Gruntowa pompa ciepła
Gruntowa pompa ciepła (również geotermalna pompa ciepła ) to system ogrzewania/chłodzenia dla budynków, który wykorzystuje rodzaj pompy ciepła do przenoszenia ciepła do lub z gruntu, wykorzystując względną stałość temperatur ziemi w różnych porach roku. Gruntowe pompy ciepła (GSHP) – lub geotermalne pompy ciepła (GHP), jak są powszechnie określane w Ameryce Północnej – należą do najbardziej energooszczędnych technologii dostarczania HVAC i podgrzewania wody , zużywając znacznie mniej energii niż można uzyskać spalając paliwo w kotle/piecu lub za pomocą rezystancyjnych grzejników elektrycznych .
Sprawność podawana jest jako współczynnik wydajności (CoP), który zwykle mieści się w przedziale 3 – 6, co oznacza, że urządzenia dostarczają 3 – 6 jednostek ciepła na każdą jednostkę zużytej energii elektrycznej. Koszty konfiguracji są wyższe niż w przypadku innych systemów grzewczych ze względu na konieczność instalowania pętli uziemienia na dużych obszarach lub wiercenia otworów, iz tego powodu często zamiast nich stosuje się powietrzne pompy ciepła .
Termiczne właściwości gruntu
Gruntowe pompy ciepła wykorzystują różnicę między temperaturą otoczenia a temperaturą na różnych głębokościach gruntu.
Właściwości termiczne gruntu przy powierzchni można opisać następująco:
- W warstwie powierzchniowej do głębokości około 1 metra temperatura jest bardzo wrażliwa na światło słoneczne i pogodę,
- W warstwie płytkiej do głębokości około 8-20 metrów, w zależności od rodzaju gleby, masa termiczna gruntu powoduje wykładniczy spadek wahań temperatury wraz z głębokością, aż do zbliżenia się do lokalnej średniej rocznej temperatury powietrza; pozostaje również w tyle za temperaturą powierzchni, tak że temperatura szczytowa występuje około 6 miesięcy po szczycie temperatury powierzchni
- Poniżej, w głębszych warstwach , temperatura jest faktycznie stała, wzrastając o około 0,025°C na metr, zgodnie z gradientem geotermalnym .
„Głębokość penetracji” definiuje się jako głębokość, na której zmienna temperatury jest mniejsza niż 0,01 zmiany na powierzchni, a to zależy od rodzaju gleby:
| Typ gleby | Dzień (m) | Rok (m) |
|---|---|---|
| Głaz | 1.10 | 20,5 |
| Mokra glina | 0,95 | 18.0 |
| Mokry piasek | 0,80 | 14,5 |
| Sucha glina | 0,40 | 6.5 |
| Suchy piasek | 0,30 | 4.5 |
Historia
Pompa ciepła została opisana przez Lorda Kelvina w 1853 roku i opracowana przez Petera Rittera von Rittingera w 1855 roku . Heinrich Zoelly opatentował pomysł wykorzystania jej do pobierania ciepła z gruntu w 1912 roku.
Po eksperymentach z zamrażarką Robert C. Webber zbudował pod koniec lat czterdziestych pierwszą gruntową pompę ciepła z bezpośrednią wymianą; źródła nie zgadzają się jednak co do dokładnego harmonogramu jego wynalazku. Pierwszy udany komercyjny projekt został zainstalowany w Commonwealth Building (Portland, Oregon) w 1948 roku i został wyznaczony przez ASME jako National Historic Mechanical Engineering Landmark . Profesor Carl Nielsen z Ohio State University zbudował w swoim domu pierwszą wersję z otwartą pętlą mieszkalną w 1948 roku.
W wyniku kryzysu naftowego z 1973 r . gruntowe pompy ciepła stały się popularne w Szwecji i od tego czasu ich akceptacja na całym świecie powoli rośnie. Systemy z obiegiem otwartym dominowały na rynku do czasu opracowania polibutylenowych w 1979 r., Które sprawiły, że systemy z obiegiem zamkniętym stały się ekonomicznie opłacalne.
Od 2004 roku na całym świecie zainstalowanych jest ponad milion jednostek, zapewniających 12 GW mocy cieplnej przy tempie wzrostu 10% rocznie. Każdego roku (odpowiednio od 2011/2004) instaluje się około 80 000 jednostek w USA i 27 000 w Szwecji. W Finlandii geotermalna pompa ciepła była najczęściej wybieranym systemem grzewczym dla nowych domów jednorodzinnych w latach 2006-2011 z udziałem w rynku przekraczającym 40%.
