datum: 21. januar 2010 avtor: Energetika

Uporaba geotermalne energije za ogrevanje in pripravo tople vode

Izkoriščanje geotermalne energije (toplote zemlje) kot vira energije, ki glede na količino virov izpolnjuje merilo trajnosti, pri izkoriščanju ne povečuje globalnega sevanja zaradi emisij CO2 in ga lahko zaradi tega prištevamo k obnovljivim virom energije.





Vnesi prispevek

V uredništvu Energija doma smo prepričani, da naši bralci in člani razpolagajo z obširnim znanjem in vedenjem o energetski učinkovitosti in obnovljivih virih energije. Vabimo vas, da delite svoje znanje, izkušnje in informacije z nami in pomagate tistim, ki iščejo prave informacije ali pa le zanimive članke. Vpišite svoje vsebine in soustvarjajte energijsko odgovorno skupnost!
vnesi prispevek

Toploto, ki je shranjena v zemljini notranjosti lahko izkoriščamo na več načinov. Tako razlikujemo med geotermalnim izkoriščanjem (vrelci vroče vode in pare), hlajenjem vročih kamenin in geotlačnim izkoriščanjem geotermalne energije. Možnosti uporabe geotermalne energije so različne. Koristimo jo lahko za proizvodnjo električne energije, ogrevanje (neposredno ali s toplotnimi črpalkami) ter v balneologiji.

Geotermalno energijo odvzemajo horizontalni ali vertikalni kolektorji iz suhih zemeljskih vrtin. Možen je tudi odvzem toplote iz podtalnice, ki jo prav tako s toplotnimi črpalkami izrabljamo za ogrevanje. Uporaba toplotnih črpalk se povečuje v vseh evropskih državah in tudi pri nas. Za takšno stanje obstajata dva bistvena razloga. Prvi je ta, da toplotne črpalke pomenijo učinkovito tehnologijo pri izrabi primarnih energetskih virov s prihranki približno 20 - 35 % v primerjavi z kotli na olje in plin. Drugi razlog je, da za razliko od oljnih in plinskih kotlov, toplotne črpalke ne ustvarjajo nikakršnih primarnih emisij, temveč le emisije v elektrarnah. Zato pomembno prispevajo k zmanjšanju emisij v gosto naseljenih področjih.

Geosonda – osnove načrtovanja

Sistem izrabe geotermalne energije z geosondo tvorita vrtina z vstavljeno geosondo in toplotna črpalka. Uporaba toplotne črpalke za ogrevanje omogoča tudi hlajenje prostorov in ogrevanje sanitarne vode. Za odvzem toplote kameninam za toplotne moči do nekaj 100 kW, lahko uporabimo vertikalne zemeljske kolektorje - geosonde. Vertikalni zemeljski kolektor je dejansko toplotni prenosnik sestavljen iz cevi in vstavljen v vrtino vertikalno. V kolektorju kroži medij, ki hladi okoliško kamenino. V notranjosti kamenin se medij segreje ter se po vzporedni cevi segret vrača na površje. Geosonde polagamo v zemljo v globino 30 do 100 m (največ 150 m), pri čemer se kot material uporablja PE (polietilen), ki zagotavlja dobro izmenjavo toplote in je odporen na tlak, vlago, glodalce in mikroorganizme. Vse votle prostore med cevmi in zemljo je potrebno zapolniti z dobro prevodnim materialom - suspenzijo vode in cementa (betonitom). Globina in premer sta odvisna od toplotnih potreb objekta in moči vgrajene toplotne črpalke.

V vrtino se najpogosteje vstavljajo sonde v dveh osnovnih izvedbah:
• dvojna U cevna sonda (skozi en krak vstopa ohlajeni delovni medij, skozi drugi krak se v toplotno črpalko vrača segret delovni medij),
• koaksialna cev, (notranja cev je iz PE, skozi njo teče hladni delovni medij, medtem ko je zunanja cev iz jekla in skozi njo teče segret delovni medij do toplotne črpalke).

