A geotermikus fűtési és hűtési rendszerek megértése

Az energiakibocsátás csökkentésére és a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésére helyezett fokozott hangsúlynak köszönhetően a geotermikus fűtési és hűtési rendszerek népszerűvé váltak a lakástulajdonosok körében az Egyesült Államokban. A geotermikus rendszerek az 1940-es évek óta működnek, kezdve az alapvető vízmelegítéssel. Az idő múlásával az új technológiák és a légkezelő rendszerek fejlesztése révén a geotermikus rendszerek alkalmassá váltak a hagyományos HVAC-rendszerek kereskedelmi szempontból életképes alternatívájaként.

A geotermikus fűtési és hűtési rendszerek, más néven földi hőszivattyúk (GSHP), fűtést és hűtést biztosítanak a talajjal való hőcserével. Ezek a rendszerek kihasználják azt a tényt, hogy a talaj hőmérséklete egész évben viszonylag állandó marad, 45 és 75 F között mozog. Az évszaktól függően a talaj hőforrásként vagy hűtőbordaként is szolgálhat.

A geotermikus hőszivattyúk fő előnye, hogy 25-50%-kal kevesebb villamos energiát fogyasztanak, mint más fűtési vagy hűtési rendszerek. Továbbá, bár a kezdeti telepítési költségek magasak lehetnek, a viszonylag rövid, 6-7 éves megtérülési idő kárpótol az előzetes beruházásért. Ezt az időszakot követően alacsony karbantartást igénylő, energiahatékony HVAC rendszer az otthonában.

Minden geotermikus hűtési és fűtési rendszernek van néhány közös összetevője. Ezek közé tartozik a hőcserélő folyadékot a talajra és vissza továbbító mechanizmus, a folyadék mozgatására szolgáló hőszivattyú és egy elosztórendszer.

Vessünk egy pillantást ezekre az alrendszerekre és azok szerepére.

Geotermikus hurokrendszerek

Mindenféle geotermikus rendszer hőcserélőként használt, egymással összekapcsolt csövek hálóját alkalmazza a föld alatt. Télen, amikor hideg van a levegőben, de meleg a talajban, az ezekben a tekercsekben lévő hűtőközeg elnyeli a hőt a talajból és továbbítja az épületbe. Ugyanez a folyamat megfordul a nyarakon, amikor a hő elnyelődik az épületből, és a talajba kerül.

Ez a hurokrendszer csatlakozik a geotermikus hőszivattyúhoz. Tartalmazza a kompresszort, a szivattyút és az opcionális légkezelő egységet, ha a rendszer felmelegíti a levegőt. Ezt a levegőt az egész házban keringetik egy csatorna- és szellőzőrendszer segítségével.

A geotermikus rendszereket a hőcserélők kialakítása szerint osztályozzák. Lehetnek zárt hurkok, nyitott hurkok, függőleges, vízszintes, tóhurkok vagy slinky hurkok. A zárt hurkú rendszerek a már meglévő hűtőközeget keringtetik a rendszerben. Másrészt a nyílt hurkú rendszerek folyamatosan frissítik a hűtőközeget édesvízi tó vagy földalatti víztartó segítségével, mivel a hűtőközeg ebben az esetben többnyire víz.

Zárt hurkú geotermikus rendszerek

A zárt hurkú rendszerek a legelterjedtebbek a geotermikus rendszerekben. A hőcserélő tekercseiben fagyállóval vagy más megfelelő hűtőközeggel kevert vizet használnak hőcserélő közegként. Nincs szükség a rendszerben lévő folyadék folyamatos utánpótlására. Ez a rendszer tovább osztható a hőcserélő hurkok talajon belüli tájolása szerint.

Függőleges hurkok

Amint az nyilvánvaló, az ilyen típusú hőcserélők függőlegesen vannak elrendezve. A lyukakat 400 láb mélységig fúrják, és U-csöveket helyeznek el bennük. Ezután több, különböző furatokban lévő U-csövet csatlakoztatnak, hogy egy zárt hálózatot hozzanak létre, amelyet ezután összekapcsolnak a szivattyúval és a kompresszorral (ha van ilyen).

A fúrólyukat ezután fugával töltik fel, hogy jobb hővezető képességet biztosítsanak az U-csövek és a talaj között. A fúrások száma, távolságuk, mélységük és az U-csövekben lévő folyadék mennyisége a talaj jellemzőitől, a lakás fűtési és hűtési igényeitől, valamint a hőmérséklet-ingadozásoktól függ.