Układ
Układ wewnętrzny
Pompa ciepła jest centralną jednostką do ogrzewania i chłodzenia budynku. Zwykle występuje w dwóch głównych wariantach:
ciecz-woda (zwane również woda-woda ) to systemy hydrauliczne , które przenoszą ogrzewanie lub chłodzenie przez budynek rurami do konwencjonalnych grzejników , ogrzewania podłogowego , grzejników listwowych i zbiorników ciepłej wody . Te pompy ciepła są również preferowane do ogrzewania basenu. Pompy ciepła zwykle skutecznie podgrzewają wodę tylko do około 55 ° C (131 ° F), podczas gdy kotły zwykle działają w temperaturze 65–95 ° C (149–203 ° F). Rozmiar grzejników zaprojektowanych do wyższych temperatur osiąganych przez kotły może być zbyt mały do użytku z pompami ciepła, co wymaga wymiany na większe grzejniki podczas modernizacji domu z kotła na pompę ciepła. W przypadku stosowania do chłodzenia temperatura wody obiegowej musi być zwykle utrzymywana powyżej punktu rosy , aby zapewnić, że wilgoć z powietrza nie skrapla się na chłodnicy.
ciecz-powietrze (zwane również woda-powietrze ) wytwarzają wymuszone powietrze i są najczęściej stosowane w celu zastąpienia starszych pieców z wymuszonym obiegiem powietrza i centralnych systemów klimatyzacji. Istnieją odmiany, które pozwalają na systemy dzielone, systemy o dużej prędkości i systemy bezkanałowe. Pompy ciepła nie mogą osiągnąć tak wysokiej temperatury płynu jak konwencjonalny piec, dlatego wymagają większego objętościowego natężenia przepływu powietrza, aby to skompensować. Podczas modernizacji domu może zaistnieć potrzeba powiększenia istniejących kanałów w celu zmniejszenia hałasu spowodowanego wyższym przepływem powietrza.
Gruntowy wymiennik ciepła
Gruntowe pompy ciepła wykorzystują gruntowy wymiennik ciepła w kontakcie z gruntem lub wodą gruntową w celu wydobywania lub rozpraszania ciepła. Nieprawidłowy projekt może spowodować zawieszenie się systemu po wielu latach lub bardzo nieefektywne działanie systemu; dlatego dokładne zaprojektowanie systemu ma kluczowe znaczenie dla udanego systemu
Rurociąg pętli uziemienia jest zwykle wykonany z rury polietylenowej o dużej gęstości i zawiera mieszaninę wody i płynu niezamarzającego ( glikol propylenowy , alkohol denaturowany lub metanol ). Glikol monopropylenowy ma najmniej szkodliwy potencjał, gdy może przedostać się do gruntu, dlatego jest jedynym dozwolonym środkiem przeciw zamarzaniu w źródłach gruntowych w coraz większej liczbie krajów europejskich.
- Poziomy
Poziome pole z zamkniętą pętlą składa się z rur ułożonych w płaszczyźnie w ziemi. Wykopuje się długi rów , głębszy niż linia zamarzania , i układa w nim zwoje w kształcie litery U lub śliskie. Płytkie poziome wymienniki ciepła o długości 3–8 stóp (0,91–2,44 m) podlegają sezonowym cyklom temperatur z powodu zysków energii słonecznej i strat transmisji do otaczającego powietrza na poziomie gruntu. Te cykle temperatur opóźniają się w stosunku do pór roku z powodu bezwładności cieplnej, więc wymiennik ciepła będzie zbierał ciepło zdeponowane przez słońce kilka miesięcy wcześniej, będąc jednocześnie obciążony późną zimą i wiosną z powodu nagromadzonego zimowego chłodu. Systemy w mokrym gruncie lub w wodzie są na ogół bardziej wydajne niż pętle w suchym gruncie, ponieważ woda przewodzi i magazynuje ciepło lepiej niż ciała stałe w piasku lub glebie. Jeśli ziemia jest naturalnie sucha, węże ssące można zakopać wraz z pętlą uziemiającą, aby była mokra.
- Pionowy
System pionowy składa się z szeregu odwiertów o głębokości około 50 do 400 stóp (15–122 m), wyposażonych w rury w kształcie litery U, przez które krąży płyn przenoszący ciepło, który pochłania (lub odprowadza) ciepło z (lub do) gruntu . Otwory wiertnicze są oddalone od siebie o co najmniej 5–6 m, a głębokość zależy od charakterystyki gruntu i budynku. Alternatywnie rury mogą być zintegrowane z palami fundamentowymi służył do podparcia budynku. Systemy pionowe opierają się na migracji ciepła z otaczającej geologii, chyba że są ładowane latem lub w innych okresach, gdy dostępna jest nadwyżka ciepła. Systemy pionowe są zwykle używane tam, gdzie nie ma wystarczającej ilości dostępnego terenu dla systemu poziomego.