V odvisnosti od kakovosti zemeljskih tal potrebujemo za 1 kW toplotne črpalke približno 15 - 20 m globoko izvrtino.

Pri vgradnji zemeljske sonde je potrebno upoštevati:
• najmanjša razdalja med izvrtinama: 5 do 6 m
• najmanjša oddaljenost od temeljev zgradbe: 2 m
• kakovost oziroma vrsto zemlje
• izbrati ustrezno mešanico delovnega medija glikol/voda,

Koliko toplote lahko dobimo iz različnih kamenin

Odvzem toplote na tekoči meter sonde oziroma globine tal je povprečno od 50 do 100 W/m. Če se nahajamo na vodnatem področju, so možne večje vrednosti. Količina vode in poroznost tal ima velik vpliv na toplotno prevodnost.

Odvzem toplote je sledeč:
• suha peščena tla: 20 W/m,
• vlažna peščena tla: 40 W/m,
• vlažna kamnita tla: 60 W/m,
• tla s podtalnico: 80 - 100 W/m.

Slika 3 prikazuje potek temperature zemlje v različnih globinah. Temperatura zemlje je na globini 15 m in več preko celega leta 10°C. Število in globina vrtin je odvisna od toplotne potrebe objekta in sestave tal. Zunanji premer vrtine je 126 mm. V vrtino se vgradijo štiri cevi PE 32 od katerih sta dve povezani z zanko. Ko so cevi vgrajene, se vrtina od spodaj navzgor preko injekcijske cevi napolni s betonitom (slika 1).

Slika 1: Vgradnja geosonde v globino

Povezavo do toplotne črpalke izvedemo na globini 0,8 m s PE cevmi. Če je potrebno izvesti več vrtin, cevi združimo v posebnem jašku in priključimo na zbiralni kolektor. Razdalja med posameznimi sondami mora znašati vsaj 5 m, da preprečimo medsebojni vpliv in zagotovimo regeneracijo zemljišča v poletnem času. Če vgrajujemo več sond, jih postavimo prečno na smer podzemnih tokov (slika 2).

Slika 2:Razmak med sondami

Izbira toplotne črpalke

Z uveljavitvijo novega Pravilnika o toplotni zaščiti in učinkoviti rabi energije (Ur.l.št. 42/2002) je predpisana največja letna raba energije za ogrevanje. Za stavbe to pomeni letno rabo med 60 in 80 kWh/m2. Nizkoenergijske hiše (NEH), porabijo za ogrevanje 20 - 55 kWh/m2a. Mednje prištevamo tudi tako imenovane 3 - litrske hiše, ki porabijo letno za ogrevanje manj kot 30 kWh/m2. Še manjšo letno rabo energije za ogrevanje imajo pasivne hiše (PH) in sicer manj kot 15 kWh/m2.

Pri približnem ugotavljanju ogrevalne moči toplotne črpalke na osnovi ogrevane površine upoštevamo naslednje vrednosti za specifične toplotne izgube:
• obstoječa hiša s primerno toplotno izolacijo 70 W/m2
• novogradnja z dobro toplotno izolacijo 50 W/m2
• nizkoenergijska hiša 40 W/m2
• pasivna hiša 10 W/m2

Raba geosonde za pripravo tople sanitarne vode

Upoštevati moramo sledeče:
• maksimalna poraba sanitarne vode je približno 50 litrov na osebo pri temperaturi 45°C. Za to potrebujemo dodatno toploto, ki znaša približno 0,25 kW po osebi,
• dodatno toploto moramo prišteti k ogrevalni moči, razen ogrevanja sanitarne vode ponoči, ker te toplote ne porabljamo za ogrevanje. Cirkulacijski vod moramo dobro izolirati, sicer se lahko dodatne potrebe po toploti povečajo tudi do 50 %.

