Geotermálne kolektory, sondy a podzemné vody v porovnaní
V nových aj starých budovách sú geotermálne vykurovacie systémy žiadané ako náhrady za konvenčné spaľovanie ropy a plynu. V posledných rokoch sa povrchové kolektory, geotermálne sondy a systémy vrtov osvedčili ako uskutočniteľné riešenia pre ťažbu geotermálnej energie. Teplo získané zo zeme sa potom prečerpá na požadovanú teplotu vykurovacieho okruhu pomocou tepelného čerpadla soľanka alebo voda-voda. Účinné tepelné čerpadlá potom využívajú tri štvrtiny geotermálnej energie a jednu štvrtinu elektriny na výrobu jednej kilowatthodiny tepla.
Čo dnes znamená pojem „geotermálna energia“?
Pojem „geotermálna energia“ popisuje energiu uloženú vo forme tepla pod pevným zemským povrchom. Využívanie geotermálnej energie je čoraz dôležitejšie. Primárna energia sa získava využitím prakticky nevyčerpateľného a teda kvázi regeneračného zdroja energie.
Využitie geotermálnej energie má pozitívne účinky na životné prostredie (napr. Ochrana fosílnych zdrojov energie, zníženie emisií CO2), a je preto ekologicky žiaduce všade tam, kde je možné vylúčiť poškodenie podzemných vôd. V závislosti od hĺbky využívania geotermálnej energie sa rozlišujú dva typy geotermálnej energie:
- Geotermálna energia na povrchu (do hĺbky 400 metrov/na výrobu tepla a chladu)
- Hlboká geotermálna energia (z hĺbky 400 metrov/na vykurovanie alebo na výrobu energie)
„Geotermálna energia na blízkom povrchu“ sa bežne označuje pojmom geotermálna energia, zatiaľ čo geotermálna energia sa používa, keď sa hovorí o technicky zložitejších prieskumoch pod hĺbkou 400 metrov.
Stručný prehľad geotermálnych využití geotermálnej energie (grafika: energie-experten.org)
Vyžiadajte si až 5 ponúk tepelných čerpadiel od spoločností HVAC vo vašej oblasti!
Metódy získavania geotermálnej energie
Geotermálnu teplotu vrstiev blízko povrchu ovplyvňuje do značnej miery slnko, a teda aj ročné obdobia v prvých metroch. Iba z hĺbky okolo 15 metrov sa teplota ustálila na približne 10 ° C. (Grafika: energie-experten.org)
V takzvanej „povrchovej“ geotermálnej energii sa osvedčili tri spôsoby získavania tepla zo zeme pomocou tepelného čerpadla:
Menej často sa používajú špeciálne riešenia, ktoré šetria plochu, ako sú priekopové kolektory, špirálové rúry, špeciálne polypropylénové rohože a systémy priameho odparovania pomocou zemných absorbérov.
Zatiaľ čo teplota prvých metrov pôdy je vždy ovplyvňovaná príslušnou vonkajšou teplotou, v najvyšších vrstvách pôdy od hĺbky okolo 10 m je celoročne teplota okolo 10 ° C. Od tejto hĺbky sa teplota geotermálnej energie postupne zvyšuje. Z hĺbky okolo 100 m dochádza k relatívne konštantnému nárastu teploty okolo 3 ° C na 100 m (tzv. Geotermálna hĺbka alebo geotermálny gradient).
Ak nie je možné využívať geotermálnu energiu z dôvodu ochrany vôd, geologických obmedzení alebo obmedzení týkajúcich sa územia, odporúča sa ako alternatíva geotermálnej energie tepelné čerpadlo vzduch ako mono- alebo bivalentný vykurovací systém.
Odborné znalosti: Dôležitým súborom pravidiel v technickom rozvoji geotermálnej energie je Séria pokynov VDI 4640, hlavne to strana 2, ktorá sa zaoberá špeciálne uzemnenými systémami tepelných čerpadiel. Rozsah pôsobnosti VDI 4640 časť 2 sa rozširuje na Dizajn a inštalácia rôzne systémy tepelných čerpadiel: systémy, ktoré používajú Podzemná voda cez studne, Systémy využívajúce podpovrchu Geotermálne kolektory a geotermálne sondy ako aj systémy s Priama expanzia. Toto usmernenie zahŕňa aj systémy zdroja tepla, ako sú geotermálne koše, energetické hromady, betónové komponenty v styku so zemou a tunelové konštrukcie. Skladovacie sondy a kompaktné geotermálne kolektory tiež patria do rozsahu pôsobnosti VDI 4640 časť 2.