Pary rur w otworze są łączone za pomocą łącznika krzyżowego w kształcie litery U na dnie otworu lub składają się z dwóch rurek z polietylenu o dużej gęstości (HDPE) o małej średnicy, połączonych termicznie w celu utworzenia łuku w kształcie litery U na dnie. Przestrzeń między ścianą otworu wiertniczego a rurami w kształcie litery U jest zwykle całkowicie wypełniona materiałem zalewowym lub, w niektórych przypadkach, częściowo wypełniona wodą gruntową. Dla przykładu, dom jednorodzinny wymagający mocy grzewczej 10 kW (3 tony ) może wymagać trzech odwiertów o głębokości od 80 do 110 m (260 do 360 stóp).
- Wiercenie promieniowe lub kierunkowe
Jako alternatywę dla kopania rowów, pętle mogą być układane za pomocą mini horyzontalnych przewiertów kierunkowych (mini-HDD). Dzięki tej technice można układać rury pod podwórkami, podjazdami, ogrodami lub innymi konstrukcjami bez ich naruszania, a koszt jest równy kosztowi kopania rowów i wiercenia pionowego. Ten system różni się również od wiercenia poziomego i pionowego, ponieważ pętle są instalowane z jednej centralnej komory, co jeszcze bardziej zmniejsza wymaganą przestrzeń gruntową. Wiercenie promieniowe jest często instalowane z mocą wsteczną (po wybudowaniu nieruchomości) ze względu na mały charakter używanego sprzętu i możliwość wiercenia pod istniejącymi konstrukcjami.
- Otwarta pętla
W systemie z obiegiem otwartym (zwanym również pompą ciepła wody gruntowej) pętla wtórna pompuje naturalną wodę ze studni lub zbiornika wodnego do wymiennika ciepła wewnątrz pompy ciepła. Ponieważ chemia wody nie jest kontrolowana, może zaistnieć potrzeba ochrony urządzenia przed korozją poprzez zastosowanie różnych metali w wymienniku ciepła i pompie. Kamień wapienny może się zabrudzić system z czasem i wymagają okresowego czyszczenia kwasem. Jest to znacznie większy problem z systemami chłodzenia niż z systemami grzewczymi. System studzienek ze stojącą kolumną to wyspecjalizowany typ systemu z otwartą pętlą, w którym woda jest pobierana z dna głębokiej studni skalnej, przepuszczana przez pompę ciepła i zawracana na górę studni. Rosnąca liczba jurysdykcji zakazuje systemów z otwartymi pętlami, które odprowadzają wodę na powierzchnię, ponieważ mogą one osuszać warstwy wodonośne lub zanieczyszczać studnie. Wymusza to stosowanie bardziej przyjaznych dla środowiska studni iniekcyjnych lub systemu zamkniętego.
- Staw
Zamknięta pętla stawowa składa się ze zwojów rur podobnych do slinky loop przymocowanych do ramy i umieszczonych na dnie stawu lub źródła wody o odpowiedniej wielkości. Sztuczne stawy są wykorzystywane do magazynowania ciepła (wydajność do 90%) w niektórych centralnych elektrowniach słonecznych, które następnie pobierają ciepło (podobnie jak w przypadku magazynowania gruntu) za pomocą dużej pompy ciepła w celu zaopatrywania sieci ciepłowniczej .
- Wymiana bezpośrednia (DX)
Gruntowa pompa ciepła z wymianą bezpośrednią (DX) jest najstarszym typem geotermalnej pompy ciepła, w której sam czynnik chłodniczy przepływa przez pętlę uziemienia. Podejście to, opracowane w latach 80. XX wieku, napotkało problemy z czynnikiem chłodniczym i olejem, zwłaszcza po zakazie stosowania czynników chłodniczych CFC w 1989 r., A systemy DX są obecnie rzadko używane. [ potrzebne źródło ]
Instalacja
Ze względu na wiedzę techniczną i wyposażenie potrzebne do prawidłowego zaprojektowania i zwymiarowania systemu (oraz zainstalowania orurowania, jeśli wymagane jest zgrzewanie), instalacja systemu GSHP wymaga usług fachowca. Kilku instalatorów opublikowało podglądy wydajności systemu w czasie rzeczywistym w internetowej społeczności ostatnich instalacji mieszkaniowych. Międzynarodowe Stowarzyszenie Gruntowych Pomp Ciepła ( IGSHPA ), Organizacja Wymiany Geotermalnej (GEO), Kanadyjska Koalicja GeoExchange oraz Stowarzyszenie Gruntowych Pomp Ciepła prowadzić wykazy wykwalifikowanych instalatorów w Stanach Zjednoczonych, Kanadzie i Wielkiej Brytanii. Ponadto szczegółowa analiza przewodności cieplnej gleby dla systemów poziomych i przewodności cieplnej formacji dla systemów pionowych generalnie doprowadzi do dokładniejszego zaprojektowania systemów o wyższej wydajności.