Stroški vgradnje geosonde in prihranki energije in emisije CO2 za enodružinsko hišo

Naredimo primerjavo med sistemom geosonda in med najpogosteje uporabljenima viroma energije, to je zemeljski plin in kurilno olje. Za osnovo vzemimo enodružinsko hišo. Letna raba energije za ogrevanje je ocenjena na 60 kWh/m2. Energija, ki jo potrebujemo za ogrevanje objekta, ne glede na vir ogrevanja, je ocenjena na 18.000 kWh. Upoštevano je približno 1800 ur obratovanja kurilne naprave (izkoristek NT kotla na LKO je ocenjen na 85 %, stenskega plinskega kotla na 90 %). Če upoštevamo še pripravo sanitarne vode, za kar potrebujemo 0,2 kW po osebi, pomeni to vgradnjo toplotne črpalke z 11 kW toplotne moči. Električna moč takšne črpalke znaša 2,75 kW. Hladilna moč črpalke, ki je razlika med ogrevalno močjo in vloženo električno močjo, znaša 8,25 KW.

Pri toplotni črpalki upoštevamo 1800 ur obratovanja in grelno število 4. Pri električni moči toplotne črpalke 2,75 kW znaša poraba električne energije 4950 kWh. Toplotna moč črpalke znaša 11 kW in hladilna moč črpalke Qk = 8,25 kW. Potrebno število in globino sonde določimo iz enačbe Lsonde = Qk/qe = 825/55 = 150 m. Pri tem je upoštevan toplotni odvzem iz zemlje qe = 55 W/m. Odločimo se za dve »U« sondi na globini 75 m. Pri izračunu stroškov investicije (diagram na sliki 3) ni upoštevana montaža kurilnih naprav in izvedba ogrevalnega sistema. Ti stroški so pri vseh sistemih podobni in so odvisni predvsem od želja investitorja. Pri geosondi znaša cena izvedbe vrtin 50 €/m. Stroški za pridobitev rudarske dovoljenja in dokumentacije znašajo 1.200 €. Slaba stran ogrevanja z geosondo je vsekakor znatno višja investicija v primerjavi s klasičnim ali kompaktnim zemeljskim kolektorjem.

Stroški za gradbene ukrepe pri ogrevanju na LKO so sestavljeni iz stroškov za prostor kurilnice, rezervoarja za olje (notranja ali zunanja postavitev) in dimnika. K tem stroškom moramo v primeru ogrevanja na zemeljski plin prišteti še morebitne stroške za priključek. Omenjeni stroški so različni pri posameznih ogrevalnih sistemih, npr. pri ogrevanju s toplotno črpalko in zemeljskim plinom ne potrebujemo prostora za rezervoar, pri monovalentnem načinu obratovanja toplotne črpalke ne potrebujemo dimnika.

Za primerjavo stroškov ogrevanja smo uporabili naslednje cene energentov (na dan 25.3.2006):
• ELKO 0,60 €/l
• zemeljski plin 0,52 €/m3
• UNP 0,63 €/l
• električna energija 0,09 €/kWh

Primerjava je narejena za letne stroške ogrevanja z različnimi energenti, kar je prikazano v diagramu na sliki 3. Iz tabele je razvidno, da je najcenejše ogrevanje s toplotno črpalko. Ogrevanje s toplotno črpalko zmanjša emisije toplogrednih plinov, predvsem ogljikovega dioksida (CO2).

Upoštevani so bili sledeči parametri:
• emisije za ELKO - 2,6 kg CO2/l,
• zemeljski plin - 1,9 kg CO2 /m3,
• UNP - 1,5 kg CO2/l,
• emisije za električno energijo - 0,5 kg CO2/kWh.

