Обогрев и охлаждение посредством геотермальной энергии
Тепло земли – это накопленная в форме тепла энергия, которая находится под твердым слоем поверхности земли. Использование тепла земли приобретает все возрастающее значение. При этом используется первичная энергия из практически неисчерпаемого и при этом квази регенеративного источника энергии. Расположенная близко от поверхности земли геотермия доходит до 400 м в глубину и использует имеющийся в почве диапазон температур от 8 до 250 С. Техническое использование этого в течение года равномерного уровня температуры в почве – интересная возможность использования регенеративной энергии. Почва в своем верхнем слое дополнительно нагревается при помощи солнечных лучей и обнаруживает при этом сезонные колебания температуры. Поэтому минимальная технически пригодная глубина закладывания горизонтальных земляных теплообменников или грунтовых зондов – 1,5 м. На этой глубине температура почвы в Германии колеблется между 80С и 120С. На глубине 10 м влияние солнечных лучей и сезонные колебания температуры на поверхности не играют больше никакой роли. Здесь равномерная температура почвы поддерживается за счет горячего ядра Земли. Земная кора представляет собой толстый изоляционный слой, который защищает горячее ядро Земли от остывания.
Вертикальные грунтовые соляные зонды
Вертикальный грунтовый зонд состоит из водоносных пластиковых трубок с идущим вниз шлангом, из отвода и ведущего наверх шланга. Чем глубже вниз проведен этот шланг, тем большую температуру почвы может принять поток воды. Эта нагретая вода служит теплонасосу поставщиком энергии для нагревания и охлаждающим плоскостям в доме – для охлаждения. При установке грунтовых зондов необходимо изначально согласовать с соответствующими инстанциями использование регенеративной геотермальной энергии в плане возможности законного использования таких общественных ресурсов, как грунтовые воды и запасы питьевой воды. В Баден-Вюттембергу принята для этого упрощенная разрешительная процедура. В гидрогеологически благоприятных районах необходимо отдельно сообщать о грунтовых зондах.
Выполнение работ следует поручать только лицензированным буровым компаниям, которые зарекомендовали себя, как хорошие специалисты. Диаметр буровой скважины выбирается таким образом, чтобы после установки зонда площадь поперечного сечения в цементной суспензии біла на 65% больше, чем площадь поперечного сечения буровой скважины. Нижняя граница площади поперечного сечения скважины грунтового нагревательного зонда составляет 120 мм для стандартного двойного подземного зонда DN 32. После установки зонда кольцевой зазор пробуренного отверстия необходимо полностью задавить цементной суспензией, начиная от основания зонда, снизу вверх. На практике рациональнее всего нанимать для бурения компанию, занимающуюся также инженерным оборудованием здания, чтобы была одна компания, несущая полную ответственность за весь цикл работ: бурение, монтаж зондов, теплового насоса, теплообменника, нагревательных и охлаждающих плоскостей, установку систем распределения и регулирования. Технически правильный расчет параметров системы обогрева и охлаждения дает точное представление о том, как глубоко необходимо проводить бурение и сколько необходимо зондов.
Горизонтальный воздушно-грунтовой теплообменник
Воздушно-грунтовой теплообменник представляет собой вентиляционную систему с предварительно подключенным подземным всасывающим каналом, который нагревает или охлаждает атмосферный воздух. Эта энергия земли используется для защититы вентиляционной системы от промерзания зимой, а также для охлаждения атмосферного воздуха летом. Трубы необходимо прокладывать под наклоном и на голубине минимум 1,5 м. Для дома на одну семью необходимо предусмотреть минимум 30 м в длину при диаметре трубы 300. Это означает необходимость проведения дополнительных земляных работ, наличие большой площади и равномерного наклона, необходимого для стока конденсата. Функция охлаждения летом проявляется только в случае, если все окна в доме остаються закрытыми, а циркуляции воздуха происходит исключительно через систему вентиляции, что на практике мало вероятно. Охлаждающая способность воздушно-грунтового теплообменника в таком случае ограничена и охлаждение в доме едва ли будет больше одного-двух градусов.
Экономное отопление зимой, приятная прохлада летом:
темперирование бетонной сердцевины
Горизонтальный соляно-грунтовой теплообменник
Грунтовой теплообменник на основе соляного раствора состоит из водоносных пластиковых трубок, где соляной раствор действует в качестве теплоносителя. Такой теплообменник должен быть в четыре раза длиннее, чем воздушно-грунтовой. Соляной раствор отдает свое тепло/холод через теплообменник в вентиляционную систему. Система трубок для соляного раствора прокладывается в различных положениях вокруг дома. Равномерный наклон здесь не так важен, как при использовании воздушно-грунтовго теплообменника, однако должна быть обеспечена возможность вентилирования трубок. То есть, в ситуации, когда целесообразно сократить земляные работы, или в случае если в области закладки теплообменника есть грунтовые воды, этот вариант теплообменника может быть более подходящим.
