Геотермальное отопление и охлаждение домов

Часто считается, что геотермальная энергия связана только с вулканической активностью в виде гейзеров и горячих источников. Геотермальная энергия может быть найдена во многих местах по всей стране и в мире, где нет вулканической активности. Энергоэффективный метод использования геотермального потенциала Земли — использование тепловых насосов. Эти системы тепловых насосов используют градиенты температуры между внутренними частями здания и почвой или грунтовыми водами, окружающими здание. Геотермальные резервуары не нужны для извлечения выгоды из энергии, содержащейся в земле, только сезонные реакции земли на изменения погоды.

Правильная конструкция геотермального теплового насоса зависит от нескольких различных переменных, в том числе: изменение температуры почвы в зависимости от сезона, теплоемкости / теплопроводности почвы, пористости и влажности почвы, среднего уровня грунтовых вод и глубины слоя коренных пород. Слои коренных пород служат для определения определенных ограничений геотермального теплового насоса.

Геотермальные тепловые насосы похожи на холодильники или кондиционеры. Холодильники и кондиционеры — это разные виды тепловых насосов. Тепловой насос не производит тепло, а использует имеющееся тепло и передает его из места с более низкой температурой в место с более высокой температурой, по сути «перемещая» тепло за счет некоторой потребляемой мощности. Среда, переносящая это тепло, известна как «рабочая жидкость». Если направление потока рабочей жидкости меняется на противоположное, направление теплового потока также будет обратным. Реверс этого процесса позволяет тепловым насосам эффективно как нагревать, так и охлаждать помещение без необходимости в отдельных системах, если вначале были учтены тщательные проектные решения.

Все тепловые насосы работают по принципу уравнения идеального газа:

\ begin {уравнение} P * V = n * R * T \ end {уравнение}

Применительно к тепловым насосам значения V, n и R остаются постоянными, и может быть показано новое соотношение

\ begin {align} P \ \ alpha \ T \ end {align}

Используя это упрощенное соотношение, мы можем понять, как работают тепловые насосы. Используя рисунок 1, начиная с точки 2, мы определяем, что рабочая жидкость имеет начальную температуру и давление, связанные с ней.Жидкость проходит через компрессор, который увеличивает давление жидкости, в то же время повышая ее температуру выше температуры окружающего воздуха из-за закона идеального газа. Жидкость, температура которой теперь выше, чем раньше, будет терять тепло в окружающую среду через конденсатор, поскольку тепло течет из областей с более высокой температурой в области с более низкой температурой. После охлаждения жидкости до температуры, близкой к температуре окружающей среды, она проходит к следующему компоненту системы — расширительному клапану. Расширительный клапан медленно выпускает жидкость из конденсатора, что значительно снижает давление в контуре.Расширение жидкости вызовет снижение температуры, как показано в законе идеального газа. Следующий компонент системы, испаритель, отбирает тепло из окружающей среды, поскольку рабочая жидкость теперь имеет более низкую температуру, чем температура окружающего воздуха, возвращая жидкость обратно в компрессор с ее исходными свойствами.

Расположение двух теплообменников, конденсатора и испарителя, определяет, в какие зоны и из каких зон будет перемещаться тепло. Направление потока рабочей жидкости может меняться, по существу, меняя роли конденсатора и испарителя, а также меняя направление теплового потока через систему.Это одна из причин, по которой тепловые насосы были очень привлекательной формой климат-контроля для жилых домов, поскольку они могут как обогревать, так и охлаждать дом, вместо того, чтобы полагаться на отдельную систему для каждой задачи. В то время как обычные кондиционеры работают, отводя тепло из дома и обменивая его с наружным воздухом, системы геотермальных тепловых насосов используют землю вместо наружного воздуха в качестве обменной среды. Основное преимущество использования почвы в качестве обменной среды заключается в том, что температура грунта остается почти постоянной, в то время как температура наружного воздуха может колебаться, влияя на производительность теплового насоса.Были разработаны и используются различные конфигурации для бытовых геотермальных тепловых насосных систем.

ТЕМПЕРАТУРА ПОЧВЫ

Есть много причин колебаний температуры почвы. Температура почвы зависит от солнечной радиации, количества осадков, сезонных изменений температуры, вышележащей растительности, типа почвы и глубины земли. По сравнению с воздухом почва имеет гораздо более высокую теплоемкость, поэтому температурные режимы почвы обычно отстают от колебаний температуры воздуха.Это естественное отставание может способствовать необходимому температурному градиенту в системе геотермального теплового насоса. Например, земля зимой теплее воздуха в это время года из-за запаздывающего эффекта температуры почвы, которая все еще содержит тепло от предыдущей осени. Это может помочь в обогреве помещения.

Как правило, температура почвы остается постоянной на глубине более 30 футов. Это также близко коррелирует с температурой грунтовых вод на глубине от 30 до 50 футов.Средняя температура земли — это температура, при которой земля на глубине ниже 30 футов находится постоянно круглый год, независимо от сезонных колебаний. Контур средней температуры земли в США показан на рис. 3. На рис. 4 показано сезонное изменение температуры в зависимости от глубины почвы. Как показано на Рисунке 4, после приблизительной глубины 30 футов температура почвы остается относительно постоянной независимо от температуры приземного воздуха.

Конфигурации теплообменников, такие как вертикальная система с замкнутым контуром и хорошо обоснованная система с открытым контуром, устанавливают скважины на глубине от 200 до 300 футов или более, устраняя сезонные колебания температуры почвы.Напротив, конфигурации теплообменников, такие как система с горизонтальной петлей, в которой устанавливаются траншеи, обычно не более 10 футов глубиной, в значительной степени зависят от сезонных колебаний температуры. Это делает сезонные колебания температуры чрезвычайно важными при проектировании таких типов теплообменных систем. Это тот тип соображений, который необходимо учитывать при выборе системы геотермального теплового насоса, который будет установлен. Дополнительные затраты, связанные с более глубокими траншеями, могут быть компенсированы снижением нагрузки на тепловые насосы из-за того, что грунтовый грунт имеет менее резкие колебания температуры круглый год.На рисунке 5 температура более глубоких почв показывает меньшие колебания сезонной температуры и еще больше отстает от сезонных изменений температуры.

