Понимание геотермальных систем отопления и охлаждения
В связи с повышенным вниманием к сокращению выбросов энергии и углеродного следа геотермальные системы отопления и охлаждения стали популярными среди домовладельцев по всей территории США. Геотермальные системы существуют с 1940-х годов, начиная с основного нагрева воды. Со временем внедрение новых технологий и достижений в области систем обработки воздуха сделало геотермальные системы пригодными в качестве коммерчески жизнеспособной альтернативы более традиционным системам ОВКВ.
Геотермальные системы отопления и охлаждения, также называемые геотермальными тепловыми насосами (GSHP), обеспечивают отопление и охлаждение за счет теплообмена с землей. В этих системах используется тот факт, что температура земли остается относительно постоянной в течение всего года и колеблется от 45 до 75 F. В зависимости от сезона земля может служить источником тепла или поглотителем тепла.
Основное преимущество геотермальных тепловых насосов заключается в том, что они потребляют на 25-50% меньше электроэнергии, чем другие системы отопления или охлаждения. Кроме того, несмотря на то, что первоначальные затраты на установку могут быть высокими, относительно короткий период окупаемости в 6-7 лет компенсирует первоначальные инвестиции. По истечении этого периода это энергосберегающая система отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха для вашего дома, не требующая особого ухода.
Все геотермальные системы охлаждения и отопления имеют несколько общих компонентов. К ним относятся механизм передачи теплообменной жидкости на землю и обратно, тепловой насос для перемещения жидкости и система распределения.
Давайте взглянем на каждую из этих подсистем и их роли.
Геотермальные контурные системы
Во всех типах геотермальных систем используется сеть взаимосвязанных труб, используемых в качестве теплообменников, расположенных под землей. Зимой, когда в воздухе холодно, а в земле тепло, хладагент внутри этих змеевиков поглощает тепло из земли и передает его в здание. Летом происходит обратный процесс, когда тепло поглощается зданием и отводится в землю.
Эта петлевая система подключается к геотермальному тепловому насосу. Он включает в себя компрессор, насос и дополнительный блок обработки воздуха, если система нагревает воздух. Затем этот воздух циркулирует по всему дому с помощью системы воздуховодов и вентиляционных отверстий.
Геотермальные системы классифицируются в зависимости от конструкции теплообменников. Это могут быть закрытые петли, открытые петли, вертикальные, горизонтальные петли, петли для пруда или облегающие петли. Замкнутые системы рециркулируют уже присутствующий хладагент внутри системы. С другой стороны, системы с открытым контуром постоянно обновляют хладагент, используя пресноводное озеро или подземный водоносный горизонт, поскольку в этом случае хладагентом в основном является вода.
Геотермальные системы замкнутого цикла
Замкнутые системы являются распространенным типом, используемым для геотермальных систем. Вода, смешанная с антифризом или другим подходящим хладагентом, используется в змеевиках теплообменника в качестве теплообменной среды. Нет необходимости постоянно пополнять жидкость в системе. Эту систему можно дополнительно разделить в зависимости от ориентации контуров теплообменника в земле.
Вертикальные циклы
Как видно, теплообменники этого типа ориентированы вертикально. Бурятся скважины глубиной до 400 футов, и в них помещаются U-образные трубы. Затем несколько U-образных трубок в разных отверстиях соединяются в замкнутую сеть, которая затем соединяется с насосом и компрессором (если он есть).
Затем скважина заполняется цементным раствором, чтобы обеспечить лучшую теплопроводность между U-образными трубами и землей. Количество скважин, расстояние между ними, глубина и объем жидкости в U-образных трубах зависят от характеристик почвы, потребностей дома в отоплении и охлаждении, колебаний температуры.
Преимущество такого расположения заключается в том, что его можно разместить на небольшой площади поверхности по сравнению с горизонтальными петлями. Это делает его идеальным для небольших домовладельцев или школ в застроенных районах, где недвижимость часто может стоить дорого. Но нужно проводить профилактические мероприятия, чтобы скважины были достаточно прочными, чтобы не разрушиться. Кроме того, пробуренный грунт должен удерживать здания поблизости.
Горизонтальные циклы
Система горизонтальных петель состоит из труб, расположенных горизонтально вдоль земли. Выкапывается неглубокая и длинная траншея, глубже линии промерзания, и в нее помещаются U-образные трубы. Как правило, глубина составляет от 1 до 3 метров. Длина может достигать 400 футов, в зависимости от конкретных требований.
Глубина может оказывать сильное влияние на характеристики нагрева и охлаждения системы с горизонтальным контуром. Если петли слишком мелкие, они могут поглощать солнечное тепло при переходе от зимы к лету, когда земля еще сравнительно холодная. Это увеличивает теплопроизводительность системы. Но побочным эффектом является то, что в зимние месяцы петли будут охлаждаться быстрее из-за их близости к поверхности.
