Ce sunt pompele de caldura geotermale sau sol apa?

Pompele de caldura geotermale sau sol apa extrag energia gratuita stocata in sol prin diferite metode.

Practic pompele de caldura geotermale sau sol apa au aceeasi unitate interna, diferenta dintre ele fiind tipul de colector folosit.

Pompele de caldura apa apa sunt identice cu cele sol apa dar apa din panza freatica este introdusa direct in pompa de caldura si aceast tip de pompa de caldura va fi tratat separat intr-un alt articol detaliat despre pompele apa apa.

In categoria pompe de caldura  sol apa sau geotermale pot intra toate variatiile de pompa de caldura existente pana in momentul de fata care extrag energia din sol.

Unitatea in care este inclus condensatorul si compresorul pompei de caldura geotermale plus electronica este acceasi dar evaporatorul poate fi conectat in diferite moduri in functie de sursa gratuita, de unde isi va lua si denumirea.

Au fost create mai multe modele de colectori printre care colector vertical de adancime, foraje orizontale, foraje orizontale cu microcanale sau sisteme de colectare din apa de rau sau lac.

Exista sisteme de colectori care pot recupera o parte din caldura apei de canalizare, foraje de adancime mica in care se pun probe de tip helix sau asa numitele cosuri de caldura.

Exista si cateva variante de pompa de caldura unde evaporatorul este inlocuit de foraje executate direct cu teava de cupru si refrigerantul este injectat in sol aceasta categorie de pompa de caldura cu evaporare directa se va trata in articol separat.

Care sunt datele necesare pentru a dimensiona o pompa de caldura geotermala?

Daca vrei sa obtii un randament ridicat trebuie sa ai un calcul de necesar termic cat mai exact al casei tale.

Si nu genul ala de calcul acoperitor 35 de kW pentru o casa de 150 de metri patrati.

In momentul in care utilizezi o pompa de caldura trebuie sa te obisnuiesti cu ideea ca ar fi bine sa o sub dimenisonezi, pentru ca in HVAC mai mare nu inseamna niciodata mai bine.

De ce se intampla acest lucru?

Explicatia este simpla, sezonul de incalzire are aproximativ 2000 – 2500 de ore de incalzire iar situatiile extreme le intalnim doar in aproximativ 3 % din timpul total de incalzire. Adica 75 de ore pe an suntem in zona -20 de grade temperatura exterioara.

Toate pompele de caldura din gama de putere mica sunt dotate cu compresoare rotative sau scroll, indiferent de producator, curba lor de eficienta maxima este pe la 75 % incarcare.

Unele pompe de caldura, in special cele geotermale, sunt echipate cu compresoare de tip on/off iar pompele de caldura cu compresoare cu inverter chiar daca au invertor si isi reduc turatia tot nu vor fi la fel de eficiente ca atunci cand sunt incarcate la 75 %.

Daca o sa avem un compresor mult prea mare o sa intre intr-un regim de functionare ciclic start/stop ineficient, acesta fiind si modul de functionare cel mai daunator pentru compresor.

Poti citi despre evolutia capacitati in articolul acesta despre pompe de caldura aer apa.

Compresorul la start consuma mai mult curent si dureaza cel putin 120 de secunde pana intra in regim de operare.

Compresoarele pompelor de caldura sunt limitate in general la 3 start/stopuri pe ora pentru protectia lor.

Acum imagineazati ca temperatura de operare este de 35 de grade intr-o incalzire in pardoseala mai mare, unde sa spunem ca ai putea avea 200 de litri de apa iar compresorul se opreste pentru ca a depasit zona de set-point.

Temperatura din pardoseala va scadea destul de rapid la temperatura din incinta, sa spunem 24 de grade.

Pentru a incalzi incinta pompa de caldura trebuie sa ajunga dinou la temperatura de operare dupa care va furniza efectiv incalzire in incinta.