Чем глубже прокладывается траншея для геотермального теплового насоса, стоимость строительства может возрасти, но общая стоимость срока службы теплового насоса может снизиться, что в конечном итоге сэкономит деньги владельца. Определение оптимальной глубины зависит от сезонного изменения температуры почвы в зависимости от глубины, а также от тепловых свойств почвы.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛО / ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПОЧВЫ

Теплоемкость или удельная теплоемкость почвы — это способность почвы накапливать тепловую энергию. В следующей таблице показана теплоемкость почвы и ее изменения в зависимости от содержания влаги. Чем больше влажность почвы, тем больше удельная теплоемкость. Чем суше почва, тем ниже ее теплоемкость и тем сильнее колебания температуры в зависимости от времени года.

Теплопроводность — чрезвычайно важный критерий при проектировании геотермальных тепловых насосов. Теплопроводность подстилающего грунта и породы определяет длину необходимой трубы, поскольку теплопроводность — это скорость передачи тепла между двумя средами. Определение длины трубы имеет решающее значение при определении стоимости установки и энергии, необходимой для перекачивания жидкости геотермального теплового насоса.Теплопроводность различных типов грунтов показана в следующей таблице.

Количество воды в почве значительно увеличивает теплопроводность. Чем больше пористость почвы, тем больше воды может удерживать почва. Это увеличивает теплопроводность почвы. Вот почему уровень грунтовых вод очень важен при проектировании геотермального теплового насоса. В таблице 3 показано влияние теплопроводности почвы для вертикального геотермального теплового насоса с замкнутым контуром. В засушливых условиях более мелкие почвы уменьшают размер естественных промежутков между частицами почвы, увеличивая теплопроводность. Теплопроводность почвы примерно в 100 раз больше, чем у воздуха.Теплопроводность воды обычно в два-три раза больше, чем у частиц почвы. Это еще одна причина для правильного анализа географии расположения геотермального теплового насоса, чтобы максимально эффективно спроектировать систему с учетом географии.

Теплопроводность почвы (БТЕ / (ч-фут-oF))	Количество U-образных трубок	Глубина U-образных труб (вертикальные футы)	Всего U-образных труб по вертикали, фут)
0,55	16	199	3,180
0. 70	15	188	2 820
0,85	14	187	2 620
1,00	12	202	2,420
1,20	12	188	2,260
1,35	12	180	2,160
1,50	10	212	2120
Таблица 3: «Влияние теплопроводности на количество скважин и общую длину заземленного теплообменника на 10 тонн нагрузки для вертикальной замкнутой системы GHP.”

Теплопроводность оказывает такое значительное влияние на конструкцию геотермального теплового насоса, что некоторые проектировщики могут рассмотреть возможность замачивания земли в горизонтальных геотермальных контурах для увеличения теплопроводности, особенно в более засушливых регионах. Чтобы получить точные данные о свойствах грунта, лучше всего провести испытания на месте, чтобы получить точную картину с областью, где вы работаете. Чем лучше будет понимание земли, тем лучше будет работать с более эффективным и экономичным геотермальным тепловым насосом.

Уровень грунтовых вод играет важную роль в определении теплопроводности почвы. Как правило, по мере смены сезонов уровень грунтовых вод меняется, что необходимо учитывать. В дополнение к этому, глубина коренных пород имеет решающее значение при выборе геотермального контура заземления. В тех случаях, когда используются колодцы с стоячими колоннами, коренная порода должна располагаться близко к поверхности. Напротив, вертикальная система с замкнутым контуром требует глубины коренной породы от 200 до 400 футов.Эти приближения сделаны с учетом теплопроводности грунта.

Имеются три основных категории геотермальных тепловых насосов; разомкнутый, замкнутый и прямой обмен. Системы с замкнутым контуром и прямым обменом могут иметь параллельную или последовательную конфигурацию.

КОНТУРНЫЕ СИСТЕМЫ

В системе без обратной связи теплопередача осуществляется с поверхностными или грунтовыми водами. Вода забирается в тепловые насосы и затем сбрасывается в окружающую среду.Существует несколько типов конфигураций с разомкнутым контуром, которые можно использовать в зависимости от окружающих условий и потребностей здания.

ОДНО СКВАЖИННЫЕ СИСТЕМЫ

Одноканальные системы полагаются на одинокий колодец, который служит источником воды для разомкнутой системы. Вода закачивается в систему и сбрасывается после того, как используется в дренажное поле или существующий водоем. Пример одиночной скважины с разомкнутым контуром показан на Рисунке 6. Эти системы обеспечивают экономичное решение для теплового насоса грунтовых вод, если есть уже существующая скважина.В жилых помещениях колодец для бытового водоснабжения может оказаться слишком маленьким, чтобы удовлетворить потребности в воде теплового насоса грунтовых вод. Жилые колодцы обычно производят от 300 до 400 галлонов воды в день, тогда как тепловому насосу грунтовых вод для того же дома могут потребоваться тысячи галлонов воды в день. В дополнение к этому, количество воды, сбрасываемой из системы, может быть ограничено экологическими или местными нормативами. Немного модифицированная система с одной скважиной, которая может решить некоторые из этих проблем, представляет собой скважину с стоячей колонной.