Wydajność cieplna
Wydajność chłodzenia jest zwykle wyrażana w jednostkach BTU/godz./wat jako współczynnik efektywności energetycznej (EER), podczas gdy wydajność grzewcza jest zwykle redukowana do jednostek bezwymiarowych jako współczynnik wydajności (COP). Współczynnik konwersji wynosi 3,41 BTU/h/wat. Ponieważ pompa ciepła przenosi od trzech do pięciu razy więcej energii cieplnej niż zużywana przez nią energia elektryczna, całkowita moc wyjściowa jest znacznie większa niż pobór energii elektrycznej. Powoduje to, że sprawność cieplna netto jest większa niż 300% w porównaniu do promieniowania ciepła elektrycznego o sprawności 100%. Tradycyjne piece spalinowe i grzejniki elektryczne nigdy nie może przekroczyć 100% sprawności. Gruntowe pompy ciepła mogą zmniejszyć zużycie energii – i związaną z tym emisję zanieczyszczeń do powietrza – nawet o 72% w porównaniu z elektrycznym ogrzewaniem oporowym ze standardowym wyposażeniem klimatyzacyjnym.
Wydajne sprężarki, sprężarki o zmiennej prędkości obrotowej i większe wymienniki ciepła przyczyniają się do wydajności pompy ciepła. Gruntowe pompy ciepła do użytku domowego dostępne obecnie na rynku mają standardowe współczynniki COP w zakresie od 2,4 do 5,0 oraz współczynniki EER w zakresie od 10,6 do 30. Aby zakwalifikować się do oznaczenia Energy Star , pompy ciepła muszą spełniać określone minimalne współczynniki COP i EER, które zależą od gruntowego wymiennika ciepła typ. W przypadku systemów z pętlą zamkniętą współczynnik COP ogrzewania zgodnie z normą ISO 13256-1 musi wynosić co najmniej 3,3, a współczynnik EER chłodzenia musi wynosić co najmniej 14,1.
Normy ARI 210 i 240 definiują współczynnik sezonowej efektywności energetycznej (SEER) i współczynniki sezonowej wydajności ogrzewania (HSPF) w celu uwzględnienia wpływu wahań sezonowych na powietrzne pompy ciepła. Liczby te zwykle nie mają zastosowania i nie należy ich porównywać z wartościami znamionowymi gruntowej pompy ciepła. Jednak Zasoby Naturalne Kanada zaadaptował to podejście do obliczania typowych sezonowo dostosowanych HSPF dla gruntowych pomp ciepła w Kanadzie. NRC HSPF wahały się od 8,7 do 12,8 BTU/godz./wat (od 2,6 do 3,8 w czynnikach bezwymiarowych lub od 255% do 375% sezonowej średniej efektywności wykorzystania energii elektrycznej) dla najbardziej zaludnionych regionów Kanady.
American Refrigerant Institute (ARI), a ostatnio także Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna, ustaliły kilka standardowych warunków testowych . Standardowe oceny ARI 330 były przeznaczone dla gruntowych pomp ciepła z obiegiem zamkniętym i zakładają temperaturę wody w obiegu wtórnym 25°C (77°F) dla klimatyzacji i 0°C (32°F) dla ogrzewania. Te temperatury są typowe dla instalacji w północnych Stanach Zjednoczonych. Standardowe wartości znamionowe ARI 325 były przeznaczone dla gruntowych pomp ciepła w układzie otwartym i obejmują dwa zestawy wartości znamionowych dla temperatur wód gruntowych wynoszących 10°C (50°F) i 21°C (70°F). ARI 325 przewiduje więcej energii elektrycznej do pompowania wody niż ARI 330. Żadna z tych norm nie uwzględnia wahań sezonowych. Standardowe oceny ARI 870 są przeznaczone do gruntowych pomp ciepła z bezpośrednią wymianą. ASHRAE przeszło na normę ISO 13256-1 w 2001 r., która zastępuje ARI 320, 325 i 330. Nowa norma ISO zapewnia nieco wyższe oceny, ponieważ nie uwzględnia już energii elektrycznej przeznaczonej na pompy wodne.
Gleba bez sztucznego dodawania lub odejmowania ciepła i na głębokości kilku metrów lub więcej pozostaje w stosunkowo stałej temperaturze przez cały rok. Ta temperatura odpowiada w przybliżeniu średniej rocznej temperaturze powietrza w wybranym miejscu, zwykle 7–12 ° C (45–54 ° F) na głębokości 6 metrów (20 stóp) w północnych Stanach Zjednoczonych. Ponieważ temperatura ta pozostaje bardziej stała niż temperatura powietrza przez cały sezon, gruntowe pompy ciepła działają z dużo większą wydajnością w ekstremalnych temperaturach powietrza niż klimatyzatory i powietrzne pompy ciepła.