Ennek az elrendezésnek az az előnye, hogy a vízszintes hurkokhoz képest kis felületen belül helyezhető el. Ez ideálissá teszi kis lakástulajdonosok vagy lakott területeken működő iskolák számára, ahol az ingatlan gyakran prémiumot jelent. De megelőző intézkedéseket kell tenni annak érdekében, hogy a fúrások elég erősek legyenek ahhoz, hogy ne omoljanak be. Sőt, a fúrt altalajnak továbbra is képesnek kell lennie a közelben lévő épületek megtartására.

Vízszintes hurkok

A vízszintes hurkok rendszer csövekből áll, amelyek vízszintes helyzetben vannak elhelyezve a talaj mentén. A fagyvonalnál mélyebb, sekély és hosszú árkot ásnak, amelybe U-csöveket helyeznek. Általában a mélység 1 és 3 méter között van. A hossza akár 400 láb is lehet, az egyedi követelményektől függően.

A mélység nagymértékben befolyásolhatja a vízszintes hurokrendszer fűtési és hűtési jellemzőit. Ha túl sekély, a hurkok elnyelik a nap hőjét a télről a nyárra váltáskor, amikor a talaj még viszonylag hideg. Ez növeli a rendszer fűtési kapacitását. Kedvezőtlen hatás azonban az, hogy a téli hónapokban a hurkok nagyobb sebességgel hűlnek le a felszínhez való közelségük miatt.

Ez a probléma a hurkok mélységének növelésével kiküszöbölhető, a megnövekedett beépítési költséget az energiamegtakarítás ellensúlyozza. Egy másik megoldás a hurkok feletti hővezető felső réteg alkalmazása. Ez megakadályozza, hogy a hurkokat a felső talajréteg vagy a légköri hőmérséklet-változások befolyásolják.

A vízszintes hurokrendszerek jobban megfelelnek olyan területeken, ahol nagy mennyiségű földet lehet kiásni, mint például nagy parasztházak, vidéki birtokok stb.

Slinky Loops

A vízszintes hurkokhoz hasonlóan a slinky hurkokat ott használják, ahol vízszintes hurkokat kell használni, de nincs elég hely. A tekercsszerű csöveket a vízszintes hurokhoz hasonló sekély árkokban helyezik el. Ezek a hurkok átfedik egymást, amikor az árok aljára helyezik őket. Ez ugyanolyan távolságot biztosít a folyadék számára a csöveken belüli áthaladáshoz, de az egész rendszer lerövidített lefedettségi hosszával.

Tóhurkok

Ezeket a rendszereket ott alkalmazzák, ahol a közelben megfelelő víztest található. A hurkokat a víz alá meríthetjük, vagy a víztest medrére helyezhetjük. Egy ilyen rendszerhez nem jár ásási vagy fúrási költség, hiba vagy szivárgás esetén pedig a hurokrendszer egyszerű eltávolítását teszi lehetővé. A víztestnek elég mélynek kell lennie ahhoz, hogy a hőmérséklet felszíni hatásai ne jelentkezzenek a hurkon belül.

Nyílt hurkú geotermikus rendszerek

A nyílt hurkú rendszerek a legegyszerűbbek a geotermikus fűtési rendszerek minden formája közül. Nyitott végű csövet használnak a víz felszívására földalatti víztartó rétegből, meleg forrásból vagy más alkalmas vízforrásból. Ezt a vizet ezután a hőszivattyún belüli hőcserélőkön keresztül vezetik át. Az elhasznált vizet ezután ugyanabban a vízforrásban engedik el, megfelelő távolságra a vízbevételtől. A nyílt hurkú rendszereknek azonban van néhány kihívása.

Nagy gondot kell fordítani arra, hogy a bemenő víz kellően tiszta és megfelelő ásványi összetételű legyen, hogy ne károsítsa a hőszivattyút vagy a hőcserélőket. A vízben oldott vegyszerek vagy szilárd anyagok reakcióba léphetnek a hőcserélők anyagával, és korróziógyorsítóként szolgálhatnak. A csövek belsejében vízkő képződhet, ami csökkenti a vízáramlást.

Ezen túlmenően a környezetvédelmi előírások egyes helyeken megkövetelik a kilépő víz kezelését a kibocsátás előtt. A szigorúbb szabályozások is teljesen megtilthatják a víz kibocsátását, így zárt hurkú rendszerekre van szükség.

