Energia geotermalna

1. Energia geotermalna w budynkach

Ciepło zmagazynowane wewnątrz ziemi nazywane jest energią geotermalną i może być wykorzystywane na wiele sposobów. Wyróżnia się eksploatację geotermalną (źródła gorącej wody i pary wodnej), chłodzenie gorących warstw ziemi oraz eksploatację energetyczną. Energia uzyskana tymi metodami może być wykorzystana do wytwarzania energii elektrycznej, ogrzewania (bezpośrednio lub za pomocą pomp ciepła) oraz w balneologii (jest to zestaw metod leczniczych i rehabilitacyjnych z wykorzystaniem wód termalnych, mineralnych i akratotermalnych, borowinowych i kąpieli).

1.1. Energia geotermalna dla pomp ciepła

Energia geotermalna jest źródłem wykorzystywanym przez pompy ciepła. Zastosowanie pomp ciepła wzrasta we wszystkich krajach europejskich i również w naszym kraju. Istnieją dwie główne przyczyny takiej sytuacji. Po pierwsze, pompy ciepła dostarczają energię dzięki efektywnemu wykorzystaniu źródeł pierwotnych z oszczędnościami rzędu 30-70% w porównaniu z kotłami olejowymi i gazowymi. Innym powodem jest to, że pompy ciepła, w przeciwieństwie do kotłów olejowych i gazowych, nie powodują żadnych emisji pierwotnych, co znacznie przyczynia się do redukcji szkodliwych substancji na obszarach gęsto zaludnionych.

2. Geosonda

2.1 Energia geotermalna i geosonda

Istnieje kilka systemów wykorzystania energii geotermalnej, ale najczęściej spotykany jest ten z geosondą lub kolektorem pionowym. System składa się z odwiertu z geosondą i pompą ciepła. Zastosowanie pompy ciepła do ogrzewania umożliwia i chłodzenie pomieszczeń i podgrzewanie wody użytkowej. W celu pozyskiwania ciepła z warstw gruntu i skał, w pompach ciepła o mocy do 100 kW instalowane są kolektory pionowe. Kolektor pionowy to tak naprawdę wymiennik ciepła, który składa się z rur i jest umieszczony w studni w pozycji pionowej. W kolektorze krąży medium chłodzące otaczające warstwy ziemi i skał. Wewnątrz tych warstw medium jest podgrzewane i zawracane na powierzchnię przez równoległe rury.

2.2. Jak instaluje się geosonda?

Geosondy umieszcza się w gruncie na głębokości od 30 do 150 m, a czasem nawet do 300 m, ale wtedy przekrój rury geosondy jest większy niż 32 mm (40 mm) i rury muszą być wykonane z polietylenu ( PE), który zapewnia dobrą wymianę ciepła i jest odporny na nacisk, wilgoć, szkodniki i mikroorganizmy. Wszystkie puste przestrzenie między rurą a gruntem należy wypełnić materiałem o dużej przewodności, zawiesiną wody i cementu (bentonit). Głębokość i średnica jednej lub kilku geosond zależy od potrzeb grzewczych budynku oraz mocy zainstalowanej pompy ciepła. Sondy najczęściej wprowadzane są do studzienek w dwóch podstawowych wersjach:

•  - jako podwójna sonda U-rurkowa (schłodzony czynnik roboczy wchodzi jedną stroną, a ogrzany czynnik roboczy wraca do pompy ciepła drugą stroną) oraz
•  - jako rura współosiowa (rura wewnętrzna wykonana jest z PE i przepływa przez nią zimny czynnik roboczy, natomiast rura zewnętrzna jest wykonana ze stali i przez nią do pompy ciepła przepływa ogrzany czynnik roboczy).

2.3. Podstawowe charakterystyki i montaż geosondy

Geosondy nie zajmują dużo miejsca, a temperatura źródła jest stała przez cały rok, więc możliwe jest również bezpośrednie chłodzenie. W zależności od jakości gruntu dla pompy ciepła o mocy 1 kW wymagana jest studnia o głębokości 10-20 m. Minimalna odległość między studniami powinna wynosić od 5 do 6 m, a minimalna odległość od fundamentu budynku powinna wynosić 2 m. Zawsze należy brać pod uwagę jakość lub rodzaj gleby, ponieważ głębokość studni zależy od tych czynników.

3. Energia geotermalna z warstw ziemi

W zależności od właściwości gruntu zyski ciepła na metr długości wynoszą średnio 50-100 W/m długości sondy, tj. głębokości studni. Tam, gdzie gleba jest porowata, możliwe są wyższe wartości. Ilość wody i porowatość gleby mają duży wpływ na przewodność cieplną; średnie zyski ciepła wynoszą:

• - grunt suchy piaszczysty: 20W/m,
• - gleba wilgotna piaszczysta: 40 W/m,
• - mokra gleba kamienista: 60 W/m,
• - grunt z wodą gruntową: 80-100 W/m.

Temperatura gleby na głębokości 15 m jest stała i wynosi około 10°C, a średnio co 33 m głębokości wzrasta o 1°C.