Эту проблему можно устранить, увеличив глубину контуров, при этом повышенная стоимость установки компенсируется экономией энергии. Другим решением является использование теплоизоляционного верхнего слоя над петлями. Это предотвращает влияние на петли верхнего слоя почвы или изменений температуры атмосферы.
Горизонтальные петлевые системы больше подходят для участков с большим количеством земли, доступных для выкапывания, таких как большие фермы, загородные поместья и т. д.
Обтягивающие петли
Подобно горизонтальным петлям, узкие петли используются там, где необходимо использовать горизонтальные петли, но для них недостаточно места. Змеевиковые трубы укладываются в неглубокие траншеи, похожие на горизонтальные петли. Эти петли перекрывают друг друга при размещении на дне траншеи. Это обеспечивает такое же расстояние для прохождения жидкости внутри труб, но с укороченной длиной охвата всей системы.
Петли пруда
Эти системы используются там, где поблизости есть подходящий водоем. Петли можно погружать под воду или размещать на дне водоема. Такая система не требует затрат на копание или бурение, а в случае неисправности или протечки она обеспечивает легкое извлечение петлевой системы. Водоем должен быть достаточно глубоким, чтобы температурные эффекты на поверхности не передавались внутрь контуров.
Геотермальные системы открытого цикла
Системы с открытым контуром являются самыми простыми из всех форм геотермальных систем отопления. Труба с открытым концом используется для забора воды из подземного водоносного горизонта, горячего источника или другого подходящего источника воды. Затем эта вода проходит через теплообменники внутри теплового насоса. Затем использованная вода сбрасывается в тот же источник воды на подходящем расстоянии от водозабора. Однако у систем с открытым циклом есть несколько проблем.
Особое внимание следует уделить тому, чтобы вода на входе была достаточно чистой и имела подходящий минеральный состав, чтобы не повредить тепловой насос или теплообменники. Растворенные химические вещества или твердые вещества в воде могут вступать в реакцию с материалом теплообменника и служить ускорителем коррозии. На внутренней стороне труб может образовываться известковый налет, что снижает расход воды.
Кроме того, экологические нормы в некоторых местах требуют очистки сточной воды перед сбросом. Даже более строгие правила могут полностью запретить сброс воды, что потребует использования замкнутых систем.
Геотермальные тепловые насосы
Почти в каждом типе геотермальной системы есть тепловой насос. Обычно его устанавливают в шкафу, где-нибудь вне поля зрения. Геотермальный тепловой насос состоит из компрессора, теплообменника и других связанных систем управления. Если система отопления и охлаждения использует воздух для кондиционирования внутренних помещений, в комплект также входит установка кондиционирования воздуха.
Тепловые насосы работают за счет теплообмена между хладагентом (обычно водой) в контурах заземления и средой внутри воздуховодов. В зимние месяцы вода поглощает тепло из земли и поступает в теплообменник теплового насоса. Затем хладагент сжимается, повышая его температуру и превращая его в газ. Затем тепло внутри хладагента извлекается с помощью теплообменников и передается через систему воздуховодов или труб по всему дому. Последний шаг обычно выполняется с вентиляционными установками, если воздух используется для распределения тепла.
В летние месяцы этот процесс идет вспять. При геотермальном охлаждении хладагент поглощает тепло из помещения и отдает его в землю через подземные контуры.
Геотермальная распределительная система
Как и в канальных системах кондиционирования воздуха, в геотермальных системах также используется система воздуховодов. Это делает геотермальные системы особенно подходящими для проектов реконструкции в домах с уже установленными воздуховодами. Существующие воздуховоды можно использовать для этой цели.
Это относится к системам, которые передают тепло по всему зданию с помощью воздуха, называемых жидкостно-воздуховыми системами. Вентиляционные установки, представляющие собой большие вентиляторы, перемещают большие объемы воздуха по воздуховодам. Но в некоторых системах вода напрямую перекачивается по всему дому с помощью труб, встроенных в конструкцию основания дома, или через радиаторы обогревателей — такая схема называется «вода-вода».
Системы «вода-вода» также могут использоваться в качестве водонагревателей для бытовых нужд. Геотермальный тепловой насос может поддерживать температуру проточной воды на уровне 120 F, что меньше требуемых 150–200 F, достигаемых с помощью бойлеров. Но предварительный нагрев воды через геотермальную систему приводит к экономии энергии с помощью котла.
Системы «вода-вода» являются популярным вариантом для систем распределения воды для отопления и охлаждения. Петли встраиваются под пол или в стены. Эти петли остаются вне поля зрения и не издают шума, но при этом обеспечивают нагрев и охлаждение. Другим вариантом является использование систем отопления плинтуса в сочетании с геотермальными системами. Но будьте осторожны с этим параметром и проконсультируйтесь со специалистом, чтобы правильно определить размеры вашего дома и требования к отоплению.