Slika 3:Investicijski stroški, ogrevalni stroški in emisije CO2

Pri ogrevanju s sistemom geosonda imamo najnižji strošek ogrevanja, pa še škodljive izpuste v zrak zmanjšamo. Edina slabost sistema je višja začetna investicija za izgradnjo sistema. Vendar je možno pridobiti za sistem geosonda ugoden ekološki kredit in subvencijo države. Pri izračunu letnega stroška investicije za različen ogrevalni sistem, je potreben izračun stroškov za amortizacijo in stroškov za obresti. Stroški nakupa za ogrevalni sistem se razdelijo na amortizacijsko dobo in pričakovano življenjsko dobo. Letni stroški investicije so tako odvisni od višine stroškov nakupa, obrestne mere in življenjske dobe ogrevalnega sistema.
Pa poglejmo, kaj pomeni za zmanjševanje emisij CO2, če namesto kurilnega olja ali plina uporabimo obnovljivi vir energije za ogrevanje. Izhajali bomo iz podatkov o izdaji gradbenih dovoljenj v Sloveniji. Na leto se izda gradbenih dovoljenj za približno 800.000 m2 stanovanjske površine. Če računamo, da na m2 porabimo 90 kWh energije za ogrevanje, bomo potrebovali za ogrevanje teh objektov 72.000.000 kWh energije. Če bi to energijo pridobivali s kurilnim oljem, bi pri 80 % izkoristku kurilne naprave pomenilo to 9.000.000 l kurilnega olja, s čimer bi proizvedli 23.400.000 kg CO2. Če namesto kurilnega olja uporabimo obnovljivi vir (biomasa, geotermalna energija), zmanjšamo emisije vsaj za 75 %, kar pomeni 17.550.000 kg CO2 manj na leto.

Za vrtino za geosondo potrebujemo rudarsko dovoljenje

Za izvedbo vrtine je potrebno dovoljenje za izvajanje del (rudarsko dovoljenje). Da lahko vložimo vlogo za izdajo dovoljenja potrebujemo potrdilo o uporabi, geološko prognozo z energetskim izračunom, rudarski projekt in revizijo rudarskega projekta. Vgradnja sistema geosond ni direktno opredeljena v slovenski zakonodaji z definicijo in ustrezno obrazložitvijo. Po slovenski zakonodaji je Zakon o rudarstvu (Uradni list RS, št.56/99) v svojem 3. členu definiral geotermični energetski vir pod točko 14. Po Zakonu o rudarstvu štejejo med rudarska dela tudi vrtanje vrtin nad 30 m globine (4.člen, točka 4).V točko 6. navedenega člena sodijo prav tako vsa dela s področja vgradnje in injektiranje geosond. Geosonde se vgrajuje do sedaj v globino med 70 do 150 m. Iz tega sledi, da je vgradnja geosond rudarsko delo in je zato potrebno pridobiti rudarsko dovoljenje (50.člen in 51.člen) za izvajanje del. Rudarsko delo je sestavljeno iz vrtanja, vgradnje geosond in injektiranja stabilizacijskega materiala. Izdelavo kinet za povezavo geosond s toplotno črpalko štejemo med gradbena dela. Zakon o graditvi objektov (Uradni list RS 47/04) je v svojem podzakonskem aktu (Pravilnik o manj zahtevnih objektih Ur.l. 114/03 ) opredelil vgradnjo toplotnih črpalk z nazivno močjo do 50 kW med objekte, za katere ni potrebno pridobiti gradbenega dovoljenja. Za vgradnjo toplotnih črpalk močnejših od 50 kW pa je potrebno pridobiti ustrezno gradbeno dovoljenje. Če je že izdano gradbeno dovoljenje za posamezni objekt, pa je potrebno iskati ali ustrezno dopolnitev ali spremembo gradbenega dovoljenja. Zakon o varstvu okolja (Ur.l, RS 41/04) ne definira posebej rabe geotermičnega energetskega vira kot naravnega vira, za ostale naravne vire mora koristnik zaprositi za ustrezno dovoljenje (izraba energije podtalnice) ali si pridobiti ustrezno koncesijo.