СКВАЖИНА НА КОЛОННАХ

Колодец со стоячей колонной использует те же концепции, что и система с одной колодкой, за исключением колодца с стоячей колонной, большая часть сбрасываемой воды направляется в исходный колодец. Это сводит к минимуму количество сброса воды из системы в окружающую среду. Система скважин со стоячими колоннами возможна, когда есть доступ к трещиноватым водоносным горизонтам коренных пород у поверхности земли. Скважина со стоячими колоннами обычно состоит из необсаженных скважин диаметром 6 дюймов и глубиной от 1000 до 1500 футов.Окружающий водоносный горизонт контактирует со скважиной, что позволяет образовывать стоячий столб воды от дна скважины до вершины уровня грунтовых вод. Пример колодца со стоячей колонной показан на Рисунке 7.

Вода для системы забирается со дна колодца и сбрасывается в верхнюю часть колодца. Это исключает возможность чистого забора из самих грунтовых вод. В периоды повышенного спроса на обогрев или охлаждение система этого типа может «истекать», что означает, что она возвращает только часть воды обратно в колодец, а другая часть сбрасывается в окружающую среду.Когда это «кровотечение» происходит, чистый приток грунтовых вод происходит внутри колонны. «Это охлаждает стоячую колонну в периоды пикового отвода тепла (когда потребность здания в охлаждении является наибольшей) и / или нагревает ее во время пикового отвода тепла (когда потребность в тепле наибольшая), тем самым уменьшая требуемую глубину отверстия», [Вирджиния Технический сайт]. По сравнению с геотермальными тепловыми насосными системами с замкнутым контуром, колодец со стоячими колоннами может значительно спасти владельца, если он хорошо спроектирован и правильно расположен. Площадь земли, необходимая для установки колодца со стоячими колоннами, является наименьшей из всех геотермальных тепловых насосов, что делает этот тип системы идеальным для областей с ограниченным пространством и надлежащими геологическими условиями.

ДВОЙНЫЕ СКВАЖИНЫ

Двухскважинные системы состоят как из подающего, так и из разгрузочного колодцев. Подобно колодцам со стоячими колоннами, система с двумя колодцами может использоваться в случаях, когда существуют правила или ограничения по сбросу воды. Важным аспектом конструкции этого типа разомкнутой системы является расстояние между подающей и сбросной колодцами.Основным фактором при определении расстояния между скважинами является расход от нагнетательной скважины к добывающей. Между скважинами может быть поток, но он должен быть достаточно низким, чтобы сбрасываемая вода, поступающая в добывающую скважину, имела примерно такую ​​же температуру, как и естественный водоносный горизонт. Типичное расстояние между скважинами в системе с двумя скважинами составляет от 200 до 600 футов. Это в значительной степени зависит от максимальной тепловой / охлаждающей нагрузки системы, временного интервала этих условий максимальной нагрузки, а также естественного расхода и толщины водоносного горизонта.Пример двухскважинной системы показан на Рисунке 8.

СИСТЕМЫ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОДЫ

Система поверхностных вод использует более крупный водоем, такой как озеро или океан, как для подачи воды, так и для точек сброса. Если водоем достаточно глубокий, чтобы иметь термоклин в источнике, содержащем термическую стратификацию, источник холодной воды, который остается нетронутым, доступен круглый год. Иногда этой более холодной воды, поступающей из водопровода, может быть достаточно для обеспечения прямого охлаждения помещения с помощью теплообменников вода / воздух.Это устраняет необходимость в тепловых насосах или хладагенте для охлаждения внутренних помещений здания. При использовании этого метода прямого охлаждения помещения температура воды в контуре здания должна оставаться ниже 55 ° F для обеспечения эффективного осушения. «Данные по озерам в Алабаме показывают, что значительная термическая стратификация происходит в озерах глубиной более 30 футов, с температурой придонной воды от 45 до 55 ° F в течение года, даже когда температура поверхностной воды летом достигает 80-90 ° F».

ТЕПЛООБМЕННИК ИЗОЛЯЦИОННЫЙ

«В системах с непрямым открытым контуром используется изолирующий теплообменник между контуром здания и водопроводом.Это исключает воздействие на компоненты водяного контура здания или теплового насоса некачественной воды, что делает больше площадок потенциально привлекательными для систем с открытым контуром. Изолирующий теплообменник также позволяет эксплуатировать контур здания и контуры подачи воды при различных расходах и давлениях для достижения оптимальных тепловых и гидравлических характеристик ».

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ОТКРЫТОГО КОНТУРА

КАЧЕСТВО ВОДЫ

• Теплообменник подвергается воздействию растворенных ионов, взвешенных твердых частиц и микроорганизмов из колодца.
• Теплообменник склонен к образованию накипи, образованию коррозионных пленок и отложений.
• Повышается термическое и гидравлическое сопротивление теплопередаче, что снижает общий КПД.
• Очистка воды неэкономична.

НАЛИЧИЕ ВОДЫ

• Требуемый расход грунтовых вод обычно составляет 2-3 галлона в минуту на тонну системы.

РАЗРЕШЕНИЕ НА СЛИВНУЮ ВОДУ

• Подземные воды необходимо повторно закачать в грунт или дренажную систему.
• Должен соответствовать местным правилам сброса воды.
• Вода сбрасывается на более высоком уровне, чем точка забора, что представляет собой статический напор. Это требует большей мощности для преодоления циркуляционным насосом.

ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ

Системы с замкнутым контуром являются наиболее распространенными геотермальными тепловыми насосами. Они циркулируют рабочую жидкость по трубам и не используют источник воды. Они работают, передавая тепло только через трубопроводную сеть, что означает отсутствие прямого взаимодействия между рабочей жидкостью и землей. Длина требуемого трубопровода зависит от теплопроводности грунта, температуры грунта и необходимой мощности нагрева и охлаждения, как указано выше в разделе «Основы геотермии».

Наиболее распространенными замкнутыми системами являются: вертикальные, горизонтальные, узкие и водные.