Analiza wymiany ciepła
Wyzwaniem w przewidywaniu odpowiedzi termicznej gruntowego wymiennika ciepła (GWC) jest zróżnicowanie skal czasowych i przestrzennych. Cztery skale przestrzenne i osiem skal czasowych są zaangażowane w wymianę ciepła GHE. Pierwszą skalą przestrzenną mającą znaczenie praktyczne jest średnica odwiertu (~ 0,1 m) i związany z nią czas rzędu 1 h, podczas którego istotny jest wpływ pojemności cieplnej materiału zasypowego. Drugim ważnym wymiarem przestrzennym jest połowa odległości między dwoma sąsiednimi odwiertami, która jest rzędu kilku metrów. Odpowiadający temu czas jest rzędu miesiąca, podczas którego istotna jest interakcja termiczna między sąsiednimi otworami. Największa skala przestrzenna może mieć dziesiątki metrów lub więcej, na przykład połowa długości otworu wiertniczego i skala pozioma klastra GHE. Zastosowana skala czasowa jest tak długa, jak czas życia GWC (dziesiątki lat).
Krótkoterminowa, godzinowa odpowiedź temperaturowa gruntu jest niezbędna do analizy energii gruntowych pomp ciepła oraz ich optymalnej kontroli i działania. Natomiast długoterminowa reakcja określa ogólną wykonalność systemu z punktu widzenia cyklu życia. Adresowanie pełnego spektrum skal czasowych wymaga ogromnych zasobów obliczeniowych.
Główne pytania, które inżynierowie mogą zadać na wczesnych etapach projektowania GWC, to (a) jaka jest szybkość wymiany ciepła GWC w funkcji czasu, biorąc pod uwagę określoną różnicę temperatur między płynem obiegowym a gruntem, oraz (b ) jaka jest różnica temperatur w funkcji czasu, przy założeniu wymaganej szybkości wymiany ciepła. W języku wymiany ciepła te dwa pytania można prawdopodobnie wyrazić jako
![{\displaystyle q_{l}=[T_{f}(t)-T_{0}]/R(t)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3219a6a4b98c827283b5d8ef9e77ab61e7c6f711)
0 gdzie T f to średnia temperatura krążącego płynu, T to efektywna, niezakłócona temperatura gruntu, q l to szybkość wymiany ciepła GWC w jednostce czasu na jednostkę długości (W/m), a R to suma opór cieplny (m . K/W). R ( t ) jest często nieznaną zmienną, którą należy określić za pomocą analizy wymiany ciepła. Pomimo tego, R ( t ) jest funkcją czasu, modele analityczne rozkładają ją wyłącznie na część niezależną od czasu i część zależną od czasu, aby uprościć analizę.
W literaturze można znaleźć różne modele niezależnego od czasu i zależnego od czasu R. Ponadto często przeprowadza się test odpowiedzi termicznej w celu przeprowadzenia deterministycznej analizy przewodności cieplnej gruntu w celu optymalizacji wielkości pola pętli, zwłaszcza w przypadku większych obiektów komercyjnych (np. ponad 10 odwiertów).
Sezonowe przechowywanie termiczne
Efektywność gruntowych pomp ciepła można znacznie poprawić, stosując sezonowe magazynowanie energii cieplnej i międzysezonową wymianę ciepła. Ciepło przechwycone i zmagazynowane latem w bankach termicznych może być skutecznie odzyskane zimą. Wydajność magazynowania ciepła wzrasta wraz ze skalą, więc ta zaleta jest najbardziej znacząca w ciepłowniczych komercyjnych lub miejskich .
Kombisystemy geosolarne zostały wykorzystane do ogrzewania i chłodzenia szklarni przy użyciu warstwy wodonośnej do magazynowania ciepła. Latem szklarnia jest chłodzona zimną wodą gruntową. To podgrzewa wodę w warstwie wodonośnej, która może stać się źródłem ciepła do ogrzewania w zimie. Połączenie magazynowania chłodu i ciepła z pompami ciepła można połączyć z regulacją wody/wilgotności. Zasady te są wykorzystywane do dostarczania odnawialnego ciepła i odnawialnego chłodzenia do wszystkich rodzajów budynków.
Również efektywność istniejących małych instalacji pomp ciepła można poprawić poprzez dodanie dużych, tanich, wypełnionych wodą kolektorów słonecznych. Można je zintegrować z remontowanym parkingiem lub w ścianach lub konstrukcjach dachowych, instalując jednocalowe PE w warstwie zewnętrznej.
Wpływ środowiska
Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) nazwała gruntowe pompy ciepła najbardziej energooszczędnymi, ekologicznymi i opłacalnymi systemami klimatyzacji pomieszczeń. Pompy ciepła oferują znaczny potencjał redukcji emisji, szczególnie tam, gdzie są wykorzystywane zarówno do ogrzewania, jak i chłodzenia oraz tam, gdzie energia elektryczna jest wytwarzana ze źródeł odnawialnych.