Toplotna črpalka z zemeljskim kolektorjem koristi toploto zgornjih plasti zemlje

Zemeljski kolektor dimenzioniramo glede na hladilno moč toplotne črpalke. Kot vir toplote se koristi zemlja, v kateri je shranjena energija. Izkoriščamo samo gornji sloj zemlje, ki dobiva energijo preko sončnega sevanja in s padavinami. Toplotnega toka, ki prehaja iz globine zemlje na površino in znaša od 0,2 do 0,5 W/m2, ne moremo koristiti kot vir toplote. Toplotna prevodnost zemlje narašča z vsebnostjo vode v zemlji (suha tla so manj prevodna; čim večja je vsebnost vode, tem večja je zmožnost akumulacije toplote). Odvzem toplote je odvisen od toplotne prevodnosti zemlje (vrednosti za prevodnost znašajo l = 1 do 3 W/mK), gostote zemlje in specifične toplotne kapacitete zemlje.

Pri dimenzioniranju zemeljskega kolektorja moramo razpolagati s sledečimi podatki:
• sestavo zemlje (toplotna oddaja), možnost regeneracije površine (površina zemlje ne sme biti zazidana ali predvidena za zazidavo),
• temperaturno območje zemlje,
• delovno območje toplotne črpalke,
• razpoložljivost vira: vse leto ali omejitev vira (zaradi premajhne površine prostega zemljišča, preveč razgibanega terena ali nedostopnosti terena),
• način ogrevanja s toplotno črpalko: monovalentno/ bivalentno.

Na osnovi teh podatkov je potrebno dimenzionirati cevni razvod, izračunati delovne parametre obtočne črpalke (pretok, padec tlaka skozi kolektor) in izvesti določena zemeljska in gradbena dela.

Kolektor je potrebno napolniti z mešanico vode in glikola v razmerju 70/30. Polnimo ga s posebno pripravo in črpalko.

Kolektorje, kjer v ceveh kroži delovni medij delimo na:
• klasične talne (horizontalni) kolektorje
• kompaktne vertikalne in horizontalne kolektorje
• spiralne (»slinky« in »svec« izvedba)
• kolektorje v širokem kanalu

Delež toplote, ki naj jo pokrije toplotna črpalka, je odvisen od vira toplote in načina obratovanja. Da dosežemo čim boljše grelno število, naj bo temperatura predtoka čim nižja. Grelno število je višje, če ima vir toplote sorazmerno visoko temperaturo in če je temperatura ogrevanega medija (predtoka) nizka. Da to dosežemo, moramo uporabiti nizkotemperaturne ogrevalne sisteme (talno, stensko, stropno, toplozračno, konvektorsko). Najpogosteje vgrajujemo v zemljo horizontalni cevni prenosnik, ki ga položimo v eni ali več plasteh. V globino približno 1,2 do 1,8 m metra se položijo PE cevi, najpogosteje premera 25 in 32 mm v dolžini 100 metrov/zanko. Glede na moč toplotne črpalke določimo število zank, ki jih potrebujemo. Če nimamo dovolj prostora za položitev klasičnega horizontalnega kolektorja, lahko vgradimo t.i. kompaktni kolektor v zemeljski kanal. Pri vgradnji je potrebno upoštevati globino polaganja, razmike med cevmi, dolžine in dimenzije cevi, površino razpoložljivega zemljišča, način polaganja kolektorja ter polnjenje sistema z mešanico glikol/voda. Zaradi morebitne zmrzali, kolektorja ne vgradimo blizu nosilnih zidov, kanalizacije in vodovodnih cevi. Minimalni odmiki naj znašajo 1 m. V primeru, da se križata vodovodna in kanalizacijska cev, je potrebno cevi izolirati v dolžini enega metra na vsaki strani križanja. Položitev kolektorja pod potmi se izvede pravokotno na pot, kolektor pa zasuje z nekaj decimetrov debelo plastjo drobnega peska. Na plast peska položimo še dodatno izolacijsko ploščo odporno na vlago. Mesto položitve kolektorja naj bo na prostoru, s katerega ne odstranjujemo snega, saj sneg ščiti zemljo pred premočnim ohlajanjem. Dobro je vedeti tudi, da bo na tem območju vegetacija zamujala približno 3 tedne.