Deci trebuie sa reincalzim 200 de litri de apa de la 24 de grade la 35 folosind clasica formula P = Q*1,16*dT  rezulta 2,5 kW termici / COP-ul pompei de 3 sa spunem, rezulta ca avem un consum inutil de 830 de W pentru fiecare pornire a pompei de caldura.

Daca avem 10 start stopuri pe zi asta inseamna 8,3 kW pe zi x 30 de zile = 249 de kW pe luna = 136 de lei cheltuiti inutil numai pentru intrarea in regimul de operare al pompei de caldura si sistemul de incalzire in pardoseala.

Din motivul mentionat mai sus recomand ca sistemele de incalzire in pardoseala sa fie operate permanent indiferent de sursa de caldura.

Revenind la calculul de dimensionare al pompei de caldura avem nevoie de urmatorii parametrii:

Puterea totala de incalzire

Puterea de incalzire a cladirii in functie de calculul sarcinii de incalzire

 Cererea de incalzire a apei calde menajere (estimată: 0,25 kW / persoana)

Cerere pentru utilizare specială (de exemplu, piscină, jacuzzi etc.)

Temperatura de ieșire a sistemului de distribuție (max 55 ° C pe tur)

Pentru sistemele de pompa de caldura aer apa practic alegem pompa de caldura la puterea totala de incalzire, la fel procedam si pentru pompele de caldura sol apa sau apa apa.

Numai ca pentru cele de tip sol apa trebuie sa trecem mai departe la dimenisonarea colectorilor geotermali.

Cum dimenionam colectorii geotermali orizontali?

Colectori geotermali sunt formati din mai multe tevi de aceeasi lungime ingropate in sol la  o adancime de 1,2 -1,5 metri cu o dinstanta intre tevi de aproximativ 80 de cm.

Tevile sunt conectate  in sistem Tichelmann, ideea acestui montaj este de a avea circulatie egala pe fiecare circuit in parte. Exista evident si distribuitoare cu debitmetre pentru aceasta aplicatie.

Terenul nu trebuie sa fie acoperit de costructii.

Acum pe noi ne intereseaza rata de extractie a solului pentru a vedea care este lungimea si suprafata necesara a circuitelor colectorilor.

In dimensionarea colectorilor geotermali depindem foarte mult de tipul de sol unde urmeaza sa facem instalatia, rata de extractie fiind un element foarte important.

Astfel avem:

Sol uscat non coeziv rata de extractie pentru 1800 h/an este de 10 W pe mentru patrat iar pentru 2400 de h/an rata de extractie este de 8 W pe mentru patrat pentru colectori asezati la o distanta unul fata de celalalt de 1 m si adancimea de 1,2 – 1,5 m.

Sol umed, coeziv rata de extractie pentru 1800 h/an este de 10 -30 W pe mentru patrat iar pentru 2400 de h/an rata de extractie este de 16 – 24 W pe mentru patrat pentru colectori asezati la o distanta unul fata de celalalt de 0.8 m si adancimea de 1,2 – 1,5 m.

Sol nisipos saturat cu apa rata de extractie pentru 1800 h/an este de 40 W pe mentru patrat iar pentru 2400 de h/an rata de extractie este de 32 W pe mentru patrat pentru colectori asezati la o distanta unul fata de celalalt de 0.5 m si adancimea de 1,2 – 1,5 m.

Practic daca avem nevoie sa dimenisonam un colector de 7 kW  pe un sol cu rata de extractie de 25 de W pe metru patrat vom avea : 7000 W / 25 W = 280 de metri patrati va fi aria minima a colectorilor geotermali orizontali.

Pentru a afla lungimea minima de teava vom imparti suprafata la distanta recomandata dintre colectori 280 mp/ 0,8 = 350 metri liniari de teava pentru colectori.

In aceasta situatia vom utiliza teava de tip PE-PN10 cu dimensiunea de 32 x 2,9, unde lungimea recomandata de circuit este de 100 de metri, deci o sa avem 4 colectori a cate 100 de metri fiecare.