GSHP mają niezrównaną wydajność cieplną i lokalnie wytwarzają zerową emisję, ale ich dostawa energii elektrycznej obejmuje komponenty o wysokiej emisji gazów cieplarnianych, chyba że właściciel zdecydował się na dostawę energii w 100% odnawialnej . Ich wpływ na środowisko zależy zatem od charakterystyki dostaw energii elektrycznej i dostępnych alternatyw.
| Kraj |
Intensywność emisji CO 2 |
Oszczędności gazów cieplarnianych w stosunku do | ||
|---|---|---|---|---|
| gazu ziemnego | olej opałowy | ogrzewanie elektryczne | ||
| Kanada | 223 ton/GWh | 2,7 tony/rok | 5,3 tony/rok | 3,4 tony/rok |
| Rosja | 351 ton/GWh | 1,8 tony/rok | 4,4 tony/rok | 5,4 tony/rok |
| NAS | 676 ton/GWh | −0,5 tony / rok | 2,2 tony/rok | 10,3 tony/rok |
| Chiny | 839 ton/GWh | −1,6 tony / rok | 1,0 tony / rok | 12,8 tony/rok |
Oszczędność emisji gazów cieplarnianych z pompy ciepła w porównaniu z konwencjonalnym piecem można obliczyć na podstawie następującego wzoru:
- HL = sezonowe obciążenie cieplne ≈ 80 GJ/rok dla nowoczesnego domu jednorodzinnego w północnych Stanach Zjednoczonych
- FI = intensywność emisji paliwa = 50 kg(CO 2 )/GJ dla gazu ziemnego, 73 dla oleju opałowego, 0 dla 100% energii odnawialnej, takiej jak wiatr, woda, fotowoltaika lub energia słoneczna
- AFUE = sprawność pieca ≈ 95% dla nowoczesnego pieca kondensacyjnego
- COP = współczynnik wydajności pompy ciepła ≈ 3,2 wyrównany sezonowo dla pompy ciepła w północnych Stanach Zjednoczonych
- EI = intensywność emisji energii elektrycznej ≈ 200–800 ton(CO 2 )/GWh, w zależności od regionalnej struktury elektrowni (węgiel vs gaz ziemny vs jądrowa, wodna, wiatrowa i słoneczna)
Gruntowe pompy ciepła zawsze wytwarzają mniej gazów cieplarnianych niż klimatyzatory, piece olejowe i ogrzewanie elektryczne, ale piece na gaz ziemny mogą być konkurencyjne w zależności od intensywności emisji gazów cieplarnianych w lokalnej dostawie energii elektrycznej. W krajach takich jak Kanada i Rosja o niskoemisyjnej infrastrukturze elektrycznej, domowa pompa ciepła może zaoszczędzić 5 ton dwutlenku węgla rocznie w stosunku do pieca olejowego, czyli mniej więcej tyle samo, co usunięcie z dróg przeciętnego samochodu osobowego. Ale w miastach takich jak Pekin czy Pittsburgh, które są w dużym stopniu uzależnione od węgla do produkcji energii elektrycznej, pompa ciepła może powodować 1 lub 2 tony więcej emisji dwutlenku węgla niż piec na gaz ziemny. Jednak dla obszarów nieobsługiwanych przez infrastrukturę gazu ziemnego nie ma lepszej alternatywy.
Płyny używane w obiegach zamkniętych mogą być zaprojektowane tak, aby ulegały biodegradacji i były nietoksyczne, ale czynnikiem chłodniczym używanym w szafie pompy ciepła i w pętlach bezpośredniej wymiany był do niedawna chlorodifluorometan , który jest substancją zubożającą warstwę ozonową. Chociaż są nieszkodliwe, gdy są zamknięte, wycieki i niewłaściwa utylizacja po zakończeniu okresu eksploatacji przyczyniają się do powiększania dziury ozonowej . W przypadku nowych konstrukcji ten czynnik chłodniczy jest wycofywany na rzecz przyjaznego dla ozonu, ale silnego gazu cieplarnianego R410A . Podgrzewacz EcoCute to powietrzna pompa ciepła wykorzystująca dwutlenek węgla jako płyn roboczy zamiast chlorofluorowęglowodorów . [ Potrzebne źródło ] Systemy z obiegiem otwartym (tj. te, które pobierają wodę gruntową w przeciwieństwie do systemów z obiegiem zamkniętym wykorzystującym wymiennik ciepła w odwiercie) muszą być zrównoważone poprzez ponowne wtłaczanie zużytej wody. Zapobiega to zubożeniu warstwy wodonośnej i zanieczyszczeniu gleby lub wód powierzchniowych solanką lub innymi związkami z podziemi. [ potrzebne źródło ]
Przed wierceniem należy poznać geologię podziemi, a wiertnicy muszą być przygotowani do uszczelnienia odwiertu, w tym do zapobieżenia przedostawaniu się wody między warstwy. Niefortunnym przykładem jest projekt ogrzewania geotermalnego w Staufen im Breisgau , Niemcy, co wydaje się być przyczyną znacznych zniszczeń tamtejszej zabudowy historycznej. W 2008 roku centrum miasta podniosło się o 12 cm, po początkowym zatonięciu o kilka milimetrów. Wiertło wykorzystało warstwę wodonośną o naturalnym ciśnieniu, a przez odwiert woda ta dostała się do warstwy anhydrytu, który rozszerza się, gdy jest mokry, tworząc gips. Pęcznienie ustanie, gdy anhydryt w pełni przereaguje, a przebudowa centrum miasta „nie jest celowa, dopóki nie ustanie wypiętrzenie”. Do 2010 roku uszczelnienie odwiertu nie zostało zakończone. Do 2010 roku niektóre odcinki miasta wzrosły o 30 cm.