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ЗАМКНУТ

Горизонтальные замкнутые системы состоят из труб, которые проходят через землю горизонтально. Выкапывается длинная горизонтальная траншея глубже линии промерзания и горизонтально размещаются U-образные змеевики для соединения труб.Канавка для поля горизонтальной петли будет похожа на ту, что видна под полем узкой петли. Ширина поля зависит от количества труб. Поля с горизонтальной петлей очень распространены и экономичны при наличии подходящей земли.

ОБЛЕГАЮЩИЕ ЗАМКНУТЫЕ ПЕТЛИ

Обтягивающее поле с замкнутым контуром устанавливается в горизонтальной ориентации с перекрывающейся сетью трубопроводов. Поля с узкой петлей используются, когда недостаточно места для горизонтальной замкнутой системы. Обтягивающие системы с обратной связью просты в установке.

ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ЗАМКНУТ

Вертикальные поля с замкнутым контуром ориентированы так, что трубопроводная сеть проходит вертикально в землю. В земле проделываются ямы глубиной 150-250 футов. На дне отверстий соединительных трубок расположены U-образные соединители. Скважина обычно заполняется бентонитовым раствором, окружающим трубу, чтобы обеспечить хорошее тепловое соединение с окружающей почвой или скальной породой и максимизировать передачу тепла. Вертикальные поля с замкнутым контуром идеальны для ограниченных участков.Во время сезона похолодания на локальное повышение температуры в поле скважины больше всего влияет перемещение влаги в почве.

ДРУГИЕ ВИДЫ ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ

• Погружные замкнутые контуры
• Гибридный контур с прудом-охладителем
• Гибридный контур с градирней
• Гибридный контур с солнечным коллектором

ПЕТЛИ ПРЯМОГО ОБМЕНА (DX)

хладагент циркулирует по медным трубам, просверленным непосредственно в земле, что устраняет необходимость в теплообменнике между контуром хладагента, водяным контуром и водяным насосом.

Петлевые системы DX имеют множество преимуществ, в том числе:

• Простая установка
• Более высокий КПД
• Трубопроводы меньшего и меньшего диаметра
• Снижение затрат на установку
• Может также использоваться для нагрева воды в доме
• Очень долгий срок службы

Горизонтальное расположение DX:

• Для систем DX с горизонтальным контуром требуется около 350 футов медных труб на тонну системы, в отличие от 450-500 футов на тонну для контуров заземления из полиэтилена.
• Из-за меньшей длины горизонтальным контурам заземления DX требуется всего около 500 квадратных футов площади земли на тонну системы, что значительно меньше, чем 1500–3000 квадратных футов, необходимых для обычных горизонтальных замкнутых контуров.

Вертикальное расположение DX:

• Вертикальные системы DX требуют отверстий диаметром всего 3 дюйма на глубину 120 футов на тонну, в отличие от отверстий диаметром от 4 до 6 дюймов на глубину от 200 до 300 футов на тонну для полиэтиленовых U-образных труб в обычных условиях. вертикальные замкнутые петли.
• Вертикальные петли DX требуют, по крайней мере, той же площади земли, что и их обычные аналоги, или даже несколько больше.
• Вертикальные скважины DX должны располагаться на расстоянии не менее 20 футов друг от друга, чтобы свести к минимуму возможность промерзания и коробления грунта в режиме обогрева или чрезмерного нагревания и высыхания почвы в режиме охлаждения.

Геотермальный контур типа	Преимущества	Недостатки
Разомкнутый цикл	Более простой дизайн; меньшие затраты на бурение, чем для вертикальных замкнутых систем; более эффективная работа за счет предотвращения термической деградации, связанной с передачей тепла через стенку трубы от земли или воды к раствору антифриза в замкнутом контуре; более низкая стоимость установки, если колодец для бытового водоснабжения или орошения грунта уже существует, с достаточной избыточной производственной мощностью для снабжения системы теплового насоса.	При условии получения разрешения на забор и сброс подземных и поверхностных вод на местном, государственном и федеральном уровнях; потребность в большом потоке воды может превышать доступность местной воды; сторона подачи теплообменников подвержена воздействию коррозионных и абразивных агентов, химических отложений и микробного загрязнения; главные циркуляционные насосы обычно требуют большей мощности в открытых контурах, чем в замкнутых; правила сброса воды могут исключать системы с одной скважиной или ограничивать конструкцию систем с стоячими колоннами; более высокая стоимость установки, если требуется отдельная нагнетательная скважина для отвода воды из контура.
Горизонтальный замкнутый контур	Затраты на рытье траншей для горизонтальных контуров обычно намного ниже, чем затраты на бурение скважин для вертикальных замкнутых контуров, и есть больше подрядчиков с соответствующим оборудованием; гибкие варианты установки в зависимости от типа землеройного оборудования (бульдозер, обратная лопата или траншеекопатель) и количества петель труб на траншею.	Наибольшая потребность в земельной площади; производительность больше зависит от сезона, осадков и глубины залегания; потенциал засухи (низкий уровень грунтовых вод) необходимо учитывать при оценке необходимой длины трубы, особенно в песчаных почвах и на возвышенностях; при засыпке траншеи может быть поврежден трубопровод контура заземления; большая длина трубы на тонну, чем для вертикальных замкнутых контуров; раствор антифриза, скорее всего, понадобится для работы с зимними температурами почвы.
Обтяжка с замкнутым контуром	Обтягивающие петли требуют меньше площади и меньше траншей, чем другие системы с горизонтальными петлями, и затраты на установку могут быть значительно меньше.	Требуется больше энергии накачки, чем для прямых горизонтальных петель; обратная засыпка траншеи с одновременным обеспечением отсутствия пустот вокруг бухт труб затруднена с некоторыми типами грунта, и тем более с вертикальными бухтами в узких траншеях, чем с бухтами, уложенными плоско в широких траншеях.
Вертикальный замкнутый контур	Требуется меньшая общая длина трубы, чем для большинства других систем с обратной связью; требует наименьшего количества земельного участка; сезонные колебания температуры почвы не вызывают беспокойства.	Стоимость бурения обычно выше, чем стоимость горизонтальной прокладки траншей, а конструкции с вертикальной петлей обычно являются наиболее дорогостоящими системами GHP; возможность долгосрочных изменений температуры почвы, если скважины не расположены достаточно далеко друг от друга.
Погружной замкнутый контур	Может потребовать наименьшей общей длины трубы и может быть наименее дорогостоящим из всех замкнутых систем, если имеется подходящий водоем.	Затопленные системы с обратной связью, вероятно, потребуют большего количества разрешений регулирующих органов, чем подземные системы с обратной связью; без надлежащей маркировки может быть поврежден при постановке лодки на якорь.
Контур прямого обмена	Более высокий тепловой КПД; не требуются теплообменники жидкость / жидкость; меньшая площадь земли необходима для горизонтальной конфигурации.	Грунт в контакте с контуром заземления, подверженный промерзанию; медные трубы нельзя закапывать рядом с большими деревьями, где растущая корневая система может повредить змеевик; утечки в контуре заземления могут привести к катастрофической потере хладагента; меньшая вспомогательная инфраструктура в отрасли GHP, требующая большей осторожности и навыков для установки и, как следствие, более высокие затраты на установку.
Замкнутый контур серии	Диаметр трубы с одним диаметром позволяет упростить сварку труб, что позволяет ускорить установку; единый путь потока обеспечивает более легкую продувку для удаления воздуха из контура при заполнении водой или раствором антифриза.	Для более длинного пути потока требуется труба большего диаметра, чтобы минимизировать падение давления и поддерживать мощность насоса на разумном уровне; больший диаметр также влечет за собой большие объемы антифриза; пропускная способность системы ограничена общим перепадом давления от конца до конца, поэтому не подходит для больших зданий.
Замкнутый параллельный контур	Более короткие пути потока позволяют использовать трубы меньшего диаметра, что снижает стоимость трубопровода и требует меньше антифриза; уменьшение перепада давления на более коротких путях потока приводит к снижению требований к мощности насоса.	Линии коллектора должны быть большего диаметра, чем отдельные петли, и поэтому требовать более сложных операций по соединению труб, чем при последовательной установке; Особая осторожность необходима для обеспечения полного удаления воздуха из всех каналов при продувке системы при запуске.

