Геотермална енергия

1. Геотермална енергия в сгради

Съхранената в земята топлина се нарича геотермална енергия и може да се използва по много начини. Разграничават се геотермална експлоатация (източници на гореща вода и пара), охлаждане на горещите слоеве на земята и експлоатация на енергията. Енергията, получена по тези методи, може да се използва за производство на електроенергия, отопление (директно или с термопомпи) и в балнеологията (това е набор от лечебни и рехабилитационни методи с помощта на термални и минерални и акратотермални води, кал и бани).

1.1. Геотермална енергия за термопомпи

Геотермалната енергия е източникът, използван от термопомпите. Използването на термопомпи се увеличава във всички европейски страни, включително и у нас. Има две основни причини за такава ситуация. Първият е, че термопомпите осигуряват енергия чрез ефективно използване на първичните източници с икономии между 30-70 % в сравнение с котлите, работещи с нафта и газ. Друга причина е, че термопомпите, за разлика от котлите с нафта и газ, не създават никакви първични емисии, като по този начин допринасят значително за намаляването на вредните вещества в гъсто населените райони.

2. Геосонда

2.1 Геотермална енергия и геосонда

Има няколко системи за използване на геотермална енергия, но най-често срещаната е тази с геосонда или вертикален колектор, който се състои от кладенец с геосонда и термопомпа. Използването на термопомпа за отопление позволява както охлаждане на помещението, така и затопляне на санитарна вода. Вертикалните колектори обикновено се монтират за термопомпи до 100 kW за извличане на топлина от почвата и скалните слоеве. Вертикалният колектор, всъщност, е топлообменник, който се състои от тръби и се поставя в кладенец в изправено положение. В колектора циркулира среда, която охлажда околните слоеве земя и скали. Вътре в тези слоеве средата се нагрява и се връща на повърхността през успоредни тръби.

2.2. Как се монтира геосондата

Геосондите се поставят в земята на дълбочина от 30 до 150 m, а понякога и до 300 m, но тогава напречното сечение на тръбата на геосондата е по-голямо от 32 mm (40 mm) и тръбите трябва да бъдат изработени от полиетилен ( PE), който осигурява добър топлообмен и е устойчив на натиск, влага, вредители и микроорганизми. Всички кухи пространства между тръбата и земята трябва да бъдат запълнени с високопроводим материал, суспензия от вода и цимент (бентонит). Дълбочината и диаметърът на една или повече геосонди зависят от нуждите от отопление на сградата и мощността на инсталираната термопомпа. Сондите най-често се спускат в кладенци в две основни версии:

• като двойна U-тръбна сонда (охладената работна среда влиза през единия клон, нагрятата работна среда се връща към термопомпата през другия) и
• като коаксиална тръба (вътрешната тръба е направена от PE и през нея протича студената работна среда, докато външната тръба е изработена от стомана и през нея нагрятата работна среда тече към термопомпата).

2.3. Основни характеристики и монтаж на геосондата

Геосондите не заемат много място, а температурата на източника е висока през цялата година, така че е възможно и директно охлаждане. В зависимост от качеството на почвата, за термопомпа 1 kW е необходим кладенец с дълбочина 10-20 m. Минималното разстояние между кладенците трябва да бъде 5-6 m, а минималното разстояние от основата на сградата трябва да бъде 2 m. Винаги трябва да се има предвид качеството или вида на почвата, тъй като дълбочината на кладенеца зависи от тези фактори.

3. Геотермална енергия от земните пластове

В зависимост от свойствата на почвата, топлинният приток на метър дължина е средно 50-100W/m от дължината на сондата, тоест дълбочината на кладенеца. Когато почвата е пореста, са възможни по-високи стойности. Количеството вода и порьозността на почвата оказват голямо влияние върху топлопроводимостта; средните добиване на топлина са:

• суха песъчлива почва: 20W/m,
• влажна песъчлива почва: 40 W/m,
• влажна камениста почва: 60 ​​W/m,
• почва с подпочвени води: 80-100 W/m.