Ekonomia
Gruntowe pompy ciepła charakteryzują się wysokimi kosztami inwestycyjnymi i niskimi kosztami eksploatacji w porównaniu z innymi systemami HVAC systemy. Ich ogólna korzyść ekonomiczna zależy przede wszystkim od względnych kosztów energii elektrycznej i paliw, które są bardzo zmienne w czasie i na całym świecie. Biorąc pod uwagę ostatnie ceny, gruntowe pompy ciepła mają obecnie niższe koszty operacyjne niż jakiekolwiek inne konwencjonalne źródło ciepła niemal na całym świecie. Gaz ziemny jest jedynym paliwem o konkurencyjnych kosztach operacyjnych i tylko w kilku krajach, w których jest wyjątkowo tani lub gdzie energia elektryczna jest wyjątkowo droga. Ogólnie rzecz biorąc, właściciel domu może zaoszczędzić od 20% do 60% rocznie na kosztach mediów, przechodząc ze zwykłego systemu na system naziemny.
Koszty kapitałowe i żywotność systemu były do niedawna przedmiotem znacznie mniej badań, a zwrot z inwestycji jest wysoce zmienny. Najnowsze dane z analizy płatności motywacyjnych w latach 2011–2012 w stanie Maryland wykazały, że średni koszt systemów mieszkaniowych wynosił 1,90 USD za wat, czyli około 26 700 USD za typowy system domowy (4 tony / 14 kW). Starsze badanie wykazało, że całkowity koszt instalacji systemu o mocy cieplnej 10 kW (3 tony) dla wolnostojącej wiejskiej rezydencji w USA wynosił średnio 8000–9000 USD w dolarach amerykańskich z 1995 roku. Nowsze badania wykazały średni koszt 14 000 USD w 2008 r. Dla systemu o tym samym rozmiarze. Departament Energii Stanów Zjednoczonych szacuje cenę na 7500 USD na swojej stronie internetowej, ostatnio zaktualizowanej w 2008 r. Jedno źródło w Kanadzie umieściło ceny w przedziale od 30 000 do 34 000 USD. Szybkiemu wzrostowi ceny systemu towarzyszyła szybka poprawa wydajności i niezawodności. Wiadomo, że koszty kapitałowe przynoszą korzyści korzyści skali , szczególnie w przypadku systemów z pętlą otwartą, dzięki czemu są bardziej opłacalne w przypadku większych budynków komercyjnych i surowszego klimatu. Początkowy koszt może być od dwóch do pięciu razy wyższy niż w przypadku konwencjonalnego systemu grzewczego w większości zastosowań mieszkaniowych, nowych lub istniejących. W przypadku modernizacji koszt instalacji zależy od wielkości powierzchni mieszkalnej, wieku domu, charakterystyki izolacji, geologii obszaru i lokalizacji nieruchomości. Właściwy projekt systemu kanałów i mechaniczna wymiana powietrza powinny być uwzględnione w początkowym koszcie systemu.