Využívanie geotermálnych kolektorov
Ploché kolektory sú vodorovne uložené PE hadice, v ktorých cirkuluje zmes voda-glykol. Extrakčná kapacita za studena vyplývajúca z geológie a tepelnej potreby nehnuteľnosti („množstvo geotermálneho tepla“) určuje veľkosť povrchového kolektora a môže sa pohybovať medzi 1,5 až 2,5-násobkom použiteľnej plochy, ktorá sa má vykurovať, v závislosti od izolácie. Dimenzovanie by sa malo vykonávať za každých okolností podľa VDI 4640 [1].
Povrchový kolektor využíva pôdu v hĺbke približne 1,20 až 1,50 m ako solárne zásobníky („geotermálne teplo“). To znamená, že táto oblasť musí byť prístupná slnku a teplonosným látkam, najmä dažďu a podzemnej vode. Využívanie nehnuteľnosti je preto z dlhodobého hľadiska obmedzené z hľadiska výsadby a rozvoja. Preto sa odporúča použitie na väčšie vlastnosti.
Pokládka povrchového kolektora na výrobu povrchovej geotermálnej energie (Foto: energie-experten.org)
Inštalácia povrchového kolektora na voľných pozemkoch a obnova vykurovacieho systému je tiež zložitá, pretože existujúce záhrady sú zničené a preprava zeminy, ktorá sa má vyťažiť, do a z budovy je časovo náročná, ak nie je dostatok miesta. Inštalácia v novej budove s dostatočnou rozlohou pozemku je preto predurčenou aplikáciou povrchového kolektora, pretože pokládku je možné nákladovo efektívne integrovať aj do postupu výstavby domu.
Jednoduchá inštalácia a lacné inštalačné náklady sú preto obmedzené oblasťou a využitím nehnuteľnosti a je možné ich porovnať s inštaláciou geotermálnych sond. Ďalšou charakteristikou povrchového kolektora je sezónna variabilita kapacity extrakcie za studena. Pretože povrchový teplotný profil pôdy je takmer nezávislý od sezóny od 15 metrov, teplota soľanky pretekajúcej povrchovým kolektorom od začiatku do konca vykurovacej sezóny neustále klesá a vyžaduje, aby sa v letných mesiacoch naplnil solárny zásobník a regenerovala pôda obklopujúca kolektor. Ak sú navrhnuté príliš malé, letné mesiace nie sú dostatočné na dosiahnutie rovnakej teplotnej úrovne ako v predchádzajúcom roku. Výsledkom je dlhodobé zníženie miery ťažby, ku ktorému dochádza postupne a často sa prejaví až po niekoľkých vykurovacích obdobiach, najmä v nových budovách, kvôli nedostatku referenčných hodnôt.
Distribučná šachta je dôležitým prvkom pri prevádzke geotermálneho vykurovania. Tu sa spája tok a návrat geotermálnych kolektorov a/alebo geotermálnych sond. (Foto: energie-experten.org)
Vyžiadajte si bezplatné porovnanie ponúk pre geotermálne vykurovacie systémy
Využitie geotermálnych sond
Ak plocha pre horizontálny geotermálny kolektor nie je k dispozícii alebo je z dôvodu jej použitia vylúčená, existuje možnosť vertikálneho alebo nakloneného usporiadania. Tento typ kolektora sa nazýva geotermálna sonda. Geotermálne sondy dosahujú hĺbky 10 až 100 m. Získavanie geotermálnej energie sondou je menej náchylné na sezónne teplotné výkyvy. Ich použitie je založené na rovnakom princípe ako povrchové kolektory. Odlišuje ich iba zvislá inštalácia v zemi.
Na získanie geotermálnej energie z hlbších vrstiev pôdy sa zvyčajne vrtajú geotermálne sondy. (Foto: energie-experten.org)
Predpokladom plánovania a inštalácie geotermálnych sond sú presné znalosti o vlastnostiach pôdy, postupnosti vrstiev, pôdnom odpore, existencii podzemnej a stratovej vody a určení jej smeru prúdenia. Pretože pri vŕtaní sa zvyčajne vyskytujú vrstvy nesúce podzemnú vodu, musí sa podľa vodného zákona získať povolenie na prevádzku systému geotermálnej sondy. Geotermálne sondy sú obzvlášť vhodné pre existujúce budovy a pre nové budovy v metropolitných oblastiach s obmedzeným otvoreným priestorom.