* Преимущества:

• Самым большим преимуществом геотермальных тепловых насосов является то, что они потребляют на 25–50% меньше электроэнергии, чем обычные системы отопления или охлаждения.

• Согласно EPA, геотермальные тепловые насосы могут снизить потребление энергии и соответствующие выбросы до 44% по сравнению с воздушными тепловыми насосами и до 72% по сравнению с электрическим резистивным нагревом со стандартным оборудованием для кондиционирования воздуха.

• Геотермальные тепловые насосы также улучшают контроль влажности, поддерживая относительную влажность в помещении около 50%, что делает геотермальные тепловые насосы очень эффективными во влажных областях.

• Различные петлевые системы с геотермальным тепловым насосом обеспечивают гибкость конструкции и могут быть установлены как в новых, так и в модернизируемых ситуациях. Поскольку для оборудования требуется меньше места, чем требуется для обычных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, помещения для оборудования можно значительно уменьшить, освобождая место для продуктивного использования.

• Геотермальные системы с тепловым насосом также обеспечивают отличное зональное кондиционирование пространства, позволяя нагревать или охлаждать различные части вашего дома до разных температур.

• Поскольку системы геотермальных тепловых насосов имеют относительно немного движущихся частей и поскольку эти части защищены внутри здания, они долговечны и очень надежны. Гарантия на подземные трубопроводы часто составляет 25–50 лет, а на тепловые насосы — 20 лет и более.

• Поскольку геотермальные тепловые насосы обычно не имеют наружных компрессоров, они не подвержены вандализму, с другой стороны, компоненты в жилом помещении легко доступны, что увеличивает коэффициент удобства и помогает обеспечить своевременное обслуживание основание.

• Поскольку у них нет внешних конденсаторных агрегатов, таких как кондиционеры, шум вне дома не вызывает беспокойства. Двухскоростная геотермальная система с тепловым насосом работает настолько тихо внутри дома, что пользователи даже не подозревают, что она работает: нет явных порывов холодного или горячего воздуха.

• Счета за коммунальные услуги будут снижены в среднем от 25% до 70% по сравнению с традиционными системами.

• Геотермальная система не сжигает ископаемое топливо на месте для производства тепла, она генерирует гораздо меньше выбросов парниковых газов, чем обычная печь.

• Банка также полностью устраняет потенциальный источник ядовитого окиси углерода в доме или здании.

• С учетом доли выбросов электростанции, производящей электроэнергию для работы геотермальных систем, общие выбросы намного ниже, чем у традиционных систем.

• Согласно данным, предоставленным Управлением геотермальных технологий Министерства энергетики США (DOE), почти 40% всех выбросов углекислого газа (CO2) в США являются результатом использования энергии для отопления, охлаждения и обеспечения горячей водой зданий. .Это примерно такое же количество CO2, которое вносит транспортный сектор.

• Типичная 3-тонная бытовая система GeoExchange производит в среднем примерно на один фунт меньше углекислого газа (CO2) в час использования, чем обычная система. Для сравнения: в среднем за 20 лет жизни 100 000 единиц жилых систем GeoExchange номинального размера сократят выбросы парниковых газов почти на 1,1 миллиона метрических тонн углеродного эквивалента. Это было бы эквивалентно переоборудованию 58 700 автомобилей в автомобили с нулевым уровнем выбросов или посадке более 120 000 акров деревьев.

• Отработанное тепло, удаляемое из внутренних помещений дома во время сезона охлаждения, можно использовать для обеспечения практически бесплатной горячей воды, что приводит к общей экономии расходов на горячую воду примерно на 30% в год и еще большему снижению выбросов.