| Kraj | Okres zwrotu za wymianę | ||
|---|---|---|---|
| gazu ziemnego | olej opałowy | ogrzewanie elektryczne | |
| Kanada | 13 lat | 3 lata | 6 lat |
| NAS | 12 lat | 5 lat | 4 lata |
| Niemcy | strata netto | 8 lat | 2 lata |
Uwagi:
|
|||
Koszty kapitałowe mogą być kompensowane przez dotacje rządowe; na przykład Ontario zaoferowało 7000 USD na systemy mieszkaniowe zainstalowane w roku podatkowym 2009. Niektóre firmy elektryczne oferują specjalne stawki klientom, którzy instalują gruntową pompę ciepła do ogrzewania lub chłodzenia swojego budynku. Tam, gdzie elektrownie mają większe obciążenia w miesiącach letnich i wolne moce w zimie, zwiększa to sprzedaż energii elektrycznej w miesiącach zimowych. Pompy ciepła obniżają również szczyt obciążenia w okresie letnim ze względu na zwiększoną wydajność pomp ciepła, unikając w ten sposób kosztownej budowy nowych elektrowni. Z tych samych powodów inne przedsiębiorstwa użyteczności publicznej zaczęły płacić za instalację gruntowych pomp ciepła w domach klientów. Wydzierżawiają systemy swoim klientom za miesięczną opłatę, przy całkowitych oszczędnościach netto dla klienta.
Żywotność systemu jest dłuższa niż w przypadku konwencjonalnych systemów ogrzewania i chłodzenia. Dobre dane na temat żywotności systemu nie są jeszcze dostępne, ponieważ technologia jest zbyt nowa, ale wiele wczesnych systemów nadal działa po 25–30 latach przy rutynowej konserwacji. Większość pól pętlowych ma gwarancje na 25 do 50 lat i oczekuje się, że wytrzymają co najmniej 50 do 200 lat. Gruntowe pompy ciepła wykorzystują energię elektryczną do ogrzewania domu. Wyższa inwestycja w porównaniu z konwencjonalnymi systemami olejowymi, propanowymi lub elektrycznymi może zwrócić się w postaci oszczędności energii w ciągu 2–10 lat w przypadku systemów mieszkaniowych w USA. W porównaniu z systemami gazu ziemnego okres zwrotu może być znacznie dłuższy lub może nie istnieć. Okres zwrotu w przypadku większych systemów komercyjnych w USA wynosi 1–5 lat, nawet w porównaniu z gazem ziemnym. Ponadto, ponieważ geotermalne pompy ciepła zwykle nie mają sprężarek zewnętrznych ani wież chłodniczych, ryzyko wandalizmu jest zmniejszone lub wyeliminowane, co potencjalnie wydłuża żywotność systemu.
Gruntowe pompy ciepła są uznawane za jedne z najbardziej wydajnych systemów ogrzewania i chłodzenia na rynku. Często są drugim najbardziej opłacalnym rozwiązaniem w ekstremalnych klimatach (po kogeneracji ), pomimo obniżenia sprawności cieplnej spowodowanej temperaturą gruntu. (Źródło gruntowe jest cieplejsze w klimatach wymagających silnej klimatyzacji i chłodniejsze w klimatach wymagających silnego ogrzewania). Finansowa rentowność tych systemów zależy od odpowiedniej wielkości gruntowych wymienników ciepła (GHE), które generalnie najbardziej przyczyniają się do całkowitych kosztów kapitałowych systemów GSHP.
Koszty utrzymania systemów komercyjnych w Stanach Zjednoczonych historycznie wynosiły od 0,11 do 0,22 USD za m2 rocznie w dolarach 1996, znacznie mniej niż średnia 0,54 USD za m2 rocznie dla konwencjonalnych systemów HVAC.
Rządy, które promują energię odnawialną, prawdopodobnie będą oferować zachęty dla rynków konsumenckich (mieszkaniowych) lub przemysłowych. Na przykład w Stanach Zjednoczonych zachęty są oferowane zarówno na szczeblu stanowym, jak i federalnym. W Wielkiej Brytanii Renewable Heat Incentive zapewnia zachętę finansową do wytwarzania ciepła ze źródeł odnawialnych w oparciu o odczyty liczników w ujęciu rocznym przez 20 lat w budynkach komercyjnych. Krajowa ulga na ciepło ze źródeł odnawialnych ma zostać wprowadzona wiosną 2014 roku na okres siedmiu lat i opierać się na domniemanym cieple.
Zobacz też
- Gruntowy wymiennik ciepła
- Chłodzenie słoneczne
- Odnawialne ciepło
- Międzynarodowe Stowarzyszenie Gruntowych Pomp Ciepła
- Słowniczek ogrzewania i chłodzenia geotermalnego
- Jednolity kod mechaniczny
Linki zewnętrzne
- Geotermalne pompy ciepła zarchiwizowane 2009-04-01 w Wayback Machine ( EERE / USDOE ).
- Kalkulacja kosztów
- Konsorcjum Geotermalnych Pomp Ciepła
- Międzynarodowe Stowarzyszenie Gruntowych Pomp Ciepła
- Stowarzyszenie gruntowych pomp ciepła (GSHPA)
| Część serii poświęconej |
| energetyce odnawialnej |
|---|
 |
| Energia geotermalna |  |
|
|---|---|---|
| Według kraju | ||
| Technologie | ||
| Koncepcje energetyczne | ||
| ||