Температурата на почвата на дълбочина 15 m е постоянна около 10°C и приблизително на всеки 33 m дълбочина се повишава с 1°C.

4. Геотермална енергия за термопомпи

Използването на термопомпа е най-екологичният и широко разпространен начин за получаване на геотермална енергия за отопление или охлаждане, тъй като няма отрицателни ефекти върху околната среда. Такава отоплителна система пренася топлина от земята и в земята с минимален разход на енергия, не замърсява околната среда и е една от най-ефективните системи за отопление и охлаждане. Геотермалната система предава слънчева и земна енергия в сградата чрез система от тръби, поставени в земята. Геотермалните термопомпи може да се използват за температури на отопление от 5°C и по-високи. Когато става въпрос за отоплителна система с термопомпа, най-малко 75 % от енергията се използва за отопление на помещенията и санитарната вода от топлоизточника, към който е свързана термопомпата. С източник на топлина и 25 % електричество, термопомпата произвежда 100 % енергия за отопление.

4.1. Мощност на термопомпата

Наредба № Е-РД-04-2 от 16 декември 2022 г. за обследване за енергийна ефективност, сертифициране и оценка на енергийните спестявания на сгради ("Държавен вестник на РБ", бр. 92/2022 и бл. 3/2023 - др. закони), разписва условията, съдържанието и начин за издаване на сертификати за енергийни характеристики на сгради. Сертификатът по ал.1 на този член е документ, който съдържа изчислени стойности на потреблението на енергия за определена категория сгради, енергиен клас и препоръки за подобряване на енергийните свойства на сградите. За еднофамилни къщи, в диапазона от енергийни класове A+ до G, той е от ≤12 до >188 QH.nd [(kWh/m2a)], докато за жилищни сгради, също в диапазона от енергийни класове A+ до G, тя е от ≤10 до >175 QH.nd [(kWh/m2a)].

При определяне на мощността на термопомпата въз основа на нагрятата повърхност се вземат предвид следните стойности на специфичните топлинни загуби:

• съществуваща къща с подходяща топлоизолация от 70 W/m²,
• ново строителство с добра топлоизолация 50 W/m²,
• нискоенергийна къща 40 W/m² и
• пасивна къща 10 W/m².

4.2. Система земя-вода (геосонда)

Геосондата е затворен тип геотермален кладенец, чрез който се използва енергия. Там, където няма достатъчно подпочвени води, се монтира система земя-вода. В този случай се пробиват един или повече кладенци на дълбочина от 80 до 150 m, в които се поставят 4 тръби, две от които са свързани в U-контур. Термопомпите земя-вода използват слънчева енергия, съхранявана в земята, която може да се използва с помощта на термопомпа за отопление на къщата или вода за битови нужди. За получаване на топлина се използва вертикална геосонда или хоризонтален колектор. Вода или среда, към която е добавен антифриз, циркулира в затворена тръбна система. Водата или средата в тръбите предава топлината към термопомпата, която използва допълнителен ток, за да я загрее допълнително (до 65°C), и я връща охладена с около 5°C.

4.3 Система вода-вода (кладенец)

Това е открит тип сондаж или геотермален кладенец и най-ефективната система за използване на възобновяеми енергийни източници с помощта на термопомпа. Термопомпата вода-вода е подходяща за отопление на жилищни и търговски сгради и за подгряване на вода за битови нужди. Подземните води се използват като източник на топлина. Процесът протича така, че подпочвените води се изпомпват от първия (експлоатационния) кладенец към термопомпата чрез потопяемата помпа, където се охлаждат с около 5°C, след което се връщат във втория, т.нар. връщателен (поглъщателен) кладенец. Разстоянието между единия и другия кладенец е минимум 12 m, като е много важно как са ориентирани, предвид посоката на оттичане на подпочвените води. Подпочвените води имат средна, постоянна температура 12°C, независимо от времето или външната температура.