* Недостатки

• Первоначальная стоимость покупки и установки может составлять более 20 000 долларов до применения государственных налоговых льгот. Хотя более низкие ежемесячные затраты на коммунальные услуги компенсируют это, существуют «периоды окупаемости», связанные с ценой и экономией системы, которые могут занять годы.

• Некоторые геотермальные системы тепловых насосов, в которых используются хладагенты, могут быть связаны с ХФУ и ГХФУ, вызывающими экологические проблемы.

• Поскольку земля используется в качестве теплоносителя, который, как правило, закапывают, ремонт сети трубопроводов будет дорогостоящим и требует много времени.

При принятии решения об установке геотермального теплового насоса для отопления и охлаждения жилых помещений необходимо учитывать несколько факторов, прежде чем выбирать тип.Географическое положение и соответствующие колебания температуры земли будут влиять на теплопроводность передающей среды. Содержание влаги и тип почвы также влияют на теплопроводность и, следовательно, на общую производительность системы. Зная влажность почвы, а также топографию земли, можно выбрать наиболее эффективный контур обмена. Температура окружающего воздуха и физический размер места установки помогут определить размер системы с точки зрения количества тепла, которое необходимо отвести как летом, так и зимой.Перед установкой системы необходимо ознакомиться с местными законами, регулирующими использование хладагентов / систем с замкнутым / разомкнутым контуром.