Avantajul colectorilor orizontali este faptul ca au costuri mult mai reduse de implementare fata de cele verticale.

 

Cum dimenionam sondele geotermale sau forajele verticale?

Forajele verticale pot fi implementate cu ajutorul sondelor de tip coaxial, de tip U sau dublu U.

 

 

Acestea sunt tot niste tevi de PE introduse in sol, numai ca rata de extractie pentru un foraj vetical este mult mai mare, ea variaza intre 20 W/m si 180 W/m.

Putem considera o valoare standard de proiectare de 50 W pe metru liniar de foraj.

Un foraj uzual are intre 30 si 100 de metri lungime dar exista si variante de foraje mult mai adanci.

Distanta dintre foraje trebuie sa fie de minim 6 metri.

Calculul este similar ca cel de mai sus, daca avem nevoie sa dimenisonam un colector de 7 kW  pe un sol cu rata de extractie de 50 de W pe metru liniar vom avea : 7000 W / 50 W = 140 de metri va fi lungimea minima a sondelor geotermale.

In acest caz putem face doua foraje cu sonde la lungimea de 100 de metri fiecare.

Avantajul colectorilor cu sonda geotermala este ca, spatiul ocupat, este foarte mic si au rate de extractie mult mai ridicate.

Dezavantajul major este pretul acestui tip de foraj, aproximativ 30  de eur/ml.

 

Cum se dimensioneaza cosurile de energie?

 

Evident ca si pentru cosurile de energie sau forajele de tip helix rata de extractie depinde de tipul de sol. In zona acestui tip de solutie sunt foarte multi producatori care propun diverse variante, incepand de la o simpla teava PE-Xa infasurata in sol pana la variante foarte complexe.

Forajele de tip helix se instaleaza la o adancime maxima de 12 m si la o distanta unul fata de celalalt de aproximativ de 4 metri. Nu au o rata de extractie foarte mare.

Ratele de extractie difera in functie de design dar ca aproximatie putem sa luam in calcul urmatoarele variante:

Sol uscat nisipos aproximativ  350 – 400  W/proba

Sol umed   =  450 – 600  W/proba

Sol saturat cu apa lutos =  700 – 1000  W/proba

Acestea sunt ratele de extractie pentru niste foraje cu inaltimea de 3 metri si instalate la o distanta de 4 metri unul fata de celalalt cu o lungime de teava de 60 de metri.

 

Putem afla care este rata de extractie a solului din curtea noastra?

 

Este relativ raspunsul la aceasta intrebare, chiar daca noi avem un studiu geo putem sa avem suprize neplacute.

Structura solului poate fi foarte diferita mai ales ca vorbim de suprafete mari sau lungimi destul de mari de foraje.

Pentru a determina rata de extractie trebuie sa aflam raspusul termic al solului din locatia respectiva. Pentru acest lucru tot trebuie executat cel putin un foraj identic cu cele propuse, in care sa introducem apa incalzita si sa monitorizam evolutia temperaturilor din foraj.

In instalatiile de uz caznic devine inutila aceasta procedura, deci se vor efectua forajele pe baza unor calcule acoperitoare si a unor circuite cu lungimi generoase.

Ce se intampla daca forajul nu asigura rata de extractie necesara pentru pompa de caldura sol apa?

 

Daca forajul nu asigura rata de extractie agentul termic cu glicol din colectori, temperatura acestiua va cobori pana cand pompa de caldura va iesi din domeniul de operare si se va opri. Evident ca aceasta scadere de temperatura reduce si eficienta sistemului.

In acest grafic putem observa cum temperatura din puturi coboara mai rapid pentru forajele sub dimensionate. De asemenea trebuie sa stim ca o data cu trecerea timpului solul se raceste si ar fi bine sa-l regeneram anual folosind sistemul de racire pasiva sau sa injectam energie de la panourile solare.