Расходы на установку геотермального отопления и охлаждения
Геотермальные системы требуют более высоких первоначальных инвестиций, чем современные домашние системы отопления и охлаждения, хотя эти затраты постепенно снижаются. При ежегодном росте рынка геотермальных систем примерно на 12 % все больше и больше производителей усиливают конкуренцию и снижают цены.
В среднем домашние геотермальные системы могут стоить от 10 000 до 30 000 долларов. Точное количество зависит от характеристик почвы, области, которую необходимо выкопать, будь то вертикальная или горизонтальная петлевая система, площади кондиционирования в доме, предшествующих воздуховодов и качества установки. Более дорогие версии могут стоить еще дороже.
Кроме того, выбор между водой и воздухом или водой и водой также может повлиять на стоимость. Тепловые насосы типа «вода-воздух» являются более экономичным вариантом.
Бурение и земляные работы могут составлять более половины общей стоимости установки геотермальной системы. Установка геотермального теплового насоса для всей системы также может быть дорогостоящей. По данным Министерства энергетики США, затраты на геотермальное отопление и охлаждение составляют в среднем 2 500 долларов США за тонну.
Преимущества геотермальных систем отопления и охлаждения
Преимущества, предлагаемые геотермальными системами, многочисленны. Давайте посмотрим на некоторые из них:
- Энергоэффективность
Что касается эффективности, геотермальные системы отопления и охлаждения намного превосходят обычные системы кондиционирования воздуха. Основная причина этого заключается в том, что система геотермального теплового насоса не отдает тепло в горячую наружную среду, а передает его в прохладную среду.
Как обсуждалось ранее, геотермальная система может обеспечить экономию энергии до ошеломляющих 50%. Это может показаться находкой в жаркие летние месяцы. Отчасти это связано с высоким коэффициентом энергоэффективности геотермальных систем, достигающим 25 по сравнению с 15 для обычных систем. Таким образом, геотермальное охлаждение может существенно повлиять на ваши летние счета.
- Удобство
В геотермальной системе не так много деталей, о которых нужно заботиться, как в обычной системе HVAC. нет воздуховодов; нет заслонок и жалюзи; топливо не нужно держать под контролем. Вам не нужно поддерживать печь зимой и тепловой насос летом. Двумя основными компонентами геотермальных систем являются контуры заземления и тепловой насос. Контуры заземления устанавливаются в самом начале, и о них редко нужно заботиться снова.
- Сокращенное техническое обслуживание
Средний срок службы обычного кондиционера составляет где-то 10-15 лет. Но это только после должного ухода и обслуживания. Если вы пренебрегаете надлежащим уходом за HVAC, срок службы может сократиться.
С другой стороны, геотермальная система отопления или охлаждения может прослужить от 20 до 50 лет. Требуется минимальное техническое обслуживание. Заземляющие контуры не нужно периодически проверять, и система может продолжать работать в течение длительного времени. Это связано с тем, что геотермальная система не подвергается воздействию агрессивных элементов круглый год. Обычная система HVAC подвергается влиянию ветра и перепадов температур, а также воздействию вредных загрязняющих веществ, присутствующих в воздухе.
Экономия за счет геотермальной системы отопления и охлаждения
Хватит о затратах, давайте поговорим об экономии! В настоящее время дома с установленными геотермальными системами имеют право на получение федеральной налоговой льготы в размере 30%. В дополнение к этому, большинство штатов или электроэнергетических компаний предоставляют скидки или субсидии домам, использующим геотермальные энергетические системы. Это также может значительно снизить затраты на геотермальные тепловые насосы. Чтобы узнать, имеете ли вы право на получение скидки, перейдите в базу данных государственных поощрений за возобновляемые источники энергии и эффективность.
Ваши счета за электроэнергию также резко упадут. По оценкам 42 % энергии, потребляемой дома , приходится на отопление. Использование геотермальных систем может сократить это использование на 50%, в зависимости от специфики участка. То же самое и с выбросами парниковых газов.
Геотермальные системы отопления и охлаждения со средним сроком службы 20-25 лет могут обеспечить экономию энергии до 75 000 долларов в течение всего срока службы. Срок окупаемости гораздо короче, в среднем 5-8 лет. Как видите, хотя затраты на геотермальное отопление и охлаждение могут быть высокими на начальном этапе, в долгосрочной перспективе они окупятся.
Стоит ли рассматривать геотермальные системы?
Абсолютно да. Экономия энергии и сокращение выбросов, получаемые с помощью геотермальных систем, делают их привлекательным предложением. Даже если геотермальные системы не обеспечивают полного комплекта, их можно использовать в качестве дополнительных систем.
Окончательный выбор зависит от вашей конкретной ситуации:новый дом или старый, требуемая мощность нагрева и охлаждения и многое другое. Финансы также должны быть приняты во внимание. Затраты на геотермальные тепловые насосы могут показаться непомерно высокими. Но, как всегда, с системами HVAC, обязательно проконсультируйтесь с опытным профессионалом, прежде чем тратить деньги!