Geoterminių šilumos siurblių sistemų projektavimas ir efektyvumas
Geoterminis šilumos siurblys (GSHP) – tai pastatų šildymo ir vėsinimo technologija, kuri naudoja stabilią žemės temperatūrą kaip šilumos šaltinį arba kriauklę. Daugelyje regionų žemės temperatūra tam tikrame gylyje išlieka santykinai pastovi ištisus metus, palyginti su lauko oru. Tai leidžia geoterminiams šilumos siurbliams veikti efektyviau nei įprastoms ŠVOK sistemoms, ypač klimato sąlygomis, kurioms būdingi dideli sezoniniai skirtumai. Šiame straipsnyje aptariami veikimo principai, projektavimo galimybės, efektyvumo koeficientai ir praktiniai aspektai, siekiant užtikrinti tikrai energiją taupančią ir patikimą sistemą.
Geoterminio šilumos siurblio veikimo principas
Iš esmės šilumos siurblys yra šilumos „pernešėjas“, o ne „kūrėjas“. Sistema perduoda šilumą iš žemesnės temperatūros šaltinio į aukštesnės temperatūros šaltinį, naudodama kompresorių ir šaltnešį. Šildymo režimu šiluma imama iš žemės (per cirkuliuojantį skystį žemės kilpoje), tada jos temperatūra pakeliama ir paskirstoma po visą pastatą. Vėsinimo režimu šilumos perdavimas vyksta atvirkščiai: šiluma iš vidaus pašalinama ir išsklaidoma į žemę.
GasHP efektyvumo pagrindas yra stabilesnė žemės temperatūra. Kai lauko oro temperatūra labai žema, oras-oras sistema (oro šaltinis) turi išgauti šilumą iš šalto oro, todėl kompresorius yra priverstas dirbti sunkiau. Ir atvirkščiai, kelių metrų gylyje esanti žemė išlieka santykinai šilta, todėl darbinė temperatūra pakyla mažiau, o tai sumažina kompresoriaus elektros energijos suvartojimą.
Sistemos projektavimo konfigūracija: įžeminimo kilpa
Svarbiausias GSHP konstrukcijos elementas yra antžeminis šilumokaitis, paprastai didelio tankio polietileno (HDPE) vamzdis, sudarantis uždarą arba atvirą sistemą. Konfigūracijos pasirinkimui įtakos turi žemės plotas, geologinės sąlygos, požeminio vandens prieinamumas ir reikalinga šildymo bei vėsinimo galia.
1) Uždaros kilpos sistema
a. Horizontali kilpa
Vamzdžiai kasami horizontaliai maždaug 1–2 metrų gylyje (priklausomai nuo klimato ir reglamentų). Privalumai: mažesnės gręžimo išlaidos, tinkamumas dideliems plotams ir santykinai lengvas eksploatavimas. Trūkumai: poreikis dideliems plotams ir didesnė įtaka našumui dėl sezoninių paviršiaus dirvožemio temperatūros svyravimų. Sausas arba uolėtas dirvožemis gali sumažinti šilumos išsklaidymo / sugerties galimybes.
b. Vertikali kilpa
Vamzdis įkišamas į vertikalų gręžinį (pvz., dešimčių ar šimtų metrų gylyje), dažniausiai U formos išlinkimu. Tai įprasta ribotoje miesto žemės plote ir užtikrina stabilesnę žemės temperatūrą. Trūkumas yra didesnės pradinės išlaidos dėl gręžimo ir skiedinio užpildymo (užpildymo laidžia medžiaga, siekiant užtikrinti gerą šiluminį kontaktą su dirvožemiu / uolienomis) poreikio. Tačiau našumas paprastai būna pastovus, o užimama žemės dalis – minimali.
c. Tvenkinio / ežero kilpa
Jei yra pakankamai gylio tvenkinys ar ežeras, vamzdžio spiralę galima panardinti. Išlaidos gali būti mažesnės nei gręžiant, o puikus vandens šilumos perdavimas pagerina našumą. Apribojimai apima tinkamo vandens telkinio poreikį, aplinkosaugos leidimus ir apsaugą nuo mechaninių pažeidimų ar vandens kokybės pokyčių.