Na uskutočnenie hlbších geotermálnych vrtov sú vrtné tyče zoskrutkované a počas procesu vŕtania upravené. (Foto: energie-experten.org)
Využitie geotermálnej energie prostredníctvom systému vrtov
Podzemná voda s celoročnou teplotou 8 až 12 ° C ako geotermálny zdroj ponúka najlepšie podmienky na prevádzku tepelného čerpadla. V tomto prípade sa spodná voda odoberá z dodávacieho vrtu ponorným čerpadlom, vedie sa cez výparník tepelného čerpadla alebo cez medziobvodový výmenník tepla, ochladzuje sa v procese a potom sa vracia cez injektážny vrt. Aj v hĺbkach 20 m alebo viac je do značnej miery bez suspendovaných častíc, a preto je všeobecne vhodný na jeho doplnenie k výmenníku tepla tepelného čerpadla.
Využitie geotermálnej energie podzemnou vodou sa vyznačuje skutočnosťou, že toto médium je možné čerpať nepretržite pri teplote okolo 10 ° C, zatiaľ čo teplota soľanky v okruhu geotermálnych sond alebo povrchového kolektora je v zimných mesiacoch iba 0 ° C až 4 ° C. sumy. Tepelné čerpadlo potom musí iba „načerpať“ túto „vysokú“ úroveň teploty na prietok vykurovacej vody, čo znamená nižšie náklady na elektrickú energiu pre túto prácu.
Použitie vyžaduje inštaláciu minimálne dvoch studní: výtlačnej studne a absorpčnej studne na spätné napájanie vody do zvodnenej vrstvy. Pretože tento systém nie je možné prevádzkovať úplne bez prítomnosti vzduchu, jamka sa často upcháva kvôli vysokému obsahu železa a mangánu v podzemnej vode. Vzdialenosť medzi výtlačnou studňou a sacou studňou by mala byť minimálne 10 m, aby sa zabránilo tepelným skratom. Smer prúdenia, produktivita a kvalita vody sa musia vopred určiť pomocou čerpacích skúšok, aby sa zabezpečila dlhodobá ťažba geotermálnej energie.
Na výrobu geotermálnej energie je potrebné určité množstvo podzemnej vody. Potrebné množstvo vody sa v zásade určuje z nasledujúceho základného termodynamického vzorca:
E = m * cv * ΔT
Kde E je skratka pre požadovanú kapacitu odberu studenej vody, m pre prietok studenej vody v kg/s, cv pre špecifickú tepelnú kapacitu v kJ/(kg x K) a ΔT pre teplotný rozdiel medzi prietokom a vratnou vodou zo studne.
Z tohto vzorca vyplýva, že výkonnosť systému studničnej vody závisí v rozhodujúcej miere od výmenníka tepla, ktorý musí byť navrhnutý pre objem a prietok kalórií, ktoré je možné pri aplikácii dlhodobo čerpať. Ak geotermálny výmenník tepla nespĺňa termodynamické požiadavky, celková účinnosť systému klesá a v najhoršom prípade môže viesť k zaľadneniu povrchov výmenníka. Stanovenie systémovej technológie by preto malo byť v rukách skúsenej plánovacej kancelárie.
Z dôvodu lokálnych sezónnych výkyvov kvality podzemnej vody je pred plánovaním systému nevyhnutná analýza vody. Ak to neurobíte, existuje riziko upchatia vstupnej studne a korózie spôsobenej železom a mangánom. Ak je množstvo a kvalita vody nedostatočné, použitie studňovej vody sa neodporúča. Akékoľvek uskutočnené skúšobné vrty sa môžu stále používať ako geotermálna sonda.
Odborné znalosti: Zastúpenie možného využitia geotermálnej energie by sa mohlo rozšíriť tak, aby zahŕňalo systémy priameho odparovania, sondy CO2, „super“ absorpčné povrchy, koše sond, energetické ploty, infiltračné nádrže, použitie rybníka a odpadových vôd, energetické hromady, aktivácia betónového jadra atď. Implementácia týchto geotermálnych technológií si však vyžaduje starostlivé zváženie najrôznejších projektových podmienok.
Tu nájdete geotermálnych odborníkov vo vašej oblasti