Geotermikus hőszivattyúk

Szinte minden típusú geotermikus rendszerhez tartozik hőszivattyú. Általában egy szekrénybe van beszerelve, valahová látótávolságon kívül. A geotermikus hőszivattyú kompresszorból, hőcserélőből és egyéb kapcsolódó vezérlőrendszerekből áll. Ha a fűtési és hűtési rendszer levegőt használ a belső terek kondicionálására, egy légkezelő egység is a csomag része.

A hőszivattyúk úgy működnek, hogy hőt cserélnek a talajhurokban lévő hűtőközeg (általában víz) és a légcsatornán belüli közeg között. A téli hónapokban a víz felveszi a hőt a talajból, és a hőszivattyúban lévő hőcserélőhöz jut. A hűtőközeget ezután összenyomják, ami megemeli a hőmérsékletét és gázzá alakul. A hűtőközegben lévő hőt ezután hőcserélők segítségével vonják ki, és egy csatorna- vagy csőrendszeren vezetik át az egész lakásban. Az utolsó lépést általában a légkezelő egységekkel hajtják végre, ha a levegőt használják a hő elosztására.

Ez a folyamat a nyári hónapokban megfordul. A geotermikus hűtéssel a hűtőközeg elnyeli a hőt a beltérből, és a föld alatti hurkon keresztül a földre utasítja.

Geotermikus elosztórendszer

A légcsatornás klímarendszerekhez hasonlóan a geotermikus rendszerek is csatornarendszert alkalmaznak. Ez a geotermikus rendszereket különösen alkalmassá teszi olyan lakások felújítási projektjeihez, amelyekben már telepített légcsatorna van. A meglévő csatornák ezután felhasználhatók erre a célra.

Ez azokra a rendszerekre vonatkozik, amelyek levegővel hőt adnak át az egész épületben, ezeket folyadék-levegő rendszereknek nevezzük. A légkezelő egységek, amelyek nagy ventilátorok, nagy mennyiségű levegőt szállítanak át a csatornákon. Egyes rendszerekben azonban a vizet közvetlenül az otthonokba szivattyúzzák a lakás alapszerkezetébe ágyazott csövekkel vagy radiátoros térfűtőkön keresztül – az ilyen elrendezést víz-víz elrendezésnek nevezik.

A víz-víz rendszerek háztartási vízmelegítőként is használhatók. A geotermikus hőszivattyú kényelmesen 120 F-on tudja tartani a folyóvizet, ami kevesebb, mint a kazánokkal elért 150-200 F. De a víz geotermikus rendszeren keresztül történő előmelegítése energiamegtakarítást eredményez a kazánnal.

A víz-víz elrendezés népszerű megoldás a fűtési és hűtési vízelosztó rendszerekben. A hurkok a padló alá vagy a falakba vannak beágyazva. Ezek a hurkok nem láthatók, és nem adnak zajt, miközben továbbra is fűtést és hűtést biztosítanak. Egy másik lehetőség a padlófűtési rendszerek használata a geotermikus rendszerekkel együtt. De legyen óvatos ezzel a lehetőséggel, és forduljon szakemberhez otthona megfelelő méretéhez és a fűtési követelményekhez.

Geotermikus fűtés és hűtés telepítési költségei

A geotermikus rendszerek magasabb kezdeti befektetést jelentenek, mint a kortárs otthoni fűtési és hűtési rendszerek, bár ezek a költségek fokozatosan csökkennek. A geotermikus rendszerek piacán évi 12% körüli növekedési rátával egyre több gyártó erősíti a versenyt és csökkenti az árakat.

Az otthoni geotermikus rendszerek átlagosan 10 000 és 30 000 dollár között mozoghatnak. A pontos mennyiség a talaj jellemzőitől, az ásni kívánt területtől, függőleges hurok vagy vízszintes hurokrendszertől, a lakáson belüli kondicionáló területtől, a korábbi csatornázástól és a telepítés minőségétől függ. A magasabb kategóriás verziók még ennél is többe kerülhetnek.

Ezenkívül a víz-levegő és a víz-víz közötti választás szintén hatással lehet a költségekre. A víz-levegő hőszivattyú a gazdaságosabb választás a kettő között.

A fúrás és ásás a geotermikus rendszer teljes telepítési költségének több mint felét teheti ki. A geotermikus hőszivattyú telepítése a teljes rendszerre szintén költséges lehet. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma szerint a geotermikus fűtési és hűtési költségek átlagosan 2500 USD/tonna.