4. Energia geotermalna dla pomp ciepła

Zastosowanie pompy ciepła jest najbardziej przyjaznym dla środowiska i rozpowszechnionym sposobem pozyskiwania energii geotermalnej do ogrzewania lub chłodzenia, ponieważ nie ma negatywnego wpływu na środowisko. Taki system grzewczy przenosi ciepło z gruntu do gruntu przy minimalnym zużyciu energii, nie zanieczyszcza środowiska i jest jednym z najbardziej wydajnych systemów ogrzewania i chłodzenia. System geotermalny przekazuje energię słoneczną i ziemną do budynku poprzez system rur umieszczonych w ziemi. Gruntowe pompy ciepła mogą wykorzystywać do ogrzewania temperaturę od 5°C i wyższą. W przypadku instalacji grzewczej z pompą ciepła co najmniej 75% energii  na ogrzewanie pomieszczeń i wody sanitarnej zużywane jest ze źródła ciepła, do którego pompa ciepła jest podłączona. Przy źródle ciepła i 25% energii elektrycznej pompa ciepła wytwarza 100% energii grzewczej.

4.1. Moc pompy ciepła

Obecnie obowiązująca ustawa z dnia 20 maja 2016 r. o efektywności energetycznej (tj. Dz.U. z 2021 r., poz. 2166), wprowadza krajowy cel oszczędności energii finalnej do uzyskania do końca 2030 roku w wysokości 5580 tys. toe, który jest realizowany od 1 stycznia 2021 do 31 grudnia 2030 r. Cel wyznaczony na 2030 rok będzie realizowany poprzez system świadectw efektywności energetycznej oraz tzw. środki alternatywne. Budżetowy paszport energetyczny jest wydawany na podstawie obliczonych wskaźników zużycia energii w budynku (zwykle dla budynków mieszkalnych jako całości, bez pomiaru każdego mieszkania osobno). Na podstawie tej kalkulacji budynek jest klasyfikowany w jednej z 9 klas efektywności energetycznej. Klasyfikacja dokonywana jest na podstawie rocznego zużycia ciepła wymaganego przez obiekt do ogrzania na jednostkę powierzchni użytkowej. Świadectwo energetyczne wydawane jest dla wszystkich nowych budynków, a metodyka obliczeń jest taka sama, jak przy obliczaniu zużycia energii, którego dokonano w celu uzyskania pozwolenia na budowę. Klasy to:

- klasa A1, od 0 do 10 kWh/m2a,

- klasa A2, od 10 do 15 kWh/m2a,

- klasa B1, od 15 do 25 kWh/m2a,

- klasa B2, od 25 do 35 kWh/m2a,

- klasa C, od 35 do 60 kWh/m2a,

- klasa D, od 60 do 105 kWh/m2a,

- klasa E, od 105 do 150 kWh/m2a,

- klasa F, od 150 do 210 kWh/m2a,

- klasa G, od 210 do 300 i więcej kWh/m2a.

Przy określaniu mocy pompy ciepła na podstawie ogrzewanej powierzchni uwzględnia się następujące wartości jednostkowych strat ciepła:

• - istniejący dom z odpowiednią izolacją termiczną 70 W/m²,
• - nowa konstrukcja z dobrą izolacją termiczną 50 W/m²,
• - dom niskoenergetyczny 40 W/m² i
•  - dom pasywny 10 W/m².

4.2. Układ grunt-woda (geosonda)

Geosonde to zamknięty typ odwiertu geotermalnego, przez który eksploatowana jest energia. Tam, gdzie nie ma wystarczającej ilości wody gruntowej, instaluje się system gruntowo-wodny. W takim przypadku wierci się jeden lub więcej odwiertów na głębokość 80-150 m, w których umieszcza się 4 rury, z których dwie są połączone w U-pętlę. Pompy ciepła gruntowo-wodne wykorzystują energię słoneczną zmagazynowaną w gruncie, którą przy pomocy pompy ciepła można wykorzystać do ogrzania domu lub wody sanitarnej. Do pozyskiwania ciepła wykorzystuje się geosondę pionową lub kolektor poziomy. Woda lub medium, do którego dodano środek zapobiegający zamarzaniu, krąży w zamkniętym systemie rur. Woda lub medium w rurach przekazuje ciepło do pompy ciepła, która wykorzystuje dodatkowy prąd do dalszego podgrzania (do 65°C) i zwraca schłodzone o około 5°C.

4.3 System woda-woda (odwiert)

Jest to odwiert lub studnia geotermalna typu otwartego i jest to najbardziej efektywny system do eksploatacji odnawialnych źródeł energii z wykorzystaniem pompy ciepła. Pompa ciepła woda/woda nadaje się do ogrzewania budynków mieszkalnych i komercyjnych oraz do podgrzewania wody sanitarnej. Wody gruntowe są wykorzystywane jako źródło ciepła. Proces odbywa się w ten sposób, że woda gruntowa jest pompowana pompą głębinową z pierwszego (eksploatacyjnego) odwiertu do pompy ciepła, gdzie schładza się o około 5°C, a następnie wraca do drugiego, tzw. powrotnego (absorpcyjnego) odwiertu. Odległość między studniami to minimum 12 m, przy czym bardzo ważne jest ich ustawienie, biorąc pod uwagę kierunek przepływu wód gruntowych. Wody gruntowe mają średnio stałą temperaturę 12°C niezależnie od pogody i temperatury zewnętrznej.

Jeśli zdecydujesz się na ten typ wiercenia studni, możesz skontaktować się z nami pod adresem daibau.pl. Na naszej stronie znajdziesz więcej porad związanych z tym tematem, a także dostawców i producentów, z którymi współpracujemy i którzy odpowiedzą na Twoje zapytanie odpowiednią ofertą.

Informacje o cenach znajdziesz w naszym kalkulatorze.

Twój zespół,

daibau.pl