Приложения

Земята като източник на енергия и средство за съхранение

Сезонно съхранение на топлина със земни топлообменници

Земята като източник на енергия и средство за съхранение

Земното ядро е практически неизчерпаем изтоник на енергия. Загрято е до над 5000 градуса и се състои предимно от желязо и железни съединения, които са в течна фаза и създават електромагнитно поле около планетата, което ни пази от някои от опасните слънчеви лъчения. Топлината от ядрото се разпространява към земната мантия и повърхността на земята, като в различни области достига повече топлина, а в други по-малко - това определя температурния градиент на земята. Условно геотермалната енергия може да се раздели на високотемпературна (за производство на електричество и топлина) и нискотемпературна (за отопление и охлаждане). Обикновено нискотемпературната геотермия е плитка (до 200м дълбочина).

Земен топлообменник

Земните топлообменници представляват затворен тип сондажи, в които се спускат двойка или две двойки тръби, най-често полиетиленови тръби HDPE, които са свързани на дъното на сондажа и образуват скачени съдове. За разлика от сондажите с водочерпене, при този тип затворени системи няма напорно налягане, няма необходимост от заустване или реинжектиране, не се повлияват негативно залежите на подземни води и няма риск, породен от химичния състав на водата или от наличие на твърди частици. Такъв тип затворени сондажи могат да се изпълнят почти навсякъде, независимо от геологията на терена - скали, подземни води, глини, пясъци и т.н. След спускането на тръбите сондажите се запълват с тънколивна топлопроводна циментова смес, която запълва шупли и пукнатини в земята и подобрява топлообменна между работния флуид (най-често вода или вода с добавен пропилен гликол) и земните пластове. Заради липсата на обсадна тръба цената на подобни сондажи е много атрактивна и обикновено е около 50-60% от цената на сондажите за водочерпене.

Земносвързани термопомпи

До този момент в България и по света най-голямо приложение подобен тип топлообменници до 200м дълбочина (определени като "плитка геотермия") намират в областта на климатизацията на сгради и ОВК системи, свързани с термопомпи. Според необходимата мощност за сградата се планират определен брой сондажи с определена дълбочина и на разстояние от минимум 6-7м, за да се избегне влиянието помежду им. Оразмеряването на подобни системи изисква сериозно проучване и съгласуване с отговорен проектантски екип, но в практиката често се приема, че може да се разчита на ефективна топлообменна мощност от 40 до 60 W/m, което за обикновен сондаж с дълбочина 100м би осигурило между 4 и 6кВ отоплителна / охладителна мощност с относително добро ниво на регенерация (краткосрочно и сезонно). Все пак трябва да се отчете, че при експлоатация само в един режим (например за охлаждане на сгради), в частни случаи може да се стигне до топлинна сатурация на земните пластове - топлина, която по-трудно се разсейва.
За разлика от конвенционалните климатици или термопомпи въздух-вода, земносвързаните термопомпи имат почти постоянен режим на работа през целия сезон, не се влияят от външните температури, нямат външно тяло и съотвено не създават шум и нямат нужда от системи за размразяване (de frost). Нормалните коефициенти на преобразуване (COP), при които работят агрегатите в нискотемпературен режим на отопление (например с подово или стенно отопление) е между 5 и 6 за условията на България, като в определени случаи е възможно да се постигне и по-висока ефективност (например при дълбочини над 100м и наличие на голям температурен градиент за съответната локация). Не на последно място, земносвързаните термопомпи позволяват използването на земята за пасивно или активно охлаждане. При пасивното охлаждане не се налага включване на компресора на термопомпата и единствената енергия, която се консумира е за циркулацията на флуида през земята и сградната система (free cooling). Това е възможно, защото температурите на земята под 10м дълбочина обикновено се колебаят между 10 и 14 градуса и са благоприятни за директно приложение (или със смесител) в конвектори, охладителни тавани и т.н.

Сезонно съхранение на топлина със земни топлообменници

Земните топлообменници намират добро приложение и при подобен род системи, които се отличават по няколко ключови признака от земносвързаните термопомпи. Съхранението на топлина в земята изисква активно вкарване на топлина от топлоизточник (например слънчеви колектори, отпадна топлина и други), която постепенно стопля земните пластове в определен период от време (например през лятото от слънчевите инсталации) и която в последствие се изкарва от земята и се използва за други цели - например за отопление или битова гореща вода (БГВ).
Тези системи за съхранение (Borehole Thermal Energy Storage - BTES) не разчитат на температурния градиент при класическата геотермия и сондажите при тях обикновено са по-къси и по-гъсто разположени, за да се минимизират загубите към околните земни пластове - обикновено топлообменниците се редят в мрежа или кръг през около 2.5 до 3.5м. По този начин ефективно се стопля земята между тях, като според достигнатата температура могат да са нискотемпературни, среднотемпературни и високотемпературни. При средните и високите температури (например между 40 и 90 градуса) е наложително да се предвиди топлоизолация на повърхността на земята, за да се избегнат топлозагуби по посока на топлинния поток и към зоната, повлияна най-силно от атмосферните условия.
Според нивото на достигнатата температура, дълбочината на сондажите, капацитета на земята и вида отопление в сградата могат да се постигнат много високи нива на съхранение на енергия в 1м2 урбанизирана територия и на много атрактивни цени. Тази технология дава възможност на градовете да изградят собствена инфраструктура за съхранение на енергия, позволява ефективно балансиране на електрическите и топлофикационните мрежи и внедряването на много повече възобновяеми източници на енергия в енергийния микс.
*източник на снимките: https://topsectorenergie.nl/documents/988/Factsheet-HT-BTES.pdf

Page updated

Google Sites

Report abuse