1. Как долго прослужит контурная труба? Замкнутые системы следует устанавливать только с использованием труб из полиэтилена высокой плотности или полибутилена. При правильной установке эти трубы прослужат многие десятилетия. Они инертны по отношению к химическим веществам, обычно присутствующим в почве, и обладают хорошими теплопроводными свойствами. Трубу из ПВХ нельзя использовать ни при каких обстоятельствах.
2. Как соединяются отрезки труб петли? Единственным приемлемым методом соединения участков специальной трубы, используемой для замкнутых систем, является электросварка. Соединения труб нагреваются и сплавлены друг с другом, образуя более прочное соединение, чем исходная труба. Механическое соединение труб для заземляющего контура является общепринятой практикой в ​​некоторых ограниченных областях применения. Использование зазубренных фитингов, зажимов и клеевых соединений обязательно приведет к выходу из строя петли из-за утечек.
3. Какая система лучше — с обратной или обратной связью? Чистые результаты по эксплуатационным затратам и эффективности практически одинаковы.Какую систему выбрать, зависит главным образом от того, есть ли у вас достаточное количество грунтовых вод и средства их удаления. Если вы это сделаете, можно очень эффективно использовать разомкнутый контур. Если нет, то лучшим выбором будет горизонтальная или вертикальная замкнутая система. Через несколько лет система с замкнутым контуром потребует меньше обслуживания, поскольку она герметична и находится под давлением, что исключает возможное накопление минералов или отложений железа.
4. Фактический рейтинг эффективности или средний показатель производителя? Все типы систем отопления и охлаждения имеют номинальный КПД.Котлы, работающие на ископаемом топливе, имеют процентную эффективность. Котлы, работающие на природном газе, пропане и мазуте, имеют рейтинг эффективности, основанный на лабораторных условиях. Чтобы получить точный установленный коэффициент полезного действия, необходимо учитывать такие факторы, как тепловые потери дымовых газов, потери при циклических нагрузках, вызванные завышением размеров, использование электроэнергии вентилятором и т. Геотермальные тепловые насосы, как и все другие типы тепловых насосов, имеют КПД, оцениваемую в соответствии с их коэффициентом производительности или COP. Это научный способ определить, сколько энергии производит система по сравнению с тем, сколько она потребляет.Большинство геотермальных тепловых насосных систем имеют КПД от 3,5 до 4,5. Установки WaterFurnace имеют типичный КПД от 4 до 8. Это означает, что на каждую единицу энергии, используемой для питания системы; четыре или более блока поставляются в виде тепла. Если котел, работающий на ископаемом топливе, может иметь КПД 50-90 процентов, геотермальный тепловой насос WaterFurnace имеет КПД около 600 процентов. Мы используем компьютерные программы, чтобы точно определить эффективность работы системы для вашего дома или здания.
5. Все ли геотермальные тепловые насосы одинаковы? №Существуют различные типы геотермальных тепловых насосов, предназначенные для конкретных применений. Например, многие геотермальные тепловые насосы предназначены для использования только с грунтовыми водами с более высокой температурой, встречающимися в системах с открытым контуром. Другие будут работать при температуре воды на входе до -4 ° C, что возможно в системах с обратной связью. Большинство тепловых насосов goethermal обеспечивают летнее кондиционирование воздуха, но некоторые марки предназначены только для отопления зимой. Иногда эти системы только для обогрева включают змеевик, охлаждаемый грунтовой водой, который может обеспечить охлаждение в умеренном климате.Геотермальные тепловые насосы также могут различаться по конструкции. Автономные агрегаты объединяют вентилятор, компрессор, теплообменник и змеевик в одном шкафу. Сплит-системы позволяют добавить змеевик к котлу с принудительной подачей воздуха и использовать имеющийся вентилятор.
6. Насколько эффективна система геотермального теплового насоса? Современные системы очень энергоэффективны. На каждый киловатт электроэнергии, использованный для работы теплового насоса, в здание поступает от трех до четырех киловатт тепла.
7. Насколько велики эти устройства? Типичный тепловой насос для домашнего дома по размеру примерно такой же, как и большой холодильник.
8. Можно ли подавать горячую воду в дом? Да. В некоторых бытовых системах можно нагревать горячую воду с помощью современного высокоэффективного водонагревателя косвенного нагрева. Затем погружной нагреватель может повысить температуру, что можно сделать ночью, используя непиковые значения.
9. Могут ли системы обеспечивать охлаждение? Да. Существуют тепловые насосы с обратным циклом, которые могут обеспечивать как обогрев, так и охлаждение.
10. У меня дом в старом стиле. Могу ли я установить систему GSHP? Да, вы можете, но ваше здание должно быть хорошо изолировано, чтобы вы могли получить максимальную выгоду. Стоимость системы напрямую зависит от ее размера, и поскольку потери тепла в старых зданиях довольно высоки, это может существенно увеличить капитальные затраты на установку. Деньги, потраченные на повышение уровня изоляции, могут значительно сэкономить на капитальных затратах. К сожалению, многие старые здания никогда не смогут стать достаточно энергоэффективными, чтобы использовать современные системы распределения тепла, такие как низкотемпературные полы с подогревом или низкотемпературные радиаторы.
11. Могу ли я установить траншеи на участке с уклоном вниз? Да, если вы физически можете рыть траншеи, небольшой уклон вниз не проблема. Следует рассмотреть возможность удаления воздуха из системы с контурами заземления выше теплового насоса.
12. У меня очень влажная земля. Могу я использовать это? Да, влажная земля лучше проводит тепло, поэтому, если вы физически можете вырыть траншею, это идеальный вариант.
13. Действительно ли системы GSHP безвредны для окружающей среды? Да.В Великобритании сейчас наблюдается сильное движение к альтернативным технологиям, которые являются более устойчивыми и экологически более приемлемыми. Было подсчитано, что 40% выбросов CO 2 связано с отоплением зданий. Используя возобновляемые источники энергии для обогрева вашей собственности, вы можете помочь сократить эти выбросы, особенно по сравнению с сжиганием ископаемого топлива, такого как нефть. Большинство поставщиков электроэнергии сейчас предлагают «чистую зеленую» электроэнергию из возобновляемых источников энергии, и, если вы используете их для питания своего теплового насоса, ваша собственность будет полностью отапливаться за счет возобновляемых источников энергии с нулевыми выбросами углерода.
14. Опасны ли грунтовые тепловые насосы? А как насчет обслуживания и ремонта? Здесь нет выбросов вредных газов, горючего масла, сжиженного нефтяного газа или газовых труб, дымохода или дымохода, а также неприглядных топливных баков. Системы GSHP абсолютно НЕ производят выбросов на месте. Нет необходимости в регулярном обслуживании или ежегодных проверках безопасности, а обслуживание очень низкое.
15. Как сравнить эксплуатационные расходы с традиционными альтернативами? Это зависит от того, что вы сравниваете. В современном, хорошо изолированном доме система с тепловым насосом от источника тепла может предложить очень высокую эффективность и умеренные эксплуатационные расходы.Бойлер, работающий на жидком топливе, будет стоить значительно дороже, а электрическое отопление будет как минимум в три раза дороже. Это правда, что самые лучшие из современных конденсационных газовых котлов могут быть только немного дороже в эксплуатации, но это при нынешних ценах на газ, которые будут расти. Кроме того, все котлы, работающие на ископаемом топливе, нуждаются в регулярном обслуживании и ремонте.
16. Дорогие ли эти системы? Первоначальные затраты на покупку системы теплового насоса с грунтовым источником будут намного выше, чем у обычного жидкого или газового котла.Первоначальные единовременные расходы компенсируются более низкими эксплуатационными расходами, меньшими затратами на техническое обслуживание и низкими требованиями к обслуживанию. Существует также уверенность в том, что большая часть вашей тепловой и охлаждающей энергии исходит из вашей земли, находится под вашим контролем и не будет расти в цене.
17. Как соединяются отрезки труб петли? Единственно приемлемый метод соединения секций труб — термическая сварка. Соединения труб нагреваются и сплавлены друг с другом, образуя более прочное соединение, чем исходная труба.Механическое соединение трубы для заземления никогда не является общепринятой практикой. Использование зазубренных фитингов, зажимов и клеевых соединений обязательно приведет к выходу из строя петли из-за утечек.
18. Повлияет ли петля земли на мой газон или ландшафт? Нет. Исследования доказали, что петли не оказывают вредного воздействия на траву, деревья или кустарники. В большинстве горизонтальных петель используются траншеи шириной около шести дюймов. Это, конечно же, оставит временные голые участки, которые можно восстановить семенами травы или дерном.Вертикальные петли занимают мало места и приводят к минимальному повреждению газона.
19. Могу ли я утилизировать тепло из области утилизации септической системы? Нет. Заземляющий контур будет достигать температуры ниже нуля в экстремальных условиях и может заморозить вашу септическую систему. Такое использование запрещено во многих областях.
20. Могу ли я сам установить контур заземления? Не рекомендуется. Помимо термического плавления трубы, для успешной работы контура очень важен хороший контакт заземления с катушкой.Непрофессиональная установка может привести к снижению производительности системы.

Примечание: Все часто задаваемые вопросы и ответы взяты непосредственно из FAQs по наземным тепловым насосам

1. Geothermal International. http://www.geothermalint.co.uk/index.html
2. Геотермальные тепловые насосы (Технологический институт Вирджинии). http://www.geo4va.vt.edu/A3/A3.htm
3. Консорциум геотермальных тепловых насосов. http://geoexchange.org/
4. Геотермальный тепловой насос. http: //en.wikipedia.org / wiki / Geothermal_heat_pump # Closed_loop_fields

Страница Создана:
Стефани Волошин
Дональд Кортезе

Отопление дома без газа

Традиционные варианты отходящего газа

Для 15% людей в Великобритании, не подключенных к газовой сети, отопление дома может быть дорогостоящим, а возможности ограничены. Обычно это старые объекты с низкой эффективностью, и во многих из них используются дорогостоящие виды отопления, такие как сжиженный нефтяной газ или мазут, из-за чего расходы на отопление дома в два раза выше, чем у тех, у кого есть газопровод. С растущим диапазоном вариантов, доступных в настоящее время для автономных домов, вам действительно стоит взглянуть на свои варианты, если вы в настоящее время тратите слишком много на свои счета за топливо. В следующем блоге я хочу показать вам доступные вам варианты.