Грунтовой зонд с тепловым насосом
В настоящее время наиболее удачным вариантом генерирования тепла невысокой температуры является грунтовой зонд в сочетании с тепловым насосом. Тепловой насос вместе с зондом грунтового тепла вырабатывают из одного киловатта тока в час до четырех киловатт полезного тепла в час. Такое соотношение 1:4 является оптимальной предпосылкой экономичности здания. Выработка тока в Германии экологически небезопасна. При производстве, преобразовании и транспортировке электричества расходуется почти 3 кВт первичной энергии на производство 1 кВт напряжения, выходящего из наших розеток. Применяя это соотношение к тепловому насосу с использованием геотермии получаем 3:4, т.е. на производство 4 кВт тепла расходуется 3 кВт первичной энергии. Исходя из этого очевидно, что применение системы электрического теплового насоса с использованием геотермии имеет смысл только при наличии оптимальных предпосылок. Ведь если нарушается соотношение 3:4, то количество полученной регенеративной энергии сокращается до нуля, и тогда с таким же успехом мы могли бы сжигать каменный голь, природный газ или нефть для получения тепла.
Нужно учесть, что в менее экономных зданиях и при плохо рассчитанной системе инженерных комуникаций без комплексного учета и согласования между собой особенностей использования каждого вида техники, такая энергоэкономная система может обратиться в свою противоположность, и функционировать как чрезвычайно невыгодное и неэффективное электрическое отопление. Потому решающим фактором при установке такой системы является изначальный выбор опытной фирмы-специалиста, которая бы провела комплекс взаимосвязанных мероприятий по планированию, размещению, интегрированию в здание, запуск в работу и проверку правильного функционирования всей системы инженерного оборудования здания. Планирование слишком большой системы так же неэффективно, как и неправильно подобранная модель, не сочетающаяся с остальным инженерным оборудованием здания. Не в последнюю очередь важно также уточнение данных производителя по каждому виду техники и их перепроверка собственными измерениями.
Грунтовой зонд и тепловой насос в административном здании
Грунтовой зонд, тепловой насос и система панельного отопления/охлаждения в жилом доме
Грунтовой зонд наиболее эффективно комбинируется с отопительной системой низких температур. При использовании этой системы необходимы достаточно большие поверхности для передачи тепла (или наоборот – холода), как, например, секции в системе панельного отпления / охлаждения. Такие поверхности имеют обычно один недостаток – они инертны, что, к счастью, в пассивном доме, не имеет значения, поскольку пассивный дом также реагирует инертно. Обе системы – пассивный дом и панельное отопление / охлаждение совместимы друг с другом. Водные шланги в напольном покрытии имеют ограниченную производительность. Они отдают свою энергию, главным образом, по направлению вверх, поскольку снизу они термически защищены изоляцией. В качестве охлаждающей поверхности, напольные секции менее удачны по сравнению с секциями в области потолка, поскольку холодный воздух будет оставаться внизу. А при нагревании помещения тепло беспрепятственно может подниматься вверх. Так как в жилых домах потребность в отоплении обычно доминирует над потребностью в охлаждении, то не столь важно, что мощность охлаждения будет не такой высокой, как теплопроизводительность.
Охлаждение может осуществляться непосредственно при помощи воды из грунтового зонда, имеющей температуру 100С, путем нагнетания этой воды через трубки напольных секций. Отопление же происходит посредством воды, нагретой грунтовым зондом и тепловым насосом.
Комбинация систем грунтовой зонд – тепловой насос – напольное секционное отопление / охлаждение в комплексе представляют собой комфортную систему отопления и охлаждения пассивного дома. При помощи дополнительной регулировки можно также устанавливать различную температуру в каждом помещении. Однако, это врядли необходимо, поскольку в инертном пассивном доме везде равномерно устанавливается необходимая температура. Система вентиляции в таком случае не выполняет функций отопления и охлаждения, а только обеспечивает необходимый обмен свежеговоздуха. Таким образом, воздухообмен сводится к минимуму, а приточный воздух не должен донагреваться до 200С.
По сравнению с минимально-необходимой для пассивного дома системой «компактный агрегат с воздушным обогревом» здесь мы имеем дополнительные расходы на грунтовой зонд, напольное секционное отопление / охлаждение и регистр охлаждения. С другой стороны мы экономим на грунтовом теплообменнике. Холодный атмосферный воздух нагревается напрямую до 20ºС комбинацией систем грунтовой зонд–тепловой насос.
Информацию подготовил
Штефан Олер, инженер, архитектор, проектировщик пассивных домов,
аудитор DGNB
Ул. Меланхтхон. 10 75015 Бреттен
oehler@archkom.de моб.: (+49) 0172 – 76 50 131 тел.: (+49) 07252 – 95 76 26
Олер Архком Солар Архитектур