Ogrevanje in hlajenje nizkoenergijskih hiš s toplotno črpalko

Toplotne črpalke lahko uporabimo tudi za hlajenje. Razlikujemo med aktivnim in pasivnim - prostim hlajenjem. O aktivnem hlajenju govorimo, kadar toplotna črpalka deluje »reverzibilno«, pri čemer sta ogrevalni in hladilni sistem zajeta v eni napravi, kar je iz energijskega vidika gotovo najprimernejša rešitev. V poletnem času pri povišanih zunanjih temperaturah se toplotna črpalka lahko koristi za pasivno hlajenje. Takšno hlajenje je najcenejše, skoraj brezplačno, saj potrebujemo pogonsko energijo samo za obratovanje obtočne črpalke. Za hladilne elemente lahko uporabljamo poleg ventilatorskih konvektorjev tudi sistem talnega ogrevanja in stropno hlajenje (sistem tople betonske plošče).

Vrednosti za odvzem toplote pri hlajenju:
• iz globinske sonde cca 30 W/m,
• pri stenskem ogrevanju cca 50 W/m2,
• pri talnem ogrevanju cca 25 W/m2.

Pri pasivnem hlajenju koristimo razpoložljiv medij na nizkem temperaturnem nivoju (talna voda, zemlja), pri čemer toploto prenašamo preko toplotnega prenosnika na hladilno/ogrevalni sistem (kompresor toplotne črpalke ne deluje - je pasiven). Pri aktivnem hlajenju kompresor obratuje, medij v ohlajevalnem krogotoku se aktivno ohlaja. Nizkotemperaturne sisteme površinskega ogrevanja in hlajenja s toplotno črpalko vse več uporabljamo tudi za manjše individualne zgradbe. Cevno mrežo je najbolje dimenzionirati tako, da dosežemo približno enake upore v primarnem in sekundarnem delu, kar pomeni, da pri istih dimenzijah cevne mreže in približno enakih pretokih tople in hladne vode, tudi obtočna črpalka ustreza za zimski in letni režim obratovanja. Pomembno je, da površine za ogrevanje in hlajenje optimalno dimenzioniramo in pri tem upoštevamo toplotne in hidravlične razmere. Takšen sistem ogrevanja in hlajenja je iz vidika toplotno - hidravličnih razmer usklajen, kadar je toplotna obremenitev v zimskem režimu približno dvakrat večja od hladilne obremenitve v poletnem času, ter prav tako temperaturna razlika predtoka in povratka tople vode pri ogrevanju, približno dvakrat večja v primerjavi z razliko predtoka in povratka hladilne vode pri hlajenju.

Za prezračevanje in hlajenje prostorov se koristi toplotna črpalka in rekuperator toplote. Prostori v stanovanjskem objektu se prezračujejo in sočasno ogrevajo, pri čemer se koristi toplota izrabljenega zraka. Toplotna črpalka ima vgrajen še grelnik sanitarne vode. V poletnem času pa lahko preko zemeljskega kolektorja zrak tudi ohlajamo (naprava obratuje brez rekuperacije toplote).

Toplotna črpalka je primerna za nizkotemperaturno ogrevanje

Pri projektiranju ogrevanja je pomembno, da izberemo nizko temperaturni sistem, saj je grelno število toplotne črpalke toliko večje, kolikor je nižja temperatura, ki jo potrebujemo za ogrevanje. Pri hlajenju se moramo zavedati, da temperatura medija, ki ga uporabljamo za hlajenje, ne more biti nižja, kot je temperatura, ki jo dobimo iz zemlje. Tej temperaturi (običajno se giblje med 15 in 17°C) moramo prilagoditi sistem hlajenja. Najbolje je, če imamo talno, stensko ali stropno ogrevanje, saj lahko isti sistem uporabimo za gretje in hlajenje.

Avtor: Bojan Grobovšek