Новые котлы, работающие на сжиженном нефтяном газе или мазуте

Переход со старого, неэффективного котла на сжиженном нефтяном газе или жидком топливе на современный конденсационный даст вам такую ​​же экономию, как и при использовании стандартного сетевого котла, поэтому, безусловно, стоит подумать, если ваш котел стареет.Более высокая стоимость сжиженного нефтяного газа и нефти по сравнению с газом означает, что даже с новым бойлером, вероятно, будут более дешевые варианты для вашего дома; мы рекомендуем вам изучить другие варианты нагрева, прежде чем выбирать прямой переключатель.

Дровяные печи и угольные печи

Возможно, для некоторых удивительно, сколько людей до сих пор отапливают свои дома дровами или бездымным углем. Фактически, использование дровяной печи может быть дешевым и эффективным средством обогрева дома, но это непрактично.Дом, как правило, нагревается неравномерно, и в случае более крупных помещений в некоторых комнатах может потребоваться дополнительное электрическое или газовое отопление, а для горячей воды потребуется другая система отопления — например, погружной бак. Мы настоятельно рекомендуем обратить внимание на котлы на биомассе, которые могут использовать одно и то же топливо для равномерного обогрева вашего дома через систему центрального отопления и нагрева воды.

Электрические опции

Существует несколько способов обогрева дома электричеством, но имейте в виду, что в настоящее время цена на электричество примерно в 3-4 раза выше цены на отопление дома газом.В нижеследующих разделах мы кратко обсуждаем различные решения, хотя для получения дополнительной информации о любом из них, пожалуйста, щелкните заголовки, и вы попадете на отдельные страницы технологий.

Инфракрасные нагревательные панели

Если вы не можете использовать газ и по какой-либо причине не можете установить тепловой насос или котел, работающий на биомассе, то инфракрасные нагревательные панели — самый дешевый способ обогрева вашего дома. В отличие от обычного обогрева, в котором для обогрева воздуха в доме используется конвекционный обогрев, инфракрасное излучение беспрепятственно распространяется от инфракрасной обогревательной панели до тех пор, пока не попадает в твердый объект, где оно поглощается, нагревая этот твердый предмет.Инфракрасное излучение — это причина, по которой вам становится тепло, когда светит солнце, даже посреди зимы. По этой причине инфракрасное отопление является гораздо более эффективным способом обогрева помещения, чем использование обычного конвекционного обогрева (если у вас нет доступа к магистральному газу).

Мы обсудили инфракрасный обогрев более подробно здесь, и мы также предлагаем здесь различные инфракрасные обогревательные панели.

Электрокотлы

Электрокотлы работают за счет нагрева воды в баке с элементом.Они могут иметь такой же КПД, что и газовые котлы, но поскольку стоимость электроэнергии примерно в три раза превышает цену газа, они, как правило, намного дороже, чем эквивалентные газовые котлы. Однако, если вы можете установить их вместе с солнечными панелями (где вы будете бесплатно производить электричество от солнца), это решение, которое стоит рассмотреть.

Нагреватели для хранения

Вы можете посмотреть нашу более подробную страницу о накопительных нагревателях здесь. Современные накопительные обогреватели, как правило, являются более экономичным средством обогрева, чем электрический бойлер, из-за более дешевой ночной электроэнергии, которую используют эти обогреватели.Кроме того, они намного дешевле в установке и обслуживании по сравнению с центральным газовым отоплением. С другой стороны, они не позволяют контролировать ваше отопление на том же уровне, что и система центрального отопления, и они по-прежнему будут страдать от роста цен на энергию.

Возобновляемые варианты

С учетом стимулирования использования возобновляемых источников тепла для автономных тепловых насосов и котлов на биомассе и заоблачных цен на энергию сейчас самое время подумать о возобновляемых источниках энергии для вашей собственности. Вы можете прочитать о RHI здесь.

Тепловые насосы

Тепловые насосы — очень надежные средства самообразования. Благодаря круглогодичной дифференциации тепла они предлагают отличный вариант для автономных домов. Хотя первоначальная стоимость установки высока, в сочетании со стимулирующими выплатами за тепло и растущими ценами на электроэнергию они начинают выглядеть намного более привлекательными. Однако вам нужно будет внести значительный авансовый платеж, поэтому они подходят не всем.

Биомасса

Котлы, работающие на биомассе, хотя изначально были немного дорогими, действительно окупились, а затем и с RHI.Судя по «потребности в тепле» в вашем сертификате энергоэффективности, некоторые дома могут получить очень хорошую прибыль в течение семилетнего периода оплаты. Пару недель назад я провел оценку «зеленого дела», и дом будет зарабатывать 7000 фунтов стерлингов в год в течение 7 лет, исходя из установки котла на биомассе — хотя установка котла на биомассе будет стоить 20000 фунтов стерлингов, однако прибыль вполне может оправдать затраты. первоначальные затраты.

Гелиотермический

Хотя солнечная тепловая энергия не должна устанавливаться вне сети, чтобы соответствовать требованиям RHI, это вариант, который поможет дополнить существующее отопление — ее можно использовать для нагрева горячей воды, снижая нагрузку на ваш кошелек, когда счет за электроэнергию меняется у двери.Как и в случае с любыми возобновляемыми источниками энергии, вам, вероятно, придется заплатить деньги заранее, и вы увидите прибыль в течение семи лет RHI.

Солнечная фотоэлектрическая установка

Solar PV производит электроэнергию непосредственно из солнечного света, поэтому сам по себе он не сможет обогреть ваш дом, но при использовании в сочетании с инфракрасными нагревательными панелями, электрическими котлами, накопительными нагревателями или тепловыми насосами с воздушным источником вы получаете бесплатное электричество очевидно, что отопление вашего дома электричеством внезапно станет доступным.