Геотермалните системи за отопление и охлаждане се превърнаха в популярен избор сред собствениците на жилища в САЩ. Те са в сила от 40-те години, започвайки от осигуряване основно на отопление на вода. С течение на времето включването на нови технологии и напредъкът в системите за климатизация направиха геотермалните системи подходяща търговски алтернатива на по-конвенционалните ОВК системи.
Геотермалните системи за отопление и охлаждане, наричани още топлинни помпи с наземен източник (GSHP), осигуряват отопление и охлаждане чрез обмен на топлина със земята. Тези системи се възползват от факта, че температурата на земята остава относително постоянна през цялата година, варираща от 7,2° до 24°. В зависимост от сезона земята може да служи като източник на топлина или система за охлаждане.
Внедряването на геотермални системи осигурява от 20% до 60% спестявания в сметките за комунални услуги. Освен това, въпреки че първоначалните разходи за инсталиране могат да бъдат високи, относително краткият период на изплащане от 6-7 години компенсира предварителната инвестиция. След този период това е енергийно ефективна система за вашия дом с ниски разходи за поддръжка.
Всички геотермални системи за отопление и охлаждане имат няколко общи компонента. Те включват механизъм за прехвърляне на топлообменната течност към земята и обратно, термопомпа за преместване на течността и разпределителна система.
Геотермални системи
Всички видове геотермални системи използват мрежа от взаимно свързани тръби, използвани като топлообменници, поставени под земята. През зимите, когато въздухът е студен, а земята е топла, хладилният агент в тези намотки абсорбира топлината от земята и я пренася в сградата. Същият процес е обърнат през лятото, когато топлината се абсорбира от сградата и се прехвърля в земята.
Тази контурна система е свързана с геотермалната термопомпа. Тя включва компресора, помпата и по желание въздушен регулатор, ако системата се използва за затопляне на въздуха. След това този въздух циркулира из къщата, като се използва система от канали и отвори.
Геотермалните системи се категоризират според конструкцията на топлообменниците. Те могат да бъдат затворени, отворени, вертикални, хоризонтални или приплъзнати. Системите със затворен цикъл рециркулират вече наличния хладилен агент в системата. От друга страна, системите с отворен цикъл постоянно освежават хладилния агент, което може да се направи с използване на сладководно езеро или подземна вода, тъй като в този случай хладилният агент е предимно вода.
Геотермални системи със затворен цикъл
Системите със затворен цикъл са обичайно срещаният тип, който се използва за геотермални системи. Водата, смесена с антифриз или друг подходящ хладилен агент, се използва в топлообменните бобини, за да служи като топлообменна среда. Течността в системата не трябва непрекъснато да се допълва. Тази система може допълнително да бъде разделена според ориентацията на контурите на топлообменника в земята.
Вертикални контури
Както е очевидно, топлообменниците от този тип са вертикално ориентирани. Дупките се пробиват на дълбочина до 400 фута и в тях се поставят U-образни тръби. Множеството U-тръби в различни отвори се свързват, за да образуват затворена мрежа, която след това се свързва с помпата и компресора (ако има такъв).
След това сондажът се запълва с фугираща смес, за да се осигури по-добра топлопроводимост между U-тръбите и земята. Броят на сондажите, разстоянието между тях, дълбочината и обемът на течността в U-тръбите зависят от характеристиките на почвата, нуждите от отопление и охлаждане на дома, температурните вариации.
Предимство на тази подредба е, че тя може да бъде реализирана на малка площ, в сравнение с хоризонталната. Това я прави идеална за собственици на малки жилища или училища в застроени райони. Но трябва да се вземат предпазни мерки, така че отворите да са достатъчно здрави, за да не се срутят.
Хоризонтални контури
Хоризонталната контурна система се състои от тръби, които са поставени в хоризонтална ориентация спрямо земята. Изкопава се плитка и дълга траншея, по-дълбока от линията на замръзване, и в нея се поставят U-тръби. Като цяло дълбочината е от 1 до 3 метра. Дължината може да бъде до 400 фута, в зависимост от специфичните изисквания.