A geotermikus fűtési és hűtési rendszerek előnyei

A geotermikus rendszereknek számos előnye van. Lássunk néhányat ezek közül:

• Energiahatékonyság

Ami a hatékonyságot illeti, a geotermikus fűtési és hűtési rendszerek messze felülmúlják a hagyományos légkondicionálást. Ennek fő oka az, hogy a geotermikus hőszivattyús rendszer nem engedi ki a hőt a forró kültéri környezetbe, hanem egy hűvös környezetbe továbbítja.

Amint arról korábban szó volt, egy geotermikus rendszer akár 50%-os energiamegtakarítást is biztosíthat. Ez isteni ajándéknak tűnhet a forró nyári hónapokban. Ez részben a geotermikus rendszerek magas energiahatékonysági arányának köszönhető, amely eléri a 25-öt, szemben a hagyományos rendszerek 15-ével. A geotermikus hűtés ezért jelentős hatással lehet a nyári számláira.

• Kényelem

Egy geotermikus rendszernek nincs sok gondozandó alkatrésze, mint a hagyományos HVAC rendszereknél. Nincsenek csatornák; nincsenek lengéscsillapítók vagy zsaluk; üzemanyagot nem kell ellenőrizni. Télen nem kell kemencét, nyáron hőszivattyút karbantartania. A geotermikus rendszerek két fő összetevője a talajhurkok és a hőszivattyú. A földhurkokat rögtön az elején telepítik, és ritkán kell újra gondoskodni.

• Csökkentett karbantartási költség

A hagyományos klímaberendezések átlagos élettartama valahol 10-15 év. De ez csak megfelelő gondossággal és karbantartással történik. Ha elhanyagolja a megfelelő HVAC-ellátást, az élettartam lerövidülhet.

Ezzel szemben egy geotermikus fűtési vagy hűtési rendszer 20-50 évig tarthat. Minimális karbantartás szükséges. A földhurkokat nem kell időszakonként ellenőrizni, és a rendszer hosszú ideig működhet. Ennek az az oka, hogy egy geotermikus rendszer nincs egész évben kitéve a durva hatásoknak. A hagyományos HVAC-rendszerek ki vannak téve a szélnek és a hőmérséklet-ingadozásoknak, valamint a levegőben lévő káros szennyező anyagoknak.

Geotermikus fűtési és hűtési rendszer megtakarítása

Elég a költségekről, beszéljünk a megtakarításokról! Jelenleg a geotermikus rendszerekkel felszerelt otthonok 30%-os szövetségi adójóváírásra jogosultak. Ezen túlmenően a legtöbb állam vagy villamosenergia-szolgáltató kedvezményeket vagy támogatásokat biztosít a geotermikus energiarendszereket használó otthonoknak. Ez jelentősen csökkentheti a geotermikus hőszivattyú költségeit is. Ha meg szeretné tudni, hogy jogosult-e az árengedményre, nyissa meg a Megújuló energiaforrások és a Hatékonyság állami ösztönzőinek adatbázisát.

Az Ön villany-közüzemi számlái is elszállnak. Becslések szerint az otthoni energiafelhasználás 42%-a fűtési igény. A geotermikus rendszerek használata 50%-kal csökkentheti ezt a felhasználást a helyszín sajátosságaitól függően. Ugyanez a helyzet az üvegházhatású kibocsátásokkal is.

A geotermikus fűtési és hűtési rendszerek átlagosan 20-25 éves élettartammal akár 75 000 dollár energiamegtakarítást is eredményezhetnek élettartamuk során. A kifizetési idő ennél jóval rövidebb, átlagosan 5-8 év. Mint látható, bár a geotermikus fűtési és hűtési költségek kezdetben magasak lehetnek, hosszabb távon megtérülnek.

Fontolóra kell vennie a geotermikus rendszereket?

Teljes mértékben igen. A geotermikus rendszerekkel elért energiamegtakarítás és kibocsátáscsökkentés vonzó ajánlattá teszi őket. Ha a geotermikus rendszerek nem is biztosítják a teljes csomagot, akkor is használhatók kiegészítő rendszerként.

A végső választás az Ön konkrét helyzetétől függ:ha új vagy régi házról van szó, akkor a szükséges fűtési és hűtési teljesítménytől és még sok mástól. A pénzügyeket is figyelembe kell venni. A geotermikus hőszivattyú költségei túl magasnak tűnhetnek. De mint mindig, a HVAC-rendszerek esetében mindenképpen konzultáljon tapasztalt szakemberrel, mielőtt készpénzt költene!