2) Atvirojo ciklo sistema
Ši sistema pumpuoja gruntinį arba paviršinį vandenį, išgauna / papildo šilumą per šilumokaitį ir tada išleidžia vandenį atgal į papildymo gręžinį arba vandens telkinį. Efektyvumas gali būti didelis dėl tiesioginių šilumos mainų su vandeniu, tačiau konstrukcija yra sudėtingesnė dėl leidimų reikalavimų, galimo kalkėjimo / korozijos, užteršimo rizikos ir stabilaus vandens srauto. Ne visos vietos tinka šiai parinkčiai.
Pagrindiniai komponentai ir dizaino sprendimai
Be antžeminės kilpos, GŠP sudaro šilumos siurblio blokas (kompresorius, garintuvas-kondensatorius, išsiplėtimo vožtuvas), antžeminės kilpos skysčio cirkuliacinis siurblys, pastato vidaus paskirstymo sistema ir valdikliai.
1. Įžeminio kontūro skystis
Vanduo ir antifrizas (propilenglikolis arba etanolis) paprastai maišomi tose vietose, kur kyla užšalimo pavojus. Antifrizo koncentracijos pasirinkimas turi įtakos klampumui, siurblio galios poreikiui ir šilumos perdavimo pajėgumui.
2. Cirkuliacinis siurblys ir hidraulinė konstrukcija
Vamzdynų ir kolektoriaus konstrukcija lemia slėgio nuostolius. Jei vamzdynas per mažas arba maršrutas vingiuotas, siurblio galia bus didelė, o tai sumažins bendrą sistemos efektyvumą. Todėl projektuotojai turi subalansuoti vamzdynų kainą su siurblio energijos suvartojimu per visą jo eksploatavimo laiką.
3. Pastato šilumos / šalčio paskirstymo sistema
Šilumos siurbliai geriausiai veikia žemos vandens temperatūros sistemose, tokiose kaip grindinio šildymo sistemos arba ventiliatoriniai ritiniai su vidutine tiekiamo vandens temperatūra. Aukštos temperatūros vandens šildymui (pvz., senesniems radiatoriams) šilumos siurbliai gali veikti esant didelei temperatūrai, taip sumažindami COP. Paskirstymo konstrukcijos koregavimas dažnai yra labai svarbus norint taupyti energiją.
4. Veiklos kontrolė ir strategija
Geras valdymas apsaugo nuo trumpų ciklų (dažnų įjungimų ir išjungimų) ir optimizuoja nustatytosios vertės kreivę. Daugiapakopiai termostatai, buferinės talpyklos (hidraulinėms sistemoms) ir kintamo greičio nustatymai kompresoriuose ar siurbliuose gali padidinti efektyvumą ir komfortą.
Efektyvumo supratimas: COP, EER ir SPF
Šilumos siurblio efektyvumas dažnai išreiškiamas taip:
– Šildymo režimo našumo koeficientas (COP): pagamintos šilumos energijos ir sunaudotos elektros energijos santykis. COP, lygus 4, reiškia, kad iš kiekvienos 1 kWh elektros energijos pagaminama 4 kWh šilumos.
– EER (energijos vartojimo efektyvumo koeficientas) vėsinimo režimui.
– SPF/SCOP (sezoninis našumo koeficientas): sezoninis efektyvumas, atsižvelgiant į apkrovos, temperatūros ir faktinio veikimo svyravimus. Šis rodiklis dažnai yra aktualesnis nei laboratorinis COP.
Gashermetinėse sistemose COP paprastai yra aukštas, nes šaltinio (dirvožemio) temperatūra yra stabili. Tačiau galutinė naudotojo patirtis labai priklauso nuo kilpos konstrukcijos, įrengimo kokybės ir suderinamumo su pastato apkrovomis.
Svarbiausias efektyvumo veiksnys
1. Dirvožemio terminės sąlygos ir geologija
Dirvožemio / uolienų šilumos laidumas, drėgmė ir gruntinio vandens buvimas daro didelę įtaką šilumos perdavimui. Drėgnas dirvožemis paprastai yra geresnis nei sausas. Kai kurios uolienų formacijos gali būti labai laidžios šilumai, todėl palankesnės vertikaliems projektams.
2. Teisingas žemės kilpos dydis (dydis)
Per mažas kontūras gali sukelti didelius skysčio temperatūros svyravimus, sumažinti COP ir riziką, kad sistema nepasieks didžiausio pajėgumo. Per didelis kontūras padidina pradines išlaidas. Dydis turėtų būti nustatomas remiantis metiniais didžiausios apkrovos ir energijos skaičiavimais, o ne apytiksliais įvertinimais.