Дълбочината може да има силен ефект върху характеристиките на отопление и охлаждане на хоризонтална контурна система. Ако е твърде плитка, се абсорбира топлина от слънцето по време на прехода от зимата към лятото, когато земята е все още сравнително студена. Това увеличава отоплителната способност на системата. Но неблагоприятният ефект е, че през зимните месеци контурите ще се охлаждат с по-голяма скорост поради тяхната непосредствена близост до повърхността.
Този проблем може да бъде компенсиран чрез увеличаване на дълбочината на контурите, като увеличените разходи за инсталиране се компенсират от спестяването на енергия. Друго решение е да се използва термично непроводим горен слой. Това предотвратява влиянието от горния слой почва или от атмосферните промени в температурата.
Хоризонталните контурни системи са по-подходящи за райони с повече земя, която може да се изкопае, като големи ферми, селски имоти и др.
Приплъзващи се контури
Приплъзващите се контури се използват там, където трябва да се използват хоризонтални контури, но няма достатъчно място по дължина. Подобни на намотки тръби се поставят в плитки изкопи, подобни на хоризонтални контури. Тези контури се припокриват помежду си, когато се поставят на дъното на изкопа. Това осигурява същото количество разстояние за преминаване на флуида в тръбите, но със съкратена дължина на покритие на цялата система.
Контури на езерцето
Тези системи се използват там, където наблизо има подходящ воден басейн. Контурите могат да бъдат потопени под водата или поставени върху коритото на водния басейн. Такава система не е свързана с разходи за копаене или пробиване, а в случай на повреда или изтичане позволява лесно извличане. Водният басейн трябва да е достатъчно дълбок, така че температурата на повърхността да не оказва влияние.
Геотермални системи с отворен контур
Системите с отворен контур са най-простите от всички форми на геотермални отоплителни системи. Отворената тръба се използва за изтегляне на вода от подземен горещ извор или друг подходящ водоизточник. След това тази вода се прекарва през топлообменниците в термопомпата. После отработената вода се изхвърля в същия водоизточник, на подходящо разстояние от водоприемника. Системите с отворен цикъл обаче имат няколко предизвикателства.
Трябва да се внимава много, за да се гарантира, че входящата вода е достатъчно чиста и има подходящ минерален състав, за да не се повредят термопомпата или топлообменниците. Разтворени химикали или твърди вещества във водата могат да влязат в реакция с материала на топлообменниците и да служат като ускорител на корозията. Във вътрешността на тръбите може да се образува варовик, като по този начин се намалява водният поток.
Геотермални термопомпи
Термопомпите работят, като обменят топлина между хладилния агент (обикновено вода) в земните контури и системата от канали. През зимните месеци водата абсорбира топлината от земята и се насочва към топлообменника в термопомпата. След това хладилният агент се компресира, повишавайки температурата си и се превръща в газ. След това топлината в хладилния агент се извлича с помощта на топлообменници и преминава през система от канали или тръби в целия дом. Последната стъпка обикновено се прави с климатични инсталации, ако въздухът се използва за разпределение на топлината.
Този процес е обърнат през летните месеци. Хладилният агент поглъща топлината от закрито пространство и я отвежда към земята през подземните контури.
Геотермална разпределителна система
Геотермалните системи използват система от канали. Това важи за системи, които пренасят топлина в цялата сграда, използвайки въздух, и се наричат системи течност-въздух. Климатичните блокове, които всъщност са големи вентилатори, придвижват големи количества въздух през каналите. Но в някои системи водата се изпомпва директно, използвайки тръби, вградени в основната конструкция на дома, или чрез радиаторни отоплителни уреди. Подобна подредба се нарича вода-вода. Те могат да се използват и като бойлери за битови нужди.
Устройствата вода-вода са популярен вариант за водоразпределителни системи за отопление и охлаждане. Контурите са вградени под подовата настилка или в стените. Тези контури остават извън полезрението и не издават никакъв шум, като същевременно осигуряват отопление и охлаждане. Друг възможен избор е да се използват основни отоплителни системи заедно с геотермални системи. Но бъдете внимателни с тази опция и се консултирайте с професионалист за правилното оразмеряване на вашия дом и изискванията за отопление.