahringrásardælu, dreifikerfi í byggingu og stýringum.
1. Jarðlykkjuvökvi
Vatni og frostlögur (própýlen glýkól eða etanól) er almennt blandað saman á svæðum þar sem hætta er á frosti. Val á frostlögurþéttni hefur áhrif á seigju, aflþörf dælunnar og varmaflutningsgetu.
2. Hringrásardæla og vökvakerfishönnun
Hönnun pípulagnanna og dreifingarrásarinnar ræður þrýstingstapi. Ef pípulagnirnar eru of litlar eða leiðslan flókin verður afl dælunnar hátt, sem dregur úr heildarnýtni kerfisins. Þess vegna verða hönnuðir að vega og meta kostnað við pípulagnirnar á móti orkunotkun dælunnar yfir líftíma hennar.
3. Hita-/kuldadreifikerfi í byggingunni
GSHP-hitakerfi virka best í lágvatnshitakerfum, svo sem gólfhitakerfum eða viftuspípum með miðlungshitastigi í framboði. Fyrir vatnshitun með háum hita (t.d. eldri ofnum) geta varmadælur starfað við hátt lyftihitastig, sem lækkar COP-stuðulinn. Aðlögun dreifingarhönnunar er oft lykillinn að orkusparnaði.
4. Rekstrarstjórnun og stefnumótun
Góð stjórnun kemur í veg fyrir stuttar sveiflur (tíðar kveikingar og slökkvun) og hámarkar stillipunktskúrfuna. Fjölþrepa hitastillir, buffertankar (fyrir vatnskerfi) og breytilegir hraðastillingar á þjöppum eða dælum geta aukið skilvirkni og þægindi.
Að skilja skilvirkni: COP, EER og SPF
Skilvirkni hitadælu er oft tjáð sem:
– COP (afkastastuðull) fyrir hitunarstillingu: hlutfall framleiddrar varmaorku á móti rafmagni sem notað er. COP upp á 4 þýðir að hver 1 kWh af rafmagni framleiðir 4 kWh af hita.
– EER (orkunýtingarhlutfall) fyrir kælistillingu.
– SPF/SCOP (árstíðabundin afkastastuðull): árstíðabundin afköst sem tekur mið af breytingum á álagi, hitastigi og raunverulegri notkun. Þessi vísir er oft viðeigandi en COP í rannsóknarstofu.
Í jarðhitaframleiðslukerfum (GSHPs) er COP-gildið yfirleitt hátt vegna þess að hitastig uppsprettu (jarðvegs) er stöðugt. Hins vegar er lokaupplifun notenda mjög háð hönnun lykkjunnar, gæðum uppsetningar og eindrægni við byggingarálag.
Árangursríkasti þátturinn fyrir skilvirkni
1. Hitastig jarðvegs og jarðfræði
Varmaleiðni jarðvegs/bergs, raki og grunnvatn hafa veruleg áhrif á varmaflutning. Rakur jarðvegur er almennt betri en þurr jarðvegur. Ákveðnar bergmyndanir geta verið mjög leiðandi, sem er hagstætt fyrir lóðréttar hönnunir.
2. Rétt stærð jarðlykkjunnar (límvatnsstærð)
Of lítil lykkja getur leitt til mikilla sveiflna í vökvahita, lækkaðs COP og hættu á að kerfið nái ekki hámarksafköstum. Of stór lykkja eykur upphafskostnað. Stærðarval ætti að byggjast á útreikningum á árlegum hámarksálagi og orkunotkun, ekki grófum áætlunum.
3. Að aðlaga einingarými að byggingarálagi
Of stórar einingar hafa tilhneigingu til að hafa stutta hringrás, sem dregur úr skilvirkni og hraðar sliti. Of litlar einingar ganga oft undir miklu álagi eða þurfa aukahitun, sem eykur rekstrarkostnað.
4. Afl hringrásardælu (sníkjudýraafl)
Rafmagnsnotkun vökvadæla og blásara, sem oft er gleymd, getur dregið úr heildarhagkvæmni kerfisins. Góð hönnun vökvakerfis, réttar pípulagnir og skilvirkar dælur eru nauðsynlegar til að viðhalda sólarorku (SPF).
5. Gæði uppsetningar og fúgunar (fyrir lóðrétta plötu)
Góð hitauppstreymi milli pípunnar og jarðar er nauðsynleg. Leiðandi fúguefni dregur úr hitauppstreymi. Röng uppsetning, lekar eða lélegar tengingar munu skerða afköst og auka hættu á bilunum.
6. Samþætting við heitavatnskerfi heimila (DHW)
Sumar jarðhitakerfi geta hitað heimilisvatn með kælikerfi eða sérstökum hitara. Þetta bætir orkunýtingu, sérstaklega þegar kælikerfið sóar hita sem hægt væri að „nýta“ í heitt vatn.
Hagfræðileg og sjálfbær sjónarmið
Upphafskostnaður við GSHP er almennt hærri en hefðbundinn loftkælir eða katla vegna jarðvinnu/borunar sem fylgir. Hins vegar getur rekstrarkostnaður verið lægri og stöðugri. Góð hagkvæmnisgreining tekur mið af:
– verð á rafmagni og öðrum eldsneytum,
– árlegir rekstrartímar (álagsmynstur),
– skattaívilnanir eða skattalækkun (ef einhverjar),
– viðhaldskostnaður og endingartími búnaðar,
– þægindagildi og minnkun útblásturs.
Umhverfislega séð geta jarðhitaframleiðslur dregið verulega úr losun, sérstaklega ef rafmagnið er fengið úr kolefnissnauðum orkugjöfum. Þar að auki er engin brennsla á staðnum, sem dregur úr staðbundinni loftmengun og öryggisáhættu tengdum gasi.
Bestu starfsvenjur í hönnun
Til þess að kerfið sé skilvirkt eru nokkrar algengar ráðlagðar aðferðir:
1. framkvæma orkuúttekt á byggingu og bæta byggingarumhverfið (einangrun, loftleki) áður en afkastageta er ákvörðuð,
2. Notið réttar útreikningar á hitunar- og kæliálagi, ekki bara byggingarflatarmálið,
3. Veldu lykkjustillingu í samræmi við landslag og jarðfræði og framkvæmdu hitasvörunarprófanir (fyrir stór verkefni),
4. forgangsraða lághitadreifingu (viðeigandi geislunar-/spólugólf),
5. fínstilla vökvakerfið til að lágmarka afl dælunnar,
6. nota stýringar sem koma í veg fyrir stuttar sveiflur og styðja breytilega notkun.
Lokun
Hönnun og skilvirkni jarðvarmadælukerfis er að miklu leyti ákvörðuð af þremur þáttum: jarðvegseiginleikum, kröfum um álag á bygginguna og gæðum hringrásar- og dreifingartækni innan byggingarinnar. Þegar jarðvarmadælur eru rétt hannaðar bjóða þær upp á mikla skilvirkni, stöðuga þægindi og möguleika á langtímasparnaði í orkukostnaði. Í ljósi þarfar fyrir losunarlækkun og rafvæðingar hitunar eru jarðvarmadælur að verða einn aðlaðandi kostur fyrir nútímabyggingar - hvort sem um er að ræða íbúðarhúsnæði, atvinnuhúsnæði eða stofnanir - svo framarlega sem hönnun þeirra er nákvæm og gagnadrifin.