3. Įrenginio talpos derinimas su pastato apkrova
Per dideli įrenginiai paprastai veikia sutrumpintu ciklu, todėl sumažėja efektyvumas ir pagreitėja susidėvėjimas. Per maži įrenginiai dažnai veikia didelėmis apkrovomis arba jiems reikalingas papildomas šildymas, todėl padidėja eksploatavimo išlaidos.
4. Cirkuliacinio siurblio galia (parazitinė galia)
Dažnai nepastebimas skysčių siurblių ir pūstuvų elektros energijos suvartojimas gali sumažinti bendrą sistemos efektyvumą. Gera hidraulinė konstrukcija, tinkami vamzdynai ir didelio efektyvumo siurbliai yra būtini norint išlaikyti SPF.
5. Įrengimo ir glaistymo kokybė (vertikalioms konstrukcijoms)
Labai svarbu geras šiluminis kontaktas tarp vamzdžio ir žemės. Laidus skiedinys sumažina šiluminę varžą. Neteisingas montavimas, nuotėkiai ar prastos jungtys pablogins veikimą ir padidins gedimo riziką.
6. Integracija su karšto vandens (KV) sistemomis
Kai kurie gėlo vandens šildytuvai gali šildyti buitinį vandenį naudodami garo aušintuvą arba specialų režimą. Tai pagerina energijos panaudojimą, ypač kai aušinimo sistema eikvoja šilumą, kurią būtų galima „panaudoti“ karšto vandens ruošimui.
Ekonominiai ir tvarumo aspektai
Pradinė gėlo vandens šildytuvo kaina paprastai yra didesnė nei įprasto oro kondicionieriaus ar katilo dėl atliekamų žemės darbų / gręžimo. Tačiau eksploatavimo išlaidos gali būti mažesnės ir stabilesnės. Gera galimybių analizė atsižvelgia į:
– elektros energijos ir alternatyviųjų degalų kainos,
– metinės darbo valandos (apkrovos profilis),
– mokesčių lengvatos arba kreditai (jei tokių yra),
– įrangos priežiūros išlaidos ir tarnavimo laikas,
– komforto vertė ir išmetamųjų teršalų kiekio mažinimas.
Aplinkosaugos požiūriu, šilumokaičiai gali gerokai sumažinti išmetamųjų teršalų kiekį, ypač jei elektra gaunama iš mažai anglies dioksido išskiriančių šaltinių. Be to, nėra deginimo vietoje, todėl sumažėja vietinė oro tarša ir su dujomis susijusi saugos rizika.
Geriausios dizaino praktikos
Kad sistema veiktų efektyviai, rekomenduojama laikytis kelių dažniausiai pasitaikančių praktikų:
1. prieš nustatant pajėgumą atlikti pastato energetinį auditą ir pagerinti pastato apvalkalą (izoliaciją, oro nuotėkius),
2. Naudokite teisingus šildymo ir vėsinimo apkrovos skaičiavimus, o ne tik pastato plotą,
3. Pasirinkite kilpos konfigūraciją pagal žemės ir geologijos sąlygas ir atlikite šiluminio atsako bandymus (dideliems projektams).
4. teikti pirmenybę žemos temperatūros paskirstymui (tinkamas grindinis šildymas / šilumokaitis),
5. optimizuoti hidrauliką, kad būtų sumažinta siurblio galia,
6. naudoti valdiklius, kurie apsaugo nuo trumpų ciklų ir palaiko kintamą veikimą.
Uždarymas
Geoterminio šilumos siurblio sistemos projektavimą ir efektyvumą daugiausia lemia trys veiksniai: dirvožemio savybės, pastato apkrovos reikalavimai ir kontūro bei paskirstymo inžinerijos kokybė pastate. Tinkamai suprojektuoti geoterminio šilumos siurbliai pasižymi dideliu efektyvumu, stabilų komfortą ir ilgalaikio energijos sąnaudų taupymo potencialu. Atsižvelgiant į poreikį mažinti išmetamųjų teršalų kiekį ir elektrifikuoti šildymą, geoterminiai šilumos siurbliai tampa vienu patraukliausių variantų šiuolaikiniams pastatams – tiek gyvenamiesiems, tiek komerciniams, tiek instituciniams – jei tik jų projektavimas yra kruopštus ir pagrįstas